密集阅读器环境下rfid系统识别性能研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 密集阅读器环境下 RFID 系统识别性 能研究 摘 要： 密集阅读器环境下的同 信道干扰将显著降低阅读器识别性能， 基于 Nakagami?m 多径信道模型和最大 比合并（MRC）算法，推导了多天线分 集 RFID 系统反向识别距离的数学期望 值闭合表达式，并遵循 ISO18000?6C 标 准的空口参数进行数值仿真，验证了推 导的结论。 中国论文网 /8/view-12762672.htm 关键词： 射频识别； 同信道干 扰； 多天线分集； 空口参数 中图分类号： TN015?34 文献标 识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2014）09?0043?04 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 0 引 言 作为物联网重要应用之一的超高 频（UHF）射频识别（RFID）技术被认 为能作为电子条码，替代目前广泛使用 的光学条形码，因而备受关注1。一次 成功的识别要求阅读器激活无源标签， 且正确解码标签的反向散射调制信号2。 反向链路为级联的多径随机信道，标签 信号微弱，极易受密集阅读器环境下同 频信号的干扰。 Do?Yun Kim 分析了阅读器空中 接口的射频参数，通过公式推导和数值 仿真，给出了多阅读器下识别距离的变 化情况3。Papapostolou A 研究了干扰 对 RFID 定位应用的影响4。Ferrero R 通过改进友邻阅读器防碰撞（Neighbor Friendly Reader Anticollision）协议，来 减小阅读器间干扰发生5。多天线分集 技术能有效提高多径信道下 RFID 系统 识别性能。C.Angerer 设计了采用阵列 天线和最大比合并算法的 RFID 阅读器， 实际测试表明该 RFID 系统能获得更大 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的识别范围6。J.D Griffin 和 Kim 分别 采用移动无线通信中成熟的随机信道模 型，推导了采用多天线分集技术的 RFID 系统识别距离的改善效果计算公 式7?8。 本文基于 Nakagami?m 信道和最 大比合并算法，研究密集阅读器环境下 多天线分集 RFID 系统的识别性能，推 导识别距离的计算公式，并将符合 ISO 18000?6C 标准9射频参数的同道干扰 仿真与计算式结果进行了对比验证。 1 密集阅读器环境分析及系统模 型 UHF RFID 系统的同信道干扰存 在三种情形： （1） 多个标签散射信号干扰阅 读器解码； （2） 其他阅读器信号干扰单个 标签解码； （3） 密集阅读器时彼此互相干 扰。 情形 1 最常见，当阅读器同时识 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 别多个标签时即出现，已有大量文献通 过改进经典的 ALOHA 和树状搜索等算 法解决此种干扰，并已在 ISO18000?6C 等主流国际标准中采用。UHF RFID 系 统采用无线功率传输和无源标签使得情 形 2 几乎不会对系统识别性能产生影响， 这是因为实际应用时阅读器均负责各自 识别区域，标签接收的主阅读器信号功 率远大于干扰阅读器的信号功率，否则 根本不能被激活。情形 3 通常出现在超 市和仓储等密集阅读器环境，主阅读器 接收的标签反向散射调制信号极其微弱， 其他阅读器将对主阅读器产生同频干扰， 本文主要针对此情形，通过研究此种干 扰对多天线 RFID 系统的反向识别距离 （RIR ）均值的影响，度量系统抗扰能 力。 图 1 给出了双站天线类型的多天 线分集 UHF RFID 系统模型 7。 图 1 多天线分集 UHF RFID 系统 模型（双站天线类型） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 模型中Mt和Mr分别表示阅读 器发送和接收阵列子天线数，且要求 Mt2、Mr2 ，N 为标签子天线数， N2。使用wf （i）（或wb（m） ） 表示第i个发射（或第 m个接收）子 天线的权值，则wf=wf（1） ，wf（2） ， ，wf（Mt）T（或wb=wb （1） ， wb（2） ，wb（Mr）T）为发送天 线（或接收天线）的权值向量，T为转 置运算。hf（ i，j ） （或hb （j，m ） ） 表示发送子天线i （或接收子天线 m） 与标签子天线j 之间的信道参数，则 hf=hf（1） ，hf（2） ，hf（Mt） （或hb=hb（ 1） ，hb（2 ） ， ，hb（Mr） 为前向反向信道参数 向量。阅读器的连续载波和指令信号经 wf加权后从阵列天线发射出去，然后 通过参数为hf的矢量信道衰减，最后 被标签接收。标签采用等增益合并算法， 以期获得最大射频能量，通过反向散射 调制，将数据发给阅读器，反射信号也 经历参数为hb 的矢量信道后，才被阅 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 读器阵列天线接收。阅读器采用最大比 合并算法11 ，将接收信号经wb 系数 加权后，作后续判决处理。对于双站类 型，发射天线与接收天线间隔一定距离 布置，有hfhb。 2 密集阅读器环境识别距离 文献2?3对 UHF RFID 系统的反 向链路信噪比进行了研究，给出了阅读 器接收信噪比可由式（1）计算： SNR（db，t ） =PtGtGrGtagMP20d-fd-bhf（t） 2hb（t）2N0 （1） 式中：表示阅读器接收与实际 标签散射信号功率比值； Pt，Gt， Gr为阅读器发送功率及发送接收天线 的增益；Gtag为标签天线增益；M为 标签调制因子；P0为单位距离发送功 率；df，db为前向和反向链路距离； 是 Nakagami?m 链路衰落因子，且自 由空间有=2；N0 表示加性高斯白噪 声功率。