使用码分多址(CDMA)的协作式RFID读取器及其方法

本申请要求2018年5月14日提交且现在待决的第62/671,405号美国临时申请案的优先权，所述美国临时申请案的公开内容以引用的方式并入本文中。

本发明是在政府支持下在由能源部发布的DE-AR0000528下做出。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本公开涉及RFID系统，且确切地说，涉及使用CDMA读取器编码通过多个协作式读取器同时RFID信令。

背景技术

读取可靠性是当复杂多路径环境中存在大量无源标签时特高频(“UHF”)射频识别(“RFID”)系统的关键限制之一。在许多实际应用中，读取故障率经常应当低于10

先前的具有电子产品代码(“EPC”)第2代(Gen 2)协议的RFID系统以时分多址(“TDMA”)执行详细的标签单分(singulation)过程，探索多个读取器天线放置，且引入读取器与标签之间的相对移动以最小化读取故障概率，但仅有有限的成功。替代地，为了改进读取产率或放大总覆盖面积，可以分散具有显著重叠读取区的更多读取器。然而，这具有严重的读取器间冲突(“R2RC”)的可能，在当前的EPC标签TDMA方案内难以解决。这是因为当采用多个读取器时，全部读取器需要采用另外的协作式读取器TDMA方案来解决R2RC，因为不仅一个读取器的接收器(Rx)会被其它读取器发射器(Tx)干扰，而且多于一个读取器的读取区内的标签当它们同时广播时无法正确地对读取器命令进行解码。

如图1所示，第一读取器(读取器1)的读取区可以仅覆盖标签群组1，而没有标签群组2。添加读取器2以覆盖标签群组2可能造成干扰(例如，读取器1Rx会被读取器2Tx干扰)，且两个读取区中的标签无法恰当地对读取器命令进行解码。即使在标签先讲(tag-talk-first，“TTF”)和标签只说(tag-talk-only，“TTO”)方案中，随着读取器在简化(streamline)标签响应序列中的作用越来越小，R2RC仍然是系统操作的严重问题。嵌入于读取器TDMA内的标签TDMA造成的额外延迟还将限制实时跟踪移动标签的标签取样速率。

发明内容

在第一方面，本公开提供使用协作式读取器码分多址(“CDMA”)协议的RFID系统。以此方式，RFID系统为范围内的全部读取器提供同步标签访问。标签可区分同时来自多个读取器的下行链路命令，并且接着相应地制定(formulate)响应。

本公开提供谐波RFID系统中的协作式读取器CDMA方案，其可解决读取器间冲突(“R2RC”)问题且显著增强重叠读取区中的标签的读取产出率(read yield rate)。通过利用信道特性和故障相关性，在复杂多路径情境中协作式读取器CDMA方案中的读取失败率的减少远远超过个别(individual)读取器的失败率的乘积。此改进可根本上有利于逻辑RFID应用中的可靠性。

在简单实验原型中演示呈现的读取器CDMA以验证R2RC解决方案和读取产率改进。在复杂多路径情境中所述两个读取器协作式CDMA方案实现低于10

附图说明

为了更全面地理解本公开的本质和目的，应参考以下结合附图的详细描述，其中：

图1是描绘两个邻近的RFID读取器会如何经受重叠读取区内的标签的读取器间冲突(“R2RC”)以及可能的读取器接收器堵塞的图式。

图2是谐波RFID系统的示意图。LPF：低通滤波器；HPF：高通滤波器。

图3(a)是具有通过反射非线性传输线(reflective nonlinear transmissionline,“NLTL”)的谐波产生且具有用于上行链路调制的RF开关的谐波RFID标签的示意图。

图3(b)是图3(a)的谐波标签(harmonic tag)的PCB原型。

图4是根据本公开的实施例的示例性谐波RFID系统的图式，所述系统具有通过软件无线电(SDR)平台配置的两个CDMA读取器(示出读取器1和读取器2可以同时访问重叠读取区内的谐波标签)。

图5是根据本公开的另一实施例且示出具有额外读取器和谐波标签的示例性RFID读取器的图式。

图6是示出示例性协作式读取器CDMA协议的流程图。

图7是示出根据本公开的另一实施例的方法的图。

图8(a)-8(b)是示例性读取器CDMA协议的图示，(a)读取器待发送到标签的信息，(b)每一读取器的正交CDMA码，(c)每一读取器的基带波形和当来自两个读取器的接收信号强度(RSS)相似时由标签接收的可能的基带波形。

