CN101923657B - 具有数据纠错功能的声表面波射频标签及其纠错方法 - Google Patents

Abstract

一种射频识别技术领域的具有数据纠错功能的声表面波射频标签及其纠错方法，包括：若干码块组成的压电基片、叉指换能器和反射栅，其特征在于：叉指换能器设置于压电基片的一端，压电基片的另一端上设有数据区和纠错校验区，位于数据区中的反射栅的位置区域与标签编号的每一位对应于每个码块中槽位的编号，而纠错校验区中反射栅放置的位置是依据数据区中编码和Reed-Solomon编码规则计算获得的。本装置在大编码容量基础上，解码时具有自动检验和自动纠错功能。一方面可以提高标签解码的可靠性和效率，另外一方面也可以为多标签的防碰撞提供解决途径。

Description

具有数据纠错功能的声表面波射频标签及其纠错方法

技术领域

本发明涉及一种射频识别技术领域的装置及方法，特别是一种具有数据纠错功能的声表面波射频标签及其纠错方法。

背景技术

射频标签(RFID，Radio Frequency Identification)技术是一种应用非接触式标签的技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它是适应信息技术和信息社会发展的一项重要实用技术，在高速公路自动收费、物流管理、邮政航空的自动包裹分拣、仓储图书管理、畜牧业监控管理、车辆防盗等诸多领域的智能管理方面具有重大应用前景。为实现全球任意项目有单一标签号码，标签需要实现64位、96位甚至128位编码。

采用声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)技术的射频标签是一种不使用集成电路芯片的射频识别方法。基于SAW技术的RFID系统由读写器和SAW标签组成。SAW标签由天线、叉指换能器以及反射栅组成。SAW-RFID系统的工作原理与雷达系统相似：当标签上的叉指换能器(IDT，Inter Digital Transducer)接收到读写器发送的无线脉冲查询信号后，根据压电材料的逆压电效应，在压电衬底材料上转换为声表面波，该表面波便在压电晶向方向传播。经过一段延迟时间后到达反射栅，一部分能量被反射回IDT，另一部份能量透射继续向前传播。根据正压电效应，被反射回IDT的声表面波脉冲再次被转换成电信号而由标签天线发送回读写器。利用反射回波脉冲的时延、幅值、相位或频率可实现标签编码。

由于SAW-RFID与IC-RFID在原理上的本质区别，它们具有各自不同的特点。SAW-RFID具有以下优点：

(1)SAW标签是纯无源的，只是被动地反射查询信号。只要SAW-RFID回波信号能量超过接收机等效热噪声功率即可；IC标签则需要射频信号供能，只有供能信号的能量超过半导体整流电压阈值后才能开始工作。因此，SAW-RFID比IC标签读取范围大，信号穿透能力强，更适用于贴在金属或内含液体的物体表面上。此外，IC标签必须在背面加贴铁氧体等导磁物体，因此增加了标签成本。

(2)由于声表面波标签利用的是压电材料，不牵涉半导体材料中电子的迁移过程，因此可在高、低温(-200～500℃)等恶劣环境下使用，可以承受强射线辐照(在10MRad强度的γ射线辐射下信号无明显变化)。

(3)读取速度快，能用于识别高速运动物体。Siemens公司的SOFIS声表面波系统已成功用于挪威奥斯陆汽车过桥自动收费系统以及德国慕尼黑火车进站定位系统，能识别速度达300千米/小时的高速运动物体。

(4)SAW标签可与声表面波传感技术结合，在完成识别任务的同时，还可对温度、压力、加速度、湿度和气体浓度等参数进行测量并可通过多阅读器实现物体定位。这对于“智能轮胎”或者食品、医药、血液等物流运输过程中需要同时记录保管的条件的那些应用非常适合。

目前大多数SAW-RFID采用延迟线结构，即利用换能器与各反射栅之间的不同距离形成反射信号串，从而确定其编码。如何在有限长度的基片上实现大容量编码是SAW-RFID实用化过程中的一个需要解决的关键问题之一。常规的开关键控编码(OOK，On-Off Keying)、脉冲位置(PPM，Pulse Position Modulation)或相位编码(PSK，Phase Shift Keying)等编码方式的编码容量都比较小，无法满足许多实际应用的要求。此外，由于本身编码容量就不足，若像有源无线通讯系统那样增加校验码以降低无线传输过程中噪声干扰导致的误码就显得更加困难。

