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无线技术在无线认证中的应用(下)
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Wireless Technology Application In RFID
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■清华大学微电子所 王志华教授
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数据传输速率的考虑
载波频率和频带宽度与数据传输速率密切相关。一般讲，载波频率越高，可实现的数据传输率越高。通信过程所占用的频带越宽，数据传输速率也越高。定性地讲，阅读器与标签之间通信所需要的频带宽度应该是数据率的两倍。在窄带通信的条件下，RFID系统设计必须考虑数据率的限制。如果采用宽带通信方式，数据率一般不成问题。例如采用2.4
- 2.5 GHz的扩频通信方式，容易得到2Mbit的数据率，且满足信噪比的要求。
RFID工业对于阅读器和标签之间的信息传递并没有统一的标准。现在采用的技术包括幅度调制、频率调制、键控调制、脉宽调制等等。通信方式的选择由RFID系统开发者自行确定。不同系统有不同的数据传递方式、误码率、检错和纠错方式等。在某些系统中对于控制应用，可以达到100%的准确，而对于另外的应用，错误率可以达到5%。对于另外一个系统，控制和非控制应用完全可以达到100%的准确。在工业应用中RFID通常用来检查数据的完整性，这时对误差的要求与实际应用关系非常密切。比如如果用RFID收集SPC
(statistical process control) 数据，则1%~2%的错误率就完全可以满足，但如果使用RFID用来进行工艺控制，则错误率必须低到零。
影响RFID系统中数据完整性的因素包括数据传输方式、误码纠正技术、工作频率范围内的信道特性、RFID系统范围内的金属分布、其他RF设备发射无线电电波的情况、温度、湿度等。
阅读器作用范围和发射功率
阅读器与标签通信时的发射功率，标签响应阅读器时从电磁波中获得的功率，环境条件及结构。在高频应用中，环境条件的影响很大，信号的信噪比也属于环境条件之一。
虽然发射功率对RFID系统的有效范围起决定性作用，标签获得能量的方式和效率对它也有影响。从天线发射的电磁场或者说电磁波按照一定的形状向周围的空间扩展，电磁场的强度随着离天线的距离增加而减小，天线的设计确定了对电磁波扩散的形状，因此标签与天线之间的角度也影响作用距离，即影响RFID系统的有效范围。
在自由空间中，由于空间对机械振动的吸收作用，空间点的场强随该点离辐射源的距离增加呈平方律下降。在实际环境下，障碍物可能阻止电磁波的传播，从而引起某些点场强的急剧下降。在某些情况下，障碍物的反射波会与直射波的方向相反，同样造成空间位置信号场强很小，这种情况称作电磁波的多径衰减。潮湿的空气会吸收高频信号，也会影响RFID系统的有效距离。因此，在设计RFID系统时，必须根据业务情况、内部及外部环境等条件确定通信范围。
通常，标签内部所需要的能量比阅读器小得多，这就要求阅读器的接收灵敏度很高。在某些系统中，阅读器中的接收和发射相互独立，特别是上行信号和下行信号频率不同时经常采用这样的结构。
技术上讲，有可能选择对不同应用全合适的功率值，但有时必须服从一些人为的限制。通常100mW~500mW的发射功率适用于各种RFID系统。在不同的地区、不同领域必须服从无线电电波管理委员会的规定。
有源标签还是无源标签
RFID系统中的标签可为有源标签也可以为无源标签。有源标签中带有电源（通常为电池），标签接收发送数据靠所携带的电源供电。无源标签
内部不使用任何电池就可以接收和发送数据。有些标签中利用电池保持存储器中的数据，但不用电池的能量接收和发送数据，这种标签仍被认为是无源标签。无源标签可以通过变压器、电磁波的吸收或者反射得到能量。
有源标签的寿命受到电池寿命的限制。在不可以更换电池的应用条件下，电池用尽后就只得废弃标签。因此，有源标签通常只用于阅读器与标签间传递数据很少的情况,或者是读写次数很少的情况。有些有源标签的电池可以被充电，通常每次充电之间的时间就是20小时左右。在有源标签的电源接近失效时，有源标签的工作范围会下降。与无源标签相比，有源标签的最大优点是标签与阅读器之间的距离较大。许多有源标签采用静态随机存取存储器保存数据，数据要靠电池保持在存储器中。如果电池失效，标签中的数据也会丢失。
无源标签内部不需要电池接收和发送数据，如果采用静态随机存取存储器保存数据，则可以无限多次读写其内部数据，其寿命几乎可以达无限长。如果采用EEPROM保存数据，标签内数据可以被无限多次读出，标签内数据被改写的次数可以达1,000,000次。无源标签的通信所需要的能量由外部阅读器提供，因此在每天需要多次读写标签、长时间传递数据、标签需要长期工作等条件下，需要采用无源标签。
只读标签还是读写标签
RFID系统的工作方式可以与条形码类似，采用查表方式区分追踪对象，这种被称为只读方式。这种方式意味着RFID标签编码是唯一的，且只能被阅读器读出其编码，不能改写其唯一的标识码。关于追踪对象的其他信息，则存储在其他地方，比如某个计算机的数据库中。编码可以很简单，比如是一组二进制数，也可以很复杂，比如未经调制编码的射频信号。在整个系统中存在中心数据库的环境下，可以使用只读标签。
可改写RFID标签中存储的信息可以被改写。它可以应用于有中心数据库的系统，也可以应用于无中心数据库的系统。与被追踪对象相关的数据存储在标签内部的可改写存储器中，在必要的情况下可以被更新，更新数据时并不需要接触标签本身或者标签天线。可改写标签内部通常带有8k字节以上的存储器，可以用作随身携带的存储器，避免了中心数据库内部的数据地址重新划分，也免除了用来传输数据的网络。可改写标签通常可以用作交通付费的媒介、智能信用卡、个人安全数据等用途。
其他考虑
系统中是否包含覆盖全部应用地区的通信网络？整个系统是否存在控制中心？
如果系统中存在控制中心，且建立了完善的通信网络，则只读RFID系统是最经济的方案。如果建立的是一个无中心系统，或者不存在通信网络，则选择可改写RFID系统、由标签携带和传递信息比较合适。
在不同的地点之间需要传递多少信息？标签是否需要频繁地被读写？如果选择了读写标签系统，且要求在标签和阅读器之间传递大量数据，应该选择无源标签。如果只传递很少数据，或者标签被读写的次数很少，则可以选择有源标签。
存储在标签中的数据精度是否十分重要？如果标签内存储的数据并不十分重要，则允许标签读写存在某些误差。如果标签内存储的数据十分重要，则必须实现零错误读写。
标签和阅读器天线之间的距离有多远？标签和阅读器之间的距离由多个因素确定。这些因素包括：标签有源还是无源、无线传输系统的工作频率、传输数据的方式、在阅读器辐射范围内的金属分布、系统工作的温度范围、在阅读器附近是否存在其它发射无线电波的设备、环境湿度等。
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