超高频射频识别标签基准测试研究.pdf

中山大学 硕士学位论文 超高频射频识别标签基准测试研究 姓名：苏卓 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：陈鸣 20090602 超高频射频识别标签基准测试研究 专业：电力电子与电力传动 硕士生：苏卓 指导老师：陈鸣副教授 摘要 射频识别( R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n ，R F I D ) 是一种允许非接触式数据采 集的自动识别技术。其中工作在超高频( U l t r aH i g hF r e q u e n c y , U H F ) 频段的无源 R F I D 系统，由于在物流与供应链管理等领域的潜在应用，近年来得到了人们的 广泛关注。这种系统所使用的无源标签具有识别距离长、体积小、成本低廉等突 出特点。目前在市场上出现了各种品牌型号的U H FR F I D 无源标签，由于不同品 牌型号的标签在设计与制造工艺上的差异，这些标签在性能表现上各不相同，这 就给终端用户选择合适自己应用的标签带来了困难。R F I D 基准测试就是在实际 部署R F I D 系统前对R F I D 标签的性能进行科学评估的有效手段。然而为了在常 规实验室条件下得到准确公正的测试结果，需要对基准测试的性能指标及测试方 法学开展进一步的研究。本文正是研究符合E P CC l a s s1G e n2 标准的R F I D 标签 基准测试。 本文首先分析了当前广泛应用的超高频无源R F I D 标签基准测试性能指标与 测试方法上的局限性与不足之处。例如，在真实的应用环境中，由于受到各种环 境因素的影响，对同一品牌型号的标签，很难得到一致的识读距离测试结果。另 外，在某些测试场景中，使用识读速率作为测试指标，所得到的测试结果数值非 常接近，以致分辨度不足以区分不同品牌型号标签的性能差异。在这些分析基础 上，本文把路径损耗引入了R F I D 基准测试，通过有限点的测量与数据拟合分别 得到不同类型标签的路径损耗方程，结合读写器天线的辐射方向图，进一步得到 各种标签受限于读写器接收灵敏度的覆盖区域。无源标签由于其被动式能量获取 方式，其实际工作区域仍然受限于前向链路。本文通过实验测试出这些标签的最 小激活功率后，得出了各种标签在一定读写器发射功率下的激活区域。完成这些 步骤后，根据这两种区域的交集可以确定标签的工作区域，从而进行标签问的比 较并达到基准测试的目的，并能找出限制标签工作范围的瓶颈。 本文最后从功率损耗的角度研究了标签之间的相互干扰，为用户在密集部署 R F I D 标签的场景中设置标签之间的最小间隔距离具有重要的参考意义。 关键词：射频识别，基准测试，无源标签，路径损耗，最小激活功率 I I I R e s e a r c ho nB e n c h m a r k i n go fU H FR F I D T a g s M a j o r ： N a m e ： P o w e rE l e c t r o n i c sa n dE l e c t r i c a lD r i v e s S U ，Z h u o S u p e r v i s o r ：C H E N ，M i n g ，A s s o c i a t eP r o f e s s o r A bs t r a c t R F I D ( R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n ) i sa na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w h i c he n a b l e sc o n t a c t l e s sd a t ac o l l e c t i o n I np a r t i c u l a r , p a s s i v eR F I Ds y s t e mw o r k i n g i nt h eU H F ( U l t r aH i g hF r e q u e n c y ) b a n dh a sd r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nr e c e n t l y y e a r sd u et oi t st r e m e n d o u sp o t e n t i a l sf o ru s ei nt h el o g i s t i c sa n ds u p p l yc h a i n m a n a g e m e n t T h e r ea r es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sw i t hp a s s i v eU H F R F I Dt a g s ，s u c ha s l o n gr a n g eo p e r a t i o n ，l o wc o s ta n ds m a l ls i z e N e v e r t h e l e s s ，o w i n gt ot h ed i v e r s i t yo f d e s i g ns c h e m e sa n dt h e i ri m p l e m e n t a t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c e so fp a s s i v eU H FR F I D t a g sa m o n gd i f f e r e n tb r a n d sa n dm o d e l sC a nv a r ys i g n i f i c a n t l y A sar e s u l t ，i tp o s e s d i f f i c u l t i e sf o re n du s e r st os e l e c ts u i t a b l et a g sf o rt h e i ra p p l i c a t i o n s ，a n dR F I D b e n c h m a r k i n ge m e r g e st ob eah e l p f u la p p r o a c hf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f R F I Dt a g ss c i e n t i f i c a l l ya n de f f i c i e n t l yb e f o r er e a l - l i f ed e p l o y m e n t T h em e t r i c sa n d m e t h o d o l o g yo fR F I Db e n c h m a r k i n gs h o u l db ef u r t h e ri n v e s t i g a t e di no r d e r t oo b t a i n a c c u r a t ea n du n b i a s e dr e s u l t sw i t h i n g e n e r a ll a b o r a t o r y l i m i t a t i o n s T h i sp a p e r d i s c u s s e sb e n c h m a r k i n go fp a s s i v eU H FR F I Dt a g sw h i c hc o m p l yw i t hE P CC l a s s1 G e n2s t a n d a r d T