经对现有专利文献检索发现，美国专利US 6966493叙述了一种利用脉冲延时结合相位的高效编码方式，极大地提高了编码容量，因此其提出了采用循环冗余校验法(CRC，CyclicRedundant Checking)的方法，在解码后可以进行编码校验，以提高标签系统的可靠性。由于SAW-RFID利用反射信号串之间的位置或相位关系进行编码，每次解码时某一个或少数某几个脉冲位置或相位确定错误的概率较高，若仅采用CRC编码进行校验的话，是不能确定具体哪一个位置上的标签或相位有错误，更不能确定实际编码，只能在对比收到的结果不符合校验标准时重新查询标签编码。但实际上，每次解码时所有脉冲位置或相位均确定错误的概率则并不高，上述反复重新查询标签的方法大大降低了标签查询效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有数据纠错功能的声表面波射频标签及其纠错方法，该方法在大编码容量基础上，解码时具有自动检验和自动纠错功能。一方面可以提高标签解码的可靠性和效率，另外一方面也可以为多标签的防碰撞提供解决途径。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种具有数据纠错功能的声表面波射频标签，包括：压电基片、叉指换能器和若干反射栅，其中：叉指换能器设置于压电基片的一端，压电基片的另一端上设有数据区和纠错校验区，若干反射栅设置于压电基片的数据区及纠错校验区内的槽位中，数据区和纠错校验区由若干码块组成，所述反射栅的位置区域与所述标签的编号的每一位对应于每个码块中所述槽位的编号。

所述的码块的个数与反射栅的个数相等；

所述的槽位共计2^m个，其中：m＞2且n≤2^m-1，n为码块的总数；

所述的标签的纠错能力为t＝(n-k)/2，其中：数据区与纠错校验区的码块个数分别为k和n-k，显然k＝n-2t。

所述的槽位的编号依据数据区中编码和Reed-Solomon编码规则计算获得，具体方式如下：

第一步、确定数据区中k个码块中反射栅的位置，具体为：每个码块中，槽位依次从0编号到2^m-1，标签编号的每一位对应于每一个码块中槽位的编号。

所述的编号采用从左至右方向上的正序编号或逆序编号，其中：k位数据信息是由标签的编号决定的，记为c_k-1c_k-2…c₁c₀，其中0≤c_i≤2^m-1，即信息序列“c_k-1c_k-2…c₁c₀”中c_k-1的值就是数据区从左至右方向上第1个码块中反射栅放置的位置编号。

第二步、根据数据区中反射栅的位置确定纠错校验区中反射栅放置的位置，具体步骤如下：

(1)根据格式为RS(n，k.m)的编码规则(Reed-Solomon编码)，由第一步得到序列c_k-1c_k-2…c₁c₀的值，其中0≤c_i≤2^m-1，生成为信息多项式：

C(x)＝c_k-1x^k-1+c_k-2x^k-2+…+c₁x+c₀。

(2)根据RS编码的生成多项式

和RS编码计算纠错位的公式

R(x)＝C(x)x^n-k(mod(G(x))＝r_n-k-1x^n-k-1+…+r₁x+r₀，可以得到纠错码串r_n-k-1…r₁r₀，其中：α是伽罗华域中的本原元素，K₀是偏移量，一般取0。

(3)得到上述计算后的数据串r_n-k-1…r₁r₀后，就可以根据本发明中标签的结构，对应到基片上从左至右的码块，r_i(0＜i＜n-1)的值就是剩下的n-k个码块中反射栅依次放置的位置编号。

