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在RFID系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾源嬖趦蓚€(gè)方面的問題:一是外界的各種干擾可能使數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生錯(cuò)誤;二是多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)占用信道會(huì)使發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。運(yùn)用數(shù)據(jù)檢驗(yàn)(差錯(cuò)檢測(cè))和防碰撞算法可分別解決這兩個(gè)問題。通常,在設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí),首先應(yīng)從合理地選擇調(diào)制制度、解調(diào)方法及發(fā)送功率等方面考慮。若采取上述措施仍難以滿足要求,則需考慮采用下述差錯(cuò)控制技術(shù)。
1.差錯(cuò)
按加性干擾引起的錯(cuò)碼分布規(guī)律的不同,可將差錯(cuò)分為以下三種類型。
(l)隨機(jī)差錯(cuò):由隨機(jī)噪聲(如熱噪聲)造成的誤碼、錯(cuò)碼的出現(xiàn)是隨機(jī)的;錯(cuò)碼之間沒有相關(guān)性,是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的;錯(cuò)碼的分布是零散的。
(2)突發(fā)差錯(cuò):由脈沖噪聲(如閃電等)造成的誤碼、錯(cuò)碼的出現(xiàn)是成串的;差錯(cuò)分布比較密集,也就是說(shuō)在一些短促的時(shí)間區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量錯(cuò)碼;差錯(cuò)之間有相關(guān)性。差錯(cuò)的持續(xù)時(shí)間稱為突發(fā)長(zhǎng)度。
(3)混合差錯(cuò):既出現(xiàn)隨機(jī)差錯(cuò)又出現(xiàn)突發(fā)出錯(cuò),而且哪一種都不能忽略不計(jì)的差錯(cuò)稱為混合差錯(cuò)。
出現(xiàn)上述三種差錯(cuò)的信道分別稱為隨機(jī)信道、突發(fā)信道和混合信道。
2.差錯(cuò)控制
為了降低誤碼率,提高數(shù)字通信的可靠性,往往要采用差錯(cuò)控制技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的錯(cuò)碼或發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)碼。差錯(cuò)控制方式常用的有以下四種。
(1)檢錯(cuò)重發(fā)方式(Automation Repeat Request,ARQ):接收端收到發(fā)送端發(fā)出的信碼后經(jīng)檢驗(yàn),如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)碼,但不知道該錯(cuò)碼的準(zhǔn)確位置,則通過(guò)反向信道把這一判斷結(jié)果告訴發(fā)送端,然后發(fā)送端把前面發(fā)出的信碼重新傳送,直到接收端確認(rèn)已正確收到信碼為止。這種方式的實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng),而且需要具備雙向信道。它適用于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng),如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信。
(2)前向糾錯(cuò)方式(Forward Error Correction,F(xiàn)EC):接收端在收到的信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼,而且還能夠確定錯(cuò)碼的準(zhǔn)確位置,并糾正錯(cuò)碼。對(duì)于二進(jìn)制系統(tǒng),如果能夠確定錯(cuò)碼的位置,就能夠糾正它(只要將出錯(cuò)處的bit取反即可)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要反向信道(傳送重發(fā)指令),也不存在由于反復(fù)重發(fā)所造成的時(shí)延,實(shí)時(shí)性好,但是其糾錯(cuò)設(shè)備要比檢錯(cuò)設(shè)備復(fù)雜。它適用于實(shí)時(shí)通信系統(tǒng),如語(yǔ)音通信等。