hf（ t）和hb（t）为时间信 道参数，一般情况下，均可认为信道为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 平稳的，本文下述推导基于此假设。 假设二维平面上均匀分布着MI 个干扰阅读器，对主阅读器产生了干扰， 文献8给出了此时的干扰功率（I0） 的计算式为： I0=PtGtGrP0d-minLD2- 1d2max-d2mind2min-d2maxdmindmax （2） 式中：LD是天线的功率 损耗；dmin和dmax分别表示最小和 最大阅读器间距。采用wf，I（k） 表 示发射天线阵列权值向量，则由式 （1）和（2） ，可得接收信号干扰噪声 比（SINR）为： SINR=PtGtGrGtagMP20d-fd- bhf2hb2k=1MII0wbHI（k） wf， Ik2+N0 （3） 式中：HI （k）表示第 k个干 扰阅读器至主阅读器的信道矩阵，大小 为MtMr。 主阅读器识别距离即由 SINR 决 定，下面基于 Nakagami?m 模型，推导 其数学期望。实际应用时，人为的，主 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 阅读器与干扰源间将不存在视距情形， 可认为干扰信号经历了独立同分布的瑞 丽衰落，故HI （k）wf，Ik 为独立同分 布的复高斯矢量，其均值为零，均方差 矩阵为单位阵，则wbHI（k）wf ，Ik 是复高斯随机变量，且均值为零，方差 wHbwb=1。 若令： y=k=1MIwbHI（k）wf，Ik2 （4） 式（3）中 SINR 的分母可写为： z=I0y+N0 （5） 由式（3）求得反向识别距离db 均值的计算式为： Edb=k12?Ehf2hb212?Ez-12 （6） 其中： k=PtGtGrGtagMP20N0 （7） y服从 gamma 分布，且参数为 （1，MI） ，即： y 1，MI （8） 概率密度函数（pdf）为： fyy=yMI-1MIe-y （9） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 则式（3）中分母的 pdf 函数为： fzz=z-N0MI-1I0MIMIe-z-N0I0 （10） 故可采用数值方式求得 SINR 计 算式中分母z的数学期望。若存在干扰， 则其功率将远大于白噪声功率，则 zI0y，则z的期望值解析表达式为： Ez-12=MI-12I012MI （11） 将式（1）代入式（6）得反向识 别距离db的均值计算式为： Edb=k12?Mt+12Mr+12MtMr? MI-12I012MI （12） 3 数值实验 本实验对多天线 RFID 系统反向 识别距离均值随阵列子天线数目 Mt（Mr） 、干扰阅读器数目MI和链 路衰落因子 等参数的影响，进行仿真 研究。仿真参数根据国家无线电管理委 员会相关规定9和 ISO18000?6C 标准 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 10选取，见表 1。 表 1 数值仿真参数 参数&值&载波频率fc &840845 MHz/920925 MHz& 信道带宽W /kHz&250 &信道数量 N&20& 最大发射功率（ e.r.p） /W&2&信道内功率比 &0.86&天线增益Gt=Gr&6 dBi& 标签天线增益Gtag /dBi&1&参考单位路径功率P0 /dB&-31.7&路径损耗因子 &2.0， 4.0&标签调制因素M &0.9&噪声值N0 /dBm&-90& 信噪比阈值 SNRTH /dB&11&m 参 数&020 dB&阵列天线数 Mt=Mr &1，2，3，4&干扰距离 dmin， dmax&1，20，1 ， 30&干扰源 （MI） 范围 &2，16& 主阅读器与其他干扰阅读器的分 布图如图 2 所示，图中共MI个干扰阅 读器，第i个和第 j个阅读器至被扰阅 读器有最大最小距离，其他间距取均匀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 分布于区间dmin，dmax的数，阅读 器间链路为 Nakagami?m 随机多径信道。 图 2 仿真阅读器分布图 对比单天线系统，图 3 给出了不 同 Nakagami 参数m 值，多天线分集系 统反向识别距离（RIR）随子天线数目 Mr（假设Mr=Mt）变化的情况。实 验表明：仿真结果与计算值保持一致； 所采用子天线数目越多，所获得增益越 大；且多径越严重，RIR 增益越明显。 特别地，当m=20 dB，且子天线数为 5 时，能获得 1.33 倍的 RIR 增益。 图 3 RIR 均值增益随子天线数目 变化曲线 瑞丽信道（m=0 dB）下，RIR 均值随干扰阅读器数目变化的曲线如图 4 所示。仿真结果表明：当干扰源数量 增加时，RIR 均值将逐渐减小，特别地， 20 个干扰阅读器时，RIR 均值减小至 0 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 干扰的 65%；对于不同的阵列天线数目 Mr，RIR 均值减小同等比例，说明与 天线数Mr无关，仅与干扰源数目有关， 可知对于多天线 RFID 系统，增加阵列 天线数并不能对抗多阅读器干扰。 图 4 RIR 均值随干扰阅读器数目 变化曲线（m=0 dB） 图 5 给出了Mr=3 时，仿真值与 计算值之差的变化情况。由图可知，除 干扰源数MI=0 外，该差值是随着干扰 源数量的增大而减小的，这说明仿真越 来越接近均匀分布的密集阅读器环境。 仿真结果与理论计算值保持一致。 图 5 误差随干扰源变化情况 4 结 论 本文推导出密集阅读器干扰和 Nakagami?m 多