(4)合并信息多项式和纠错码串得到一个完整的标签信息：

Msg＝c_k-1c_k-2…c₁c₀r_n-k-1…r₁r₀＝msg_n-1msg_n-2…msg₁msg₀，

任意两个相邻的码满足不等式：

1)当第一步中的编号为正序编号时：msg_i-msg_i-1≤2^m-1-Q；

2)当第一步中的编号为逆序编号时：msg_i-1-msg_i≤2^m-1-Q。

其中：Q为两个相邻反射栅放置的最小间隔，单位为槽位；1≤i≤n-1，对应格式为(n，k，m)的RS码，共有(2^m-1)^k种编码可能性，因此当采用不同的编号顺序时，将满足上述不等式的编码筛选出来，就可得到符合相邻反射栅放置最小距离的编码。

这样的标签就携带有数据信息和纠错校验功能。

本发明涉及上述声表面波射频标签的纠错方法，包括以下步骤：

第一步、由接收到的信息msg′＝c′_k-1c′_k-2…c′₁c′₀r′_n-k-1…r′₁r′₀计算校正子S_j；

设接收矢量为Msg′(x)＝msg′_n-1x^n-1+msg′_n-2x^n-2+…+msg′₁x+msg′₀，分别把x＝α，x＝α²，...，x＝α^2t＝α^n-k带入接收矢量公式得到S_j＝Msg′(α_j)j＝1，2，…2t；

第二步、根据校正子S_j计算错误位置多项式

，采用Berlekamp-Massey迭代算法能够快速求出Λ(x)，

所述的迭代算法是指：

i)初始值Λ^(-1)(x)＝1，D(-1)＝0，d_-1＝1，Λ⁽⁰⁾(x)＝1，D(0)＝0，d₀＝S₁；

ii)按照

计算d_j

a)若d_j＝0则有Λ^(j+1)(x)＝Λ^(j)(x)，D^*(j+1)＝D^*(j)并计算d_j+1再进行下一次迭代；

b)若d_j≠0则寻找j之前的某一行i，是它在i-D(i)最大且d_i≠0的值d_i，按照

计算Λ^(j+1)(x)

c)重复进行迭代直到得到Λ^(2t)(x)。

d)把α^n-1，α^n-2，…，α¹，α⁰带入上述Λ(x)中，若Λ(αⁱ)＝0，则说明信息序列中从左至

右第n-i位发生错误，否则第n-i位是正确的，然后计算错误值；

第三步、在伽罗华域中运算，用接收到的值减去错误值就是纠正后的正确值从而完成纠错过程。

第四步、

中关于x的多项式系数记为

该数据串就是接收到的经过纠错计算后的标签编码。

对与系统接收到的信息msg_n-1msg_n-2…msg₁msg₀，当这n个信息中任意t＝(n-k)/2个被错误地确定，不管这个t个错误出现在表示信息的码块还是表示校验纠错的码块，均可以根据RS编码的纠错算法对该数据串进行纠正从而得到正确的标签编码。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用循环冗余校验法(CRC)的主要原理也是在数据信息位后增加一定数量的校验位，常用的有CRC-16，CRC-32等。对于槽位相同的标签，采用CRC校验和RS纠错两种方法进行对比，发现在信息位数相同的情况下，采用CRC-32和(7，3，3)编码的标签都有24位数据位和32位纠错校验位，采用CRC-16和RS(7，5，3)编码的标签都有40位数据位和16位纠错校验位。但采用CRC校验仅能检错，而RS纠错码却能自动纠正错误，并且可靠性和解码效率大大提高。

附图说明

图1为标签编码示意图；

图中：1叉指换能器、2压电基片、3反射栅、4信息区、5数据区、6纠错校验区、7码块、8槽位。

图2为每个码块中槽位与编号对照图。

图中：1正序编号情况、2逆序编号情况。

图3为编码后标签上码块位置示意图。

图中：1信息msg_n-1放置的码块、2信息msg_n-1放置的码块、3信息msg₀放置的码块、4数据区、5纠错校验区。

图4为实施例标签RS(7，3，3)的一个编码示意图。

图中：1信息msg₆对应的反射栅放置的码块、2信息msg₅对应的反射栅放置的码块、3信息msg₄对应的反射栅放置的码块、4信息msg₃对应的反射栅放置的码块、5信息msg₂对应的反射栅放置的码块、6信息msg₁对应的反射栅放置的码块、7信息msg₀对应的反射栅放置的码块、8信息区含3个码块、9纠错校验区含4个码块、10回波脉冲。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的声表面波射频标签包括：压电基片、叉指换能器和7根反射栅，其中：叉指换能器设置于压电基片的一端，压电基片的另一端上设有数据区和纠错校验区，3根反射栅设置于压电基片的数据区，4根反射栅设置于纠错校验区内。数据区由3个码块组成，纠错校验区由4个码块组成。

