СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
METHOD OF INCREASING RANGE OF RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION SYSTEM ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в системах радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Известны способы кодирования данных, например, по патенту РФ 2344437, в котором для кодирования данных используется М линий задержек (ЛЗ). При кодировании данных одним из наборов М ЛЗ два соседних кода различаются на один бит. Дальность идентификации при этом определяется отношением сигнал/шум и вероятностью ошибки между соседними кодами для этого отношения сигнал/шум. При отличии кодов на один бит требуется большее отношение сигнал/шум, и, следовательно, меньшее расстояние до метки для обеспечения этого соотношения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ кодирования данных методом включения-выключения импульса, представленный в книге Дшхунян В.Л. Электронная идентификация. Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты. / В.Л.Дшхунян, В.Ф.Шаньгин. - М.: ООО «Издательство ACT»: Издательство «НТ - Пресс», 2004. - 695 с.: ил., стр.251, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в кодировании данных включением-выключением импульса, при котором каждая возможная позиция импульса кодирует один бит данных для любого двоичного кода данных.
В идентификаторах на ПАВ (ПАВ транспондерах) распространен метод кодирования данных включением-выключением импульса, при котором каждая возможная позиция импульса кодирует один бит данных. Типичная конфигурация ПАВ транспондера системы радиочастотной идентификации (RFID) показана на рис.5.5 [2].
Наличие или отсутствие импульса в ответном сигнале ПАВ транспондера определяется топологией расположения рефлекторов на пьезокристаллической подложке. Каждый рефлектор создает свой импульс в ответном сигнале ПАВ транспондера, при этом время задержки между отдельными импульсами пропорционально пространственному расстоянию между рефлекторами на подложке. Поэтому, размещая соответствующим образом рефлекторы на подложке, можно сформировать требуемый двоичный код, представляемый последовательностью импульсов ответного сигнала транспондера.
В [1] на стр.243-258 описана система радиочастотной идентификации (РЧИД) на основе пассивных идентификаторов по технологии ПАВ. Пассивные идентификаторы представляют собой кристаллы с набором отражательных структур. Код идентификатора состоит из уникального набора отражателей, который соответствует уникальной последовательности электрических импульсов, образующихся вследствие прямого и обратного пьезоэффекта на входе/выходе идентификатора при подаче на него входного электрического импульса.
N
В способе-прототипе кодирования данных, осуществляемом в системе радиочастотной идентификации, код идентификатора может быть от 1 до 2, где N - количество кодирующих бит.
Дальность работы системы РЧИД определяется по формуле:
0
C
И
ПАВ
0
0
где λ - длина электромагнитной волны; Р - мощность, посланная считывающим устройством; G и G - коэффициенты усиления (передачи) считывающего устройства и антенны идентификатора соответственно; А - вносимое затухание идентификатора, kTBF - значимая тепловая мощность шума (k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, В - полоса пропускания системы, F - коэффициент шума),
SNR - минимальное отношение сигнал/шум, требуемое для надежного обнаружения принятого сигнала с номинальным расчетным показателем или вероятностью ошибок.
В этой формуле предполагается, что для работы системы РЧИД необходимо обеспечить достаточный уровень мощности отраженного сигнала на приемном входе. Однако, при рассмотрении работы блока выделения принятого кода, оказывается, что дальность работы системы РЧИД зависит, в том числе, от структуры кода.
Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на дальность работы системы РЧИД. Для системы РЧИД оптимальным приемником будет следующая структура [2], рис.5.1.9., с.208.
На фиг.1 представлена схема оптимального приемного устройства кодов идентификаторов.
0
m
0
m
N
Здесь s…s - возможные сигналы кодов от 0 до 2. Код, равный 0, соответствует ситуации, когда сигнала от идентификатора нет. Е…E - энергия соответствующего сигнала. Выбор максимума осуществляется по стробу Т, где Т - период строба, равный длительности принимаемого сигнала.
Таким образом, для нахождения кода надо решить систему уравнений
,
где n(t) - шум.
j
Раскрывая A, получаем:
ij
i
j
где R - коэффициент взаимной корреляции для s и s сигнала;
nj
R - гауссова случайная величина с нулевым средним и дисперсией
0
, где N - спектральная плотность шума.
j
ij
j
Тогда A будет гауссовой случайной величиной со средним значением R - 0,5E и дисперсией .