图9示出示例性实验设定，其中SDR模块被配置成由LabVIEW实施的操作协作式CDMA协议的两个谐波读取器。为方便起见，谐波标签站立于可移动泡沫基板上。Ant1和Ant2的范围仅为了方便图片图示。在两个读取器离开标签约2米处进行实验。

图10(a)-10(c)示出读取器CDMA的实验原型的细节：(a)两个读取器的经调制数字IF信号。曲线有R1I(下部实线)：读取器1的同相信号，R1Q(下部虚线)：读取器1的正交信号，R2I(上部实线)：读取器2的同相信号，以及R2Q(上部虚线)：读取器2的正交信号。(b)在标签处接收的基带。(c)从读取器1的Ant1和读取器2的Ant2接收的基带。

图11(a)-11(d)。在读取区中具有各种散射体的实验情境，(a)两个读取器当标签在重叠读取区内随机地移动和旋转时维持到标签的直接视线，(b-d)大散射体连续添加到读取区而产生复杂多路径情境。

图12(a)-12(d)。针对图11(a)-11(d)中的信道条件在单个读取器方案和协作式CDMA读取器方案中的失败率的实验基准。点线示出对数-对数曲线中的斜率2，其对应于不相关的个别读取器失败和极少读取器协作的情况，这对于(a)中的两个曲线大部分是有效的。(b)-(d)中的高于2的斜率表明个别读取器失败的反相关性和丰富的读取器协作。使用协作式读取器CDMA实现低于10

具体实施方式

在第一方面，本公开提供协作式射频识别(RFID)读取器，其采用码分多址(CDMA)编码来向重叠读取区中的标签同时广播以及从所述标签读取响应，具有改进的数据同步和读取产出率。在一些实施例中，使用谐波反向散射方案以使系统能够具有高得多的信噪比(SNR)和灵敏度，同时读取器CDMA协议可以与初始TDMA轮询过程或替代标签CDMA方案集成。

在一实施例中，提供用于协作式RFID的方法100(见例如图7)。提供(103)RFID读取器。所提供(103)的读取器具有基带频率，且是参与RFID读取器(participating RFIDreader)的群组的成员。每一参与RFID读取器被同步于基带频率。举例来说，每一参与RFID读取器可以具有共同基带时钟CLK

所提供(103)的RFID读取器用以向RFID读取器的读取范围内的全部RFID标签发射(106)经CDMA编码的信号(即，广播经CDMA编码的信号)。如下文将进一步描述，广播信号的范围内的标签将对所述信号进行解码且可以发送响应。方法100包含从RFID标签接收(109)响应信号。所接收(109)的响应信号将包含使用参与的RFID读取器(participating RFIDreader)的码进行编码的数据。RFID读取器将使用相互正交码的已知集合中的适当的码对所接收(109)的响应的数据进行解码(112)。举例来说，在一些情况下，所接收(109)的响应信号将包含以所提供(103)的RFID读取器的码进行编码的数据，在其它情况下所接收(109)的响应信号将包含以另一参与RFID读取器的码进行编码的数据。以此方式，参与系统的任何RFID读取器将能够响应于参与系统的任何RFID读取器的广播而读取由标签产生的信号。

在一些实施例中，方法100包含向在读取范围内的RFID标签发射(115)轮询信号，所述轮询信号包括全部参与RFID读取器的正交码的集合。

在用以示出实施例的更特定的非限制性实例中，提供至少两个RFID读取器。所述至少两个RFID读取器中的每一个具有经同步的基带频率。举例来说，图4的图式描绘由第一RFID读取器(读取器1)和第二RFID读取器(读取器2)接收的共同基带时钟CLK

使用指派于第一RFID读取器的正交码来编码数据。以此方式，可使用所述至少两个RFID读取器中的第一RFID读取器的正交码产生第一经CDMA编码的信号。使用第一RFID读取器发射第一经CDMA编码的信号。所述信号可以发射到RFID标签。也可以使用指派于第二RFID读取器的正交码对相同或不同数据进行编码以产生第二经CDMA编码的信号。第二经CDMA编码的信号可以由第二RFID读取器发射。第二经CDMA编码的信号可以在第一经CDMA编码的信号由第一RFID读取器发射的相同时间或不同时间由第二RFID读取器发射。可以使用额外RFID读取器和对应正交码来产生和发射额外经CDMA编码的信号。