所述的码块包括8个槽位以设置反射栅；

所述的标签的纠错能力为t＝(n-k)/2＝2，其中：数据区与纠错校验区的码块个数分别为k＝3和n-k＝4，显然k＝n-2t.

所述的反射栅位于压电基片上的具体槽位通过以下方式获得：

第一步，确定数据区中3个码块中反射栅的位置，具体为：每个码块中，槽位依次从0编号到2³-1＝7，标签编号的每一位对应于每一个码块中槽位的编号。

所述的编号采用从左至右方向上的正序编号，其中：3位数据信息是由标签的编号决定的，记为c₂c₁c₀，即信息序列“c₂c₁c₀”中c₂的值就是数据区从左至右方向上第1个码块中反射栅放置的位置编号，c₁的值就是数据区从左至右方向上第2个码块中反射栅放置的位置编号，c₀的值就是数据区从左至右方向上第3个码块中反射栅放置的位置编号。

取标签携带的数据信息为“2、5、6”为例，标签上从左至右第1个码块上的第2号槽位放有反射栅，第2个码块上的第5号槽位上放有反射栅，第3个码块的第6号槽位上放有反射栅。

第二步，根据数据区中反射栅的位置确定纠错校验区中反射栅放置的位置，具体步骤如下：

(1)根据格式为RS(7，3，3)的编码规则(Reed-Solomon编码)，由第一步得到序列c₂c₁c₀的值，其中0≤c_i≤7，生成为信息多项式：

C(x)＝2x²+5x¹+6。

(2)根据RS编码的生成多项式

以及R(x)＝C(x)x^n-k(mod(G(x))得到R(x)＝4x³+x²+7x+3，可以得到纠错码串“4、1、7、3”。

(3)得到上述计算后的数据串r₃r₂r₁r₀＝“4、1、7、3”后，就可以根据本发明中标签的结构，对应到基片上从左至右的码块，r_i(0＜i＜n-1)的值就是剩下的4个码块中反射栅依次放置的位置编号。

(4)合并信息多项式和纠错码串得到一个完整的RS码：

Msg＝c₂c₁c₀r₃r₂r₁r₀＝msg₆msg₅msg₄msg₃msg₂msg₁msg₀＝“2、5、6、4、1、7、3”，

满足任意两个相邻的码正序编号时的不等式：msg_i-msg_i-1≤2^m-1-Q；

其中：Q为两个相邻反射栅放置的最小间隔且Q＝3，单位为槽位；1≤i≤6，对应格式为(7，3，3)的RS码。

所得标签如图4所示。

本实施例涉及上述声表面波射频标签的纠错方法，包括以下步骤：

在得到上述的携带有数据信息和纠错校验信息的标签后，阅读器对标签的回波进行识别时，由于传输过程中，信道存在干扰等情况存在，对回波信号的读取可能发生偏差，假设造成第二个回波的位置被错误地判断在第1个槽位上，如图4所示的虚线所示，其他回波均被正确地识别。所述的纠错校验过程是：