(3)反饋校驗(yàn)方式:接收端將收到的信碼原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)送端,并與原發(fā)送信碼相比較,如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,則發(fā)送端再進(jìn)行重發(fā)。這種方法的原理和設(shè)備都較簡(jiǎn)單,但需要有雙向信道。由于每一信碼都相當(dāng)于至少傳送了兩次,所以其傳輸效率較低。
(4)混合糾錯(cuò)方式(Hybrid Error Correction,HEC):該方方式是(1)、(2)兩種方式的結(jié)合,接收端若發(fā)現(xiàn)有少量錯(cuò)碼,在碼的糾錯(cuò)能力以內(nèi)用前向糾錯(cuò)方式進(jìn)行糾錯(cuò);如果錯(cuò)碼很多,超出了碼的糾錯(cuò)能力范圍,但能檢測(cè)出有錯(cuò)碼,則自動(dòng)采用檢錯(cuò)重發(fā)方式。這種方式能大大降低通信系統(tǒng)的誤碼率,因此它得到了廣泛應(yīng)用。此法又稱為“糾檢結(jié)合方式”。
在上述幾種方法中,(1)、(2)和(4)都需要在接收端識(shí)別有無(wú)錯(cuò)碼。但由于信息碼元序列是一個(gè)隨機(jī)序列,接收端是無(wú)法預(yù)知的(如果預(yù)先知道,就沒有必要發(fā)送了),也無(wú)法識(shí)別其中有無(wú)錯(cuò)碼,所以為了能夠在接收端識(shí)別錯(cuò)碼,要由發(fā)送端的信道編碼器在信息碼元序列中增加一些監(jiān)督碼元。這些監(jiān)督碼元和信息碼元之間有一定的關(guān)系,使接收端可以利用這種關(guān)系借助信道譯碼器來(lái)發(fā)現(xiàn)或糾正可能存在的錯(cuò)碼。這種在信息碼元序列中加入監(jiān)督碼元的編碼就稱為差錯(cuò)控制編碼,又稱信道編碼或糾錯(cuò)編碼。在信息碼中附加冗余的監(jiān)督碼元降低了編碼效率。由此可見,信道編碼是以降低通信的有效性為代價(jià)來(lái)?yè)Q取通信可靠性的提高的。
差錯(cuò)控制編碼可以從不同的角度進(jìn)行分類。按碼的控制功能,它分為檢錯(cuò)碼(只能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò))和糾錯(cuò)碼(能發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)碼);按信息碼元和附加的監(jiān)督碼元之間的關(guān)系它可分為分組碼和非分組碼。將信息碼分組,為每組信息碼元附加若干監(jiān)督碼元,監(jiān)督碼元僅監(jiān)督本碼組中的信息碼元,也就是說(shuō),每個(gè)碼組的監(jiān)督碼元只和該碼組的信息碼元相關(guān),而與其他組的信息碼元無(wú)關(guān),則這種碼組稱為分組碼。如果分組內(nèi)信息碼元和監(jiān)督碼元之間是線性關(guān)系,則稱為線性分組碼,否則稱為非線性分組碼。如果采用的編碼規(guī)則使若干個(gè)相鄰的碼組都具有了一定的相關(guān)性,則稱這種碼為非分組碼。常用的卷積碼就是非分組碼中最主要的一類。雖然卷積碼編碼后的碼元序列也劃分為碼組,但每組的監(jiān)督碼元不僅與本組的信息碼元有關(guān),而且與前面碼組的信息碼元也有約束關(guān)系。
3.檢糾錯(cuò)碼
RFID數(shù)據(jù)信息由信息碼元k與監(jiān)督碼元(也稱檢糾錯(cuò)碼)r組成,信息碼元與監(jiān)督碼元示意圖4.檢、糾錯(cuò)碼的分類,根據(jù)檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼對(duì)隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤的檢錯(cuò)能力,可以對(duì)其分類.