可以从RFID标签接收响应信号。举例来说，RFID标签在接收到从第一RFID接收器发射的信号之后即刻可以发射响应信号(例如，标签可以反向散射信号)。此响应信号可以在RFID读取器处接收，例如第二RFID读取器。响应信号包含以一个或多个RFID读取器的正交码进行编码的数据，例如第一RFID读取器的正交码。因为每一RFID读取器具有相互正交码的集合可用，所以接收RFID读取器能够对响应信号的数据进行解码，无论数据是用哪个正交码进行编码的。在响应信号由第二RFID读取器接收且以第一RFID读取器的正交码进行编码的实例中，第二RFID读取器可以对响应信号的数据进行解码。此外，响应信号可以包含通过例如第一和第二RFID读取器的正交码编码的数据且使用两个码对数据进行解码。以此方式，无论哪个读取器从RFID标签接收到响应信号，与每一读取器相关的数据都可以相应地被解码和处理。

在另一方面中，提供协作式RFID读取器10(见例如图5)。RFID读取器10包含发射器(Tx)20，其具有在Tx载波频率上调制的Tx基带频率。Tx基带频率被配置成同步于一个或多个额外RFID读取器90的Tx基带频率(视具体情况为Tx基带频率)。可以通过例如提供共同基带时钟信号或基带时钟检索模块来同步Tx基带频率。RFID读取器10还包含非瞬态存储器42。非瞬态存储器42可以是适合于数据的电子存储的任何类型。非瞬态存储器42的一些实例包含动态或静态随机存取存储器、快闪存储器、电子可擦除可编程存储器或类似物。非瞬态存储器42被配置成存储指派于协作式读取器CDMA方案内的每一RFID读取器10、90的唯一正交码。

RFID读取器10包含与发射器20和非瞬态存储器42电子通信的处理器40。处理器40可为例如现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、专用集成电路(ASIC)或类似物，或这些和/或其它组件的组合。处理器40被编程来根据指派的正交码对数据进行编码。以此方式，产生第一经CDMA编码的信号。处理器40使用发射器20发射第一经CDMA编码的信号。例如可以将第一经CDMA编码的信号发射到RFID读取器10的范围(“读取范围”)内的RFID标签95。

RFID 10读取器还可以包含与处理器40电子通信的接收器(Rx)30。接收器30具有Rx基带频率，其同步于Tx基带频率。Rx载波频率可以与Tx载波频率不同。举例来说，Rx载波频率可以是Tx载波频率的两倍(二次谐波)。在此类实施例中，处理器40可以进一步被编程来从RFID标签95接收响应信号。响应信号包含可以使用RFID读取器10的正交码或所述一个或多个额外参与RFID读取器90的正交码进行编码的编码数据。因为非瞬态存储器42已存储用于每一读取器10、90的相互正交码的集合，所以RFID读取器10可使用RFID读取器10的被指派正交码和/或相互正交码的集合的一个或多个码对响应信号的编码数据进行解码。

在另一方面中，提供用于协作式RFID读取的方法。提供至少两个RFID读取器。举例来说，可以提供多个RFID读取器。多个RFID读取器具有经同步的基带频率。举例来说，图4的图式描绘由第一RFID读取器(读取器1)和第二RFID读取器(读取器2)接收的共同基带时钟CLK

从RFID标签接收响应信号。举例来说，RFID标签在接收到发射的经CDMA编码的信号之后可以即刻发射响应信号(例如，标签可以反向散射信号)。可以在参与RFID读取器中的一个或多个处接收此类响应信号。因为每一RFID读取器具有相互正交码的集合可用，所以接收RFID读取器能够对响应信号的数据进行解码，无论数据是用哪个正交码编码的。