第一步、由接收到的信息msg′＝“2、1、6、4、1、7、3”计算校正子S_j；

设接收矢量为Msg′(x)＝2x⁶+x⁵+6x⁴+4x³+x²+7x+3，分别把x＝α，x＝α²，...，x＝α^2t＝α^n-k带入上述接收矢量公式，得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_0=2{\left({\mathrm{\α}}^1\right)}^6+{\left({\mathrm{\α}}^1\right)}^5+6{\left({\mathrm{\α}}^1\right)}^4+4{\left({\mathrm{\α}}^1\right)}^3+{\left({\mathrm{\α}}^1\right)}^2+7\left({\mathrm{\α}}^1\right)+3\\ S_1=2{\left({\mathrm{\α}}^2\right)}^6+{\left({\mathrm{\α}}^2\right)}^5+6{\left({\mathrm{\α}}^2\right)}^4+4{\left({\mathrm{\α}}^2\right)}^3+{\left({\mathrm{\α}}^2\right)}^2+7\left({\mathrm{\α}}^2\right)+3\\ S_2=2{\left({\mathrm{\α}}^3\right)}^6+{\left({\mathrm{\α}}^3\right)}^5+6{\left({\mathrm{\α}}^3\right)}^4+4{\left({\mathrm{\α}}^3\right)}^3+{\left({\mathrm{\α}}^3\right)}^2+7\left({\mathrm{\α}}^3\right)+3\\ S_3=2{\left({\mathrm{\α}}^4\right)}^6+{\left({\mathrm{\α}}^4\right)}^5+6{\left({\mathrm{\α}}^4\right)}^4+4{\left({\mathrm{\α}}^4\right)}^3+{\left({\mathrm{\α}}^4\right)}^2+7\left({\mathrm{\α}}^4\right)+3\end{array}\right.$

第二步、根据校正子S_j计算错误位置多项式，采用Berlekamp-Massey迭代算法能够快速求出Λ(x)，

所述的迭代算法步骤为：

i)初始值Λ^(-1)(x)＝1，D(-1)＝0，d_-1＝1，Λ⁽⁰⁾(x)＝1，D(0)＝0，d₀＝S₁；

ii)按照计算d_j

a)若d_j＝0则有Λ^(j+1)(x)＝Λ^(j)(x)，D^*(j+1)＝D^*(j)并计算d_j+1再进行下一次迭代；

b)若d_j≠0则寻找j之前的某一行i，是它在i-D(i)最大且d_i≠0的值d_i，按照Λ^(j+1)(x)＝Λ^(j)(x)-d_jd_i ^-1x^j-iΛ⁽ⁱ⁾计算Λ^(j+1)(x)

c)重复进行迭代直到得到Λ⁽⁴⁾(x)；

d)把α⁶，α⁵，α⁴，α³，α²，α¹，α⁰带入上述Λ(x)中，得到Λ(α⁵)＝0，则说明信息序列中从左至右第2位发生错误，然后计算错误值，得到错误值为二进制数“100”；

第三步、在伽罗华域中运算，用接收到的第二位数“1”转化为二进制“001”减去错误值“100”，在伽罗华域中进行减法运算(异或)，就可以得到正确值为“101”，十进制数为5，所以

$\widehat{\mathrm{msg}}\left(x\right)=2x^6+5x^5+6x^4+4x^3+x^2+7x+3;$

第四步、中关于x的多项式系数记为“2、5、6、4、1、7、3”，该数据串就是接收到的经过纠错计算后的标签编码。于是可得到前三位的信息为“2，5，6”，从而有效地纠正了标签识别中的错误。

与现有技术相比，本发明的有益效果是大大提高了可靠性和纠错能力。

此外，在最小间隔Q＝3个槽位的限制条件下，得到所有符合编码格式为(7，3，3)RS码的步骤：先对前3个码块中所有满足最小间隔槽位的编码进行符合条件msg₆-msg₅≤2^m-1-3＝4及msg₅-msg₄≤2^m-1-3＝4的筛选，在8³＝512中组合中有416种数据信息是符合条件的；再对这416种符合条件的信息位进行后面4位的RS编码，同样进行符合msg_i-msg_i-1≤2^m-1-3＝4(其中1≤i≤4)的筛选，得到269个符合要求的纠错信息位。最后这269个编码就是格式为(7，3，3)的所有编码中完全符合系统要求的反射栅位置信息。列举如下表：

实施例2

采用更长的编码，例如当采用编码格式为(15，5，4)的RS码时：

本实施例的声表面波射频标签包括：压电基片、叉指换能器和15根反射栅，其中：叉指换能器设置于压电基片的一端，压电基片的另一端上设有数据区和纠错校验区，5根反射栅设置于压电基片的数据区，10根反射栅设置于纠错校验区内。数据区由5个码块组成，纠错校验区由10个码块组成。

所述的码块包括16个槽位以设置反射栅；

所述的标签的纠错能力为t＝(n-k)/2＝5，其中：数据区与纠错校验区的码块个数分别为k＝5和n-k＝10，显然k＝n-2t.