1
1
ij
i
j
Так как сигнал состоит из N-битного кода, его энергия может меняться от 0 до ε·N, где ε - энергия одного бита. Значение R зависит от количества общих бит в s и s сигналах и может быть от 0 до N.
i
j
j
i
j
i
j
i
j
Дальность работы системы РЧИД определяется вероятностью правильного определения кода идентификатора. Для вычисления этой вероятности рассмотрим алгоритм приема. На входе оптимального приемника имеем сигнал z(t)=n(t)+s(t). По этому сигналу вычисляем значения A. A будут гауссовыми случайными величинами с одинаковой дисперсией и средними значениями, зависящими от i и j. Ошибка распознавания принятого кода s происходит, когда любая из A больше, чем A. Исходя из распределений вероятности A можно вычислить вероятность того, что A будет больше, чем любые из A.
i
i
ij
i
i
i
i
Среднее значение для A будет равно: A=R-0,5E=E-0,5E=0,5 E.
i
i
1
i
1
i
Сигнал s (t) состоит из m-значащих бит, тогда E=m·ε. Среднее значение A будет 0,5·mε. Ближайшими кодами к s (t) будут коды, отличающиеся на один значимый бит.
i-1
ii-1
1
i-1
1
ii-1
i-1
1
Для сигнала s(t) с меньшим на один значащий бит R=(m-1)·ε, E=(m-1)·ε. Среднее значение R-0,5E=0,5(m-1)·ε.
i+1
ii+1
1
i+1
1
ii+1
i+1
1
Для сигнала s(t) с большим на один значащий бит R=m·ε, E=(m+1)·ε. Среднее значение R-0,5E=0,5(m-1)·ε.
Как видим, оба ближайших сигнала имеют одинаковое среднее и дисперсию.
i
Плотность вероятности для A будет ,
i-1
для A:
,
i+1
i-1
i+1
для A:p=p.
Графики распределения плотности вероятности приведены на фиг.2.
i
1
1
Вероятность правильной идентификации будет равна вероятности того, что z будет больше 0,5mε-0,25ε, т.е. .
вu1
При отличии кодов на k значащих вероятность правильной идентификации будет  и больше вероятности Р.
вuk
вu1
Таким образом можно увеличить дальность идентификации системы РЧИД с уменьшением энергии на один бит, так что P будет ≥P.
N
В считывателях системы РЧИД на основе идентификаторов на ПАВ кодирующие последовательности представляют собой любой код от 1 до 2, где N - число бит:
В приемное устройство считывателя поступают кодирующие сигналы, искаженные шумом. В оптимальном приемнике входной сигнал «сравнивается» с помощью коррелятора со всевозможными парами и выбирается «наиболее похожий». За счет шумов входной кодирующий сигнал может преобразоваться в один из возможных кодов. Это произойдет, когда некоторые из единиц исказятся в нули и/или некоторые нули исказятся в единицы. Наиболее вероятным будет преобразование в код, отличающийся на одну единицу или ноль.
Дальность связи в такой системе считывания, помимо прочего, будет зависеть от вероятности искажения принимаемого кода в любой соседний. Вероятность искажения будет зависеть от «расстояния» между кодовыми последовательностями. «Расстояние» между кодовыми последовательностями равно количеству несовпадающих бит.
В системе для осуществления способа-прототипа кодовые последовательности представляют собой набор последовательных двоичных чисел, с минимальным кодовым расстоянием, равным одному. Например, кодовая последовательность состоит из 64 символов (бит). Достаточно одному из символов исказиться, и получится ложная идентификация.
Таким образом, минимальное различие между кодами в один бит увеличивает вероятность ошибки распознавания кодов и уменьшает дальность идентификации.
Недостатком способа-прототипа является большая вероятность ошибки распознавания кодов, что эквивалентно уменьшению дальности действия.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение предельной дальности действия системы радиочастотной идентификации за счет кодирования данных идентификатора выбранными кодовыми последовательностями, различающимися более чем на один бит.
Для решения поставленной задачи в способе увеличения дальности действия системы радиочастотной идентификации, включающем применение двоичного кода для получения кодовых последовательностей, используемых для кодирования данных идентификатора, согласно изобретению кодовые последовательности выбирают различающимися между собой не менее чем на заданное количество бит больше одного, причем кодовые последовательности генерируют или с помощью перебора кодов на компьютере, или с использованием блочных кодов, или с использованием генератора сверточных кодов.