以下讨论提供额外实施例，包含技术原型，以及操作理论的论述，这些全部既定是非限制性且是出于进一步说明本公开的目的而提供。

谐波RFID系统中的读取器CDMA

在采用EPC协议的常规RFID系统中，其中下行链路和上行链路信号共享同一频带，通过具有从读取器Tx到Rx的直接泄漏的双工环行器以及通过从不完美阻抗匹配和附近大物体的天线反射的不良隔离在读取器Rx处带来低SNR。对于依赖于反向散射信号的准确振幅和相位解调以在除数字标签识别(ID)之外还检索例如位置和生命体征(vital signs)的应用，常规EPC方案无法提供可行的性能。本公开的实施例因此可以使用谐波RFID系统，举例来说如图2中所示出，其利用二次谐波来隔离下行链路(读取器到标签)和上行链路(标签到读取器)信号且已演示用于室内定位、用于同时访问的标签CDMA，以及生命体征监测。处于f的来自读取器Tx的下行链路信号经过低通滤波器(LPF)以向谐波标签广播，所述谐波标签采集RF能量、加电，将处于f的RF信号的部分转换为处于2f的二次谐波，且最终在上行链路信号中以2f向读取器Rx反向散射。读取器Rx处的高通滤波器(HPF)提供处于f的下行链路自干扰与处于2f的所接收谐波信号之间的高隔离(足够分离)。读取器Rx SNR因此不受其自身的Tx的高相位噪声裙部的限制。读取器Rx的SNR和灵敏度因此可极大地改进。

图3(a)中示出示例性谐波标签原型。所述标签通过天线A(Ant A)采集下行链路RF能量。在标签加电之后，标签Rx对来自下行链路的读取器命令进行解调且逻辑单元根据空中协议(air protocol)进行响应。天线B(Ant B)通过反射非线性传输线(NLTL)将下行链路信号的部分转换为2f。谐波信号随后从天线B反向散射到读取器Rx。可以提供NLTL前方的RF开关用于上行链路开关键控(OOK)调制。图3(b)中示出示例性谐波标签的PCB原型，其是基于WISP平台。因为标签是无源的，所以其大小和封装不受电池或再充电电路的限制。因此，所述PCB原型可容易地适于集成电路(IC)和印刷天线以减少整体尺寸。

如图4的示例性实施例中所示，两个谐波读取器由软件定义的无线电(SDR、EttusX310、UBX 160)配置以展示协作式读取器CDMA可如何解决R2RC且改进读取产出率。给定SDR平台提供两对Tx/Rx，其被设计为具有经同步基带的两个相干但独立的谐波读取器。读取器1中的FPGA产生基带信号，其由数/模转换器1(DAC1)变换到中频(IF)，其进一步由混合器上变频到处于f的基本RF频带。信号随后由功率放大器(PA 1)放大作为Tx1信号。低通滤波器1(LPF1)、分裂器(splitter)1和高通滤波器1(HPF1)形成用于天线1(Ant1)的宽带双工器，其具有合理的插入损耗影响。双工器的信号流示出为针对基波频率信号(f)的实心黑色箭头以及针对二次谐波信号(2f)的点线箭头。谐波标签通过Ant1响应于读取器1，穿过分裂器1和HPF1到Rxl。信号被放大且由本地振荡器(LO)降频转换到IF频带，并且接着由模/数转换器1(ADC1)取样，这随后由FPGA解调以检索标签OOK信息。SDR的另一信道被配置成读取器2，其类似于但独立于读取器1而操作。

针对f和2f的LO合成器由与用于读取器1的CLK1和用于读取器2的CLK2相同的时钟源驱动。此时钟分布使谐波读取器是相干的，且可检索反向散射信号的准确相位以用于估计飞行时间(ToF)。然而，对于例如在EPC下行链路中使用的脉冲间隔编码(PIE)等协议，如果读取器1与读取器2之间的相关载波相位信息不重要，那么CLK1和CLK2不需要同步。然而，为了在多个读取器上实现CDMA，每一读取器的基带信号应当以精确位对准来同步(CLK

图6中描述在CDMA读取器上进行的示例性协议。首先，通过初始读取器协调，每一读取器将被指派唯一的芯片码，且协作式CDMA方案内的全部读取器将具有完整芯片码表。随后每一读取器将轮询以及寄存其芯片码到读取范围内的全部标签。对于每一读取器轮询程序，标签可通过EPC TDMA协议或替代标签CDMA协议响应于读取器。在全部读取器完成轮询过程之后，读取器同时发送经CDMA译码的命令以访问全部标签。每一标签接收和解调经CDMA译码的帧，从可行的范围内的每一读取器检索信息且相应地响应于读取器。

图8(a)中示出读取器CDMA调制和解调方案，其中读取器1准备发送由实线表示的(111001)

实验和数据分析

图9示出用于验证的示例性协作式读取器CDMA的实验设定。在此非限制性实例中，SDR模块被配置成分别连接到Ant1和Ant2的两个独立谐波读取器。谐波标签站立于泡沫上且在两个读取器的读取区内移动。读取器天线平均位于离开标签约2米处。图9中的Ant1和Ant2的距离是非限制性且是为了清晰的图片呈现而提供。