两个相邻反射栅放置的最小间隔为Q＝6个槽位，每个码块槽位采用逆序编号，该码可以纠正任意5个码块的任何错误。根据这一设计，先对前5个码块中所有情况进行满足最小间隔槽位的编码进行筛选，在16⁵＝1048576种信息位组合中，有725680个符合要求；再进行RS编码，然后对后10位进行筛选，共有283573个编码满足条件。

Claims (2)

1.一种具有数据纠错功能的声表面波射频标签，包括：压电基片、叉指换能器和若干反射栅，其特征在于：叉指换能器设置于压电基片的一端，压电基片的另一端上设有数据区和纠错校验区，若干反射栅设置于压电基片的数据区及纠错校验区内的槽位中，数据区和纠错校验区由若干码块组成，所述反射栅的位置区域与所述标签的编号的每一位对应于每个码块中所述槽位的编号；

所述的标签的纠错能力t＝(n-k)/2，其中：数据区与纠错校验区的码块个数分别为k和n-k，显然k＝n-2t；所述的槽位共计2^m个，其中：m＞2且n≤2^m-1，n为码块的总数；

所述的槽位的编号依据数据区中编码和Reed-Solomon编码规则计算获得：

第一步、确定数据区中k个码块中反射栅的位置，具体为：每个码块中，槽位依次从0编号到2^m-1，标签编号的每一位对应于每一个码块中槽位的编号；

所述的编号采用从左至右方向上的正序编号或逆序编号，其中：k位数据信息是由标签的编号决定的，记为c_k-1 c_k-2...c₁c₀，其中0≤c_i≤2^m-1，即信息序列“c_k-1 c_k-2...c₁c₀”中c_k-1的值就是数据区从左至右方向上第1个码块中反射栅放置的位置编号；

第二步、根据数据区中反射栅的位置确定纠错校验区中反射栅放置的位置，具体步骤如下：

(1)根据格式为RS(n，k.m)的编码规则，由第一步得到序列c_k-1 c_k-2...c₁c₀的值，其中0≤c_i≤2^m-1，生成为信息多项式：

C(x)＝c_k-1x^k-1+c_k-2x^k-2+…c₁x+c₀

(2)根据RS编码的生成多项式

和RS编码计算纠错位的公式R(x)＝C(x)x^n-k(mod(G(x))＝r_n-k-1x^n-k-1+…+r₁x+r₀，可以得到纠错码串r_n-k-1…r₁r₀，其中：α是伽罗华域中的本原元素，K₀是偏移量，一般取0；

(3)得到上述计算后的数据串r_n-k-1...r₁r₀后，就可以根据标签的结构，对应到基片上从左至右的码块，r_i的值就是剩下的n-k个码块中发射栅依次放置的位置编号，其中0＜i＜n-1；

(4)合并信息多项式和纠错码串得到一个完整的标签信息：

Msg＝c_k-1c_k-2…c₁c₀r_n-k-1…r₁r₀＝msg_n-1msg_n-2…msg₁msg₀，

任意两个相邻的码满足不等式：

1)当第一步中的编号为正序编号时：msg_i-msg_i-1≤2^m-1-Q；

2)当第一步中的编号为逆序编号时：msg_i-1-msgi_i≤2^m-1-Q；

其中：Q为两个相邻反射栅放置的最小间隔，单位为槽位；1≤i≤n-1，对应格式为(n，k，m)的RS码，共有(2^m-1)^k种编码可能性，因此当采用不同的编号顺序时，将满足上述不等式的编码筛选出来，就可得到符合相邻反射栅放置最小距离的编码。

2.根据权利要求1所述的具有数据纠错功能的声表面波射频标签，其特征是，所述的码块的个数与反射栅的个数相等。

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