Предлагаемый способ включает использование двоичного кода для получения кодовых последовательностей, используемых для кодирования данных идентификатора, которые выбирают различающимися между собой не менее чем на заданное количество бит (символов) больше одного.
Выбранные кодовые последовательности реализуются на идентификаторах на ПАВ выборочным нанесением отражателей на кристалле.
Набор кодовых последовательностей можно получить несколькими способами:
- последовательным перебором всех кодов на наличие кодового расстояния, равного заданному с помощью компьютера;
- с использованием генератора блочных кодов с заданным кодовым расстоянием, используя, например, код Рида-Соломона;
- с использованием генератора сверхточного кода.
Получение набора (массива) последовательностей с кодовым расстоянием (количеством отличающихся бит) больше одного.
1. Прямым перебором на заданное свойство.
Алгоритм перебора следующий.
N
Выбирается любой начальный код; из оставшихся выбираются коды с количеством различающихся бит больше заданного, для всех пар кодов из начального и выбранного на втором шаге выбираются коды, отличающиеся от первых двух на заданное число бит. Данный алгоритм выбора кодов продолжается, пока не будут исчерпаны все коды из заданного количества 2, где N - число бит. Процедура выбора повторяется для всех кодов, выбранных в качестве начальных. Таким образом, в результате перебора кодовых последовательностей на отличие между любыми из кодов на заданное количество бит получаем наборы (массивы) кодов с таким свойством.
Из полученных наборов кодов отбираются наборы с максимальным количеством кодов для обеспечения большего количества идентификаторов. Данный алгоритм требует больших вычислительных ресурсов, увеличивающихся с увеличением N. Для больших значений N его реализация возможна на мощной ЭВМ. Достоинством способа является возможность использования его для любого значения N и получения максимального набора кодов с заданным кодовым расстоянием.
2. Использование генератора блочных кодов.
Рассмотрим генерацию кодов с заданным кодовым расстоянием для блочных кодов Рида-Соломона. Код Рида-Соломона имеет следующую структуру:
m
m
min
(n,k)=(2-1,2-d),
где n - число полного кода в m-битных символах,
k - длина кодируемого кода,
m - любое число,
min
d - минимальное значение d.
min
Для заданного значения N=n·m и d выбирается n, k, и m. Для полученного значения n-k выбираем генерирующий полином степени n-k и на его основе реализуем кодер на основе сдвигового регистра (рис.8.9, Цифровая связь, Бернард Скляр).
min
Подавая на вход кодера все виды кодов длиной k·m, получаем на выходе кодера набор кодовых последовательностей с выбранным значением d минимального кодового расстояния. Этот способ удобен для генерации кодовых последовательностей в регулярном виде, однако ограничен в выборе длины кодовой последовательности.
3. Использование генератора сверточных кодов.
Для сверточных кодов известны оптимальные порождающие полиномы, реализующие максимальное значение кодового расстояния для заданных параметров кода (табл.8.2.1., табл.8.2.11, Прокис). Из таблиц выбираем заданное значение кодового расстояния и на основе параметров кода строим сверточный кодер (рис.8.2.1., Прокис ЦС). Подавая на вход кодера полный набор кодов, получаем на выходе кодирующие последовательности с заданным кодовым расстоянием. Этот способ является более оптимальным по сравнению с использованием генератора блочных кодов, но также имеет ограничение на длину кодовых последовательностей.
b
l
i
Осуществление предлагаемого способа можно показать на примере построения оптимального приемника, схема которого представлена на фиг.3, где s - минимальный код данных; s - максимальный код данных; s - текущий код данных.
Таким образом, в предлагаемом способе в качестве кодовых последовательностей для кодирования данных идентификаторов используются выбранные кодовые последовательности с кодовым расстоянием больше одного, что приводит к значительному уменьшению вероятности ошибки распознавания кодов и увеличению дальности идентификации.
Источники информации
[1] Дшхунян В.Л. Электронная идентификация. Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты / В.Л.Дшхунян, В.Ф.Шаньгин. - М.: ООО «Издательство ACT»: Издательство «НТ - Пресс», 2004. - 695 с.: ил.
[2] Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.: ил.
[3] Патент РФ 2344437, G01S 13/00.
[4] Патент РФ 2253149, G01S 13/00.