读取器1和读取器2利用当前协作式CDMA协议的实施例来同时访问标签。在此实验中，使用图8中示出的相同读取器信息和芯片码指派。所述实验设定使用400kbps(千位每秒)的位速率(bit rate)，但其它基带带宽将不会显著改变我们的观测。IF频率设定于1MHz，因此每一位横跨IF循环的2.5个周期。读取器Rx ADC和Tx DAC的取样率都处于20MSps(兆符号每秒)，其中每一位的波形由50个点表示以提供足够的均衡和时序准确性。如图10(a)中所示，下部实曲线和下部虚短划曲线是由R1I和R1Q表示的读取器1的同相和正交(I/Q)信号，而上部实曲线和上部虚短划曲线是分别由R2I和R2Q表示的读取器2的I/Q信号。所述两个读取器的基带与SDR同步，且位通过其自身的DAC对准且转换到IF频带，然后进一步升频转换到处于950MHz的下行链路RF信号以同时发射到标签。标签Rx被设计为低通滤波器以检测下行链路信号的包络。在比较器之后，逻辑电平被均衡，如图10(b)中所示。基于上文描述的正交码表和CDMA解码方法，标签正确地将来自读取器1的信息解调为(111001)

标签随后将二次谐波作为上行链路信号反向散射到读取器。在此展示协作式读取性质的实验中，标签重放(replay)从在范围中的全部读取器接收的内容，但也可以标签CDMA协议和用于多标签访问的标签特定ID信息来替代地操作上行链路。图10(c)中示出由Ant1(下部)和Ant2(上部)接收的从标签到两个读取器的经解调基带信号。因为从标签到Ant1和Ant2的距离在此是大约相同的，所以振幅包络(amplitude envelope)是相似的，且波形振幅根据ADC的完整尺度被归一化。图10(c)中逻辑值被表示为数位，其为(110101101011)

多静态读取器系统中的最重要应用之一是在复杂多路径情境下的协作式读取，因为信道现在不限于个别读取器-标签-读取器路径。在信道条件C中的多静态n-读取器系统可被描述为矩阵A(C)：

特定标签的读取产率可通过来自读取器i Tx的下行链路信号和到读取器j Rx的上行链路信号的a

举例来说，四个读取器将具有四个Tx/Rx对。通过协作式读取器CDMA协议，全部四个读取器Tx可同时轮询标签。标签可以随后通过全部读取器信息的了解来相应地制定响应，其可由全部四个读取器Rx接收。因此，可完全利用信道信息来服务特定应用中的各种目的。图11(a)-11(d)中示出实验图示，其中两个读取器处于多静态Tx/Rx室内环境。以放入重叠读取区(灰色椭圆形)中的不同散射体(黑色矩形)创建四个多路径情境。在图11(a)中，两个读取器当标签在读取区内随机地移动和旋转时维持到标签的直接视线(LoS)。在图11(b-d)中，大散射体连续地插入到读取区中而增加多路径复杂性。

图12示出协作式读取器CDMA方案相比于同时操作的个别读取器的充分读取产率改进，特别是在复杂多路径情境中。应注意，由于谐波反向散射和读取器CDMA的使用而在所有情况下消除了两个读取器之间的Rx堵塞。连续地调整读取器Tx功率以收集各种标签位置和定向中的变化的失败率。在每一实验数据集合中收集大于300,000次读取发生。在图12(a)-12(d)中，以o标记和x标记划定的曲线分别是读取器1和读取器2的失败率，对比于图11(a)-11(d)中的对应信道条件中的协作式读取的失败率。每一图中的虚线具有斜率2，表示个别读取器的不相关读取失败发生的条件。在图12(a)中，协作式读取器CDMA方案的失败率接近于两个读取器的失败率的乘积，且对数-对数曲线中的斜率是约2，指示两个读取器的不相关读取失败的预期条件。在图12(b)-12(d)中，当大散射体连续添加到读取区时，个别读取器的产率开始比协作式读取器CDMA方案的产率快得多地降级。在图12(d)中，两个读取器的LoS被大部分阻挡，个别读取器在最大Tx功率下仅可实现0.2(80％的读取产率)和0.13(87％的读取产率)的失败率，即，A(C)的对角线项为1的概率相对低。相比之下，协作式读取器CDMA方案仍可达到低于10

尽管已经关于一或多个特定实施例描述本公开，但应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下形成本公开的其它实施例。