h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n s t r a i n t sa n ds h o r t c o m i n g so fc o m m o n l yu s e d b e n c h m a r k i n gm e t r i c sa n dm e t h o d sf o rU H FR F I Dt a g sf i r s t F o re x a m p l e ，i ti s d i f f i c u l tt oo b t a i nr e a dr a n g ec o n s i s t e n t l yi nar e a l i s t i cs e t t i n gd u et ov a r i o u s e n v i r o n m e n t a le f f e c t s T h ed i s c r i m i n a t i o np o w e ro fr e a dr a t ei sn o th i g he n o u g ht o I V d i f f e r e n t i a t et a g so fd i f f e r e n tb r a n d si ns o m es c e n a r i o s A f t e rs u c ha n a l y s i s ，p a t hl o s s i sd e v e l o p e df o rt h ep u r p o s eo fb e n c h m a r k i n gt a g s W eo b t a i np a t hl o s se q u a t i o nf o r e a c ht y p eo ft a g sr e s p e c t i v e l yb ym e a s u r e m e n ta n dd a t af i t t i n g C o n s i d e r i n gr e a d e r s p a t c ha n t e n n ar a d i a t i o np a t t e r n ，c o v e r a g er e g i o nw h i c h i sc o n s t r a i n e db yt h er e a d e r s s e n s i t i v i t yc o u l db ef o u n d N o t et h a tp a s s i v eR F I Dt a g sa r ea l s of o r w a r d l i n k l i m i t e d d u et op o w e ra c q u i r e m e n t W ea l s ot e s tt h em i n i m a la c t i v a t i o np o w e ro ft h e s et a g s ， a n dt h e ne s t i m a t et h ea c t i v a t i o nr e g i o n A f t e rt h e s ep r o c e s s e s ，w ec a nf i n dt h e i n t e r s e c t i o na n dr e l a t i o n s h i po ft h e s et w oc o v e r a g er e g i o n s ，t h u sr o u g h l ye s t i m a t et h e i n t e r r o g a t i o nr a n g eo ft a g so fd i f f e r e n tt y p e s ，h e n c ea c h i e v et h eg o a lo fb e n c h m a r k i n g a sw e l la sf i n dt h eb o t t l e n e c ko fe x t e n d i n gt h ei n t e r r o g a t i o nr a n g e T h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ee f f e c to fm u t u a lc o u p l i n gf r o mt h ea s p e c to fp o w e r l o s s I ti si n d i c a t i v et oe n du s e r sw h e nt h e yd e p l o yd e n s et a g sf o rt h e i ra p p l i c a t i o n s a n ds e tt h eo p t i m a ld i s t a n c eb e t w e e nt a g s K e yw o r d s ：R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n ；p a s s i v et a g s ；b e n c h m a r k i n g ；p a t hl o s s ； m i n i m a la c t i v a t i o np o w e r V 论文原创性声明 本人郑苹声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的V , J 容外，本论文i 包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：荡，卓 同期：2 刃P 年占月2 同 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送在交论文的电子版和纸质版，有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被 查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或 其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：荡，卓 日期：2 鲫夕年多月2 E t 导师签名： 砾鸣 日期：纠年多月2 同 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：荡、D - 日期：2 口力年6 月2 日 1 1 研究背景概述 第1 章绪论 射频识别技术( R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n ，R F I D ) 是一种新兴的非接触式 自动识别技术，它广泛应用于门禁、动物识别、物流跟踪、仓存管理、生产线自 动化、车辆识别、产品防伪等方面，给不同产业的业务流程及运作管理模式带来 深刻的变革。特别是工作在超高频频段( U l t r aH i g hF r e q u e n c y ，U H F ) 的无源R F I D 系统，由于其使用的R F I D 标签具有生产成本低、体积小、识别距离长、读取速 度快、维护方便等众多优点，成为了当今智能供应链管理所极力倡导的自动识别 技术，具有广阔的市场前景和巨大的发展潜力。这项技术成为了近年来科研与技 术应用的一大热点，必将对未来人类的生活和生产方式产生不可估量的深远影 响。 近年来，R F I D 技术在世界范围内得到了迅猛的发展和应用。在美国，零售 商巨头沃尔玛( W a l M a r t ) 强制要求其前1 0 0 家供应商在其配送中心的产品包装箱 和货盘上加贴R F I D 标签。美国国防部也积极在政府采购、军品配送方面使用 R F I D 技术，要求其供应商使用R F I D 技术【l 】。同时，美国食品药品管理局( F D A ) 也鼓励药品生