1)分組碼
碼組的檢糾錯(cuò)碼元僅與本碼組的信息碼元有關(guān),而與其他碼元組的信息碼元無(wú)關(guān)。這樣的碼組叫分組碼。
2)卷積碼
碼組的檢糾錯(cuò)碼元不僅與本碼組的信息碼元相關(guān),而且與本碼組相鄰的前m個(gè)時(shí)刻輸入的碼組的信息碼元之間也具有約束關(guān)系,這樣的碼組叫卷積碼,其性能優(yōu)于分組碼。
3)交織碼
交織碼是利用交織技術(shù)構(gòu)造出來(lái)的編碼
5.RFID中的差錯(cuò)檢測(cè)
RFID中的差錯(cuò)檢測(cè)主要采用的是奇偶檢驗(yàn)碼和CRC碼,它們都屬于線性分組碼。
1)奇偶檢驗(yàn)碼
奇偶校驗(yàn)碼是一種通過(guò)增加冗余位使得碼字中“1”的個(gè)數(shù)恒為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法,它是一種檢錯(cuò)碼。在實(shí)際使用時(shí),它又可分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和水平垂直奇偶校驗(yàn)等幾種。
2)CRC碼
CRC碼(循環(huán)冗余碼)具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力,其硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,因此在RFID中獲得了廣泛的應(yīng)用。
(1)算法步驟。CRC 碼是基于多項(xiàng)式的編碼技術(shù),在多項(xiàng)式編碼中,將信息位串看成階次從 Xk-1到 X0的信息多項(xiàng)式 M(X)的系數(shù)序列,多項(xiàng)式 M(X)的階次為 k-1。在計(jì)算CRC 碼時(shí),發(fā)送方和接收方必須采用一個(gè)共同的生成多項(xiàng)式 G(x),G(x)的階次應(yīng)低于M(X),且其最高和最低階的系數(shù)為 1。在此基礎(chǔ)上,CRC碼的算法步驟為:
① 將 k 位信息寫成 k-1 階多項(xiàng)式M(X);
② 設(shè)生成多項(xiàng)式G(X)的階為r;
③ 用模2除法計(jì)算XrM(X)/G(X),獲得余數(shù)多項(xiàng)式R(X);
④ 用模 2 減法求得傳送多項(xiàng)式 T(X),T(X)=XrM(X)-R(X),則T(X)多項(xiàng)式系數(shù)序列的前 k 位為信息位,后 r 位為校驗(yàn)位,總位數(shù)n=k+r。
CRC碼的計(jì)算示例如圖4-31所示。信息位串為1111 0111,生成多項(xiàng)式G(X)的系數(shù)序列為10011,階r為4,進(jìn)行模2除法后,得到余數(shù)多項(xiàng)式R(X)的系數(shù)序列為1111,因此傳送多項(xiàng)式T(X)的系數(shù)為1111 0111 1111,前8位為信息位,后4位為監(jiān)督檢驗(yàn)位
(2)CRC檢驗(yàn)原理。因?yàn)門(X)一定能被G(X)模2整除,所以判斷接收到的T(X)能否被G(X)整除,就可以知道在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)錯(cuò)碼。當(dāng)采用循環(huán)移位寄存器實(shí)現(xiàn)CRC碼計(jì)算時(shí),應(yīng)注意收、發(fā)雙方的循環(huán)移位寄存器的初始值相同。
(3)CRC編碼標(biāo)準(zhǔn)。CRC碼的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別錯(cuò)誤的可靠性比較好,且只需要少量的操作就可以實(shí)現(xiàn)。16位的CRC碼適用于檢驗(yàn)4KB長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)完整性,而在RFID系統(tǒng)中,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀明顯地比4KB短,因此除了16位的CRC碼外,還可以使用12位(甚至5位)的CRC碼。
常用的標(biāo)準(zhǔn)生成多項(xiàng)式有如下4個(gè)(其中前3個(gè)生成多項(xiàng)式是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)):
① CRC(12位)=X12+X11+X3+X2+X+1;
② CRC(16位)=X16+X15+X2+1;
③ CRC(CCITT)=X16+X12+X5+1;
④ CRC(32位)=X32+X26+X23+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1。
CRC(16位)多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制校驗(yàn)序列為1 1000 0000 0000 0101B。國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)推薦的多項(xiàng)式CRC(CCITT)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制校驗(yàn)序列為1 0001 0000 0010 0001B。
在RFID標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443中,采用的是CRC(CCITT)的生成多項(xiàng)式。但應(yīng)注意的是,該標(biāo)準(zhǔn)中的TYPE A采用CRC-A,計(jì)算時(shí)循環(huán)移寄存器的初始值為6363H;TYPE B采用CRC-B,循環(huán)位移寄存器的初始值為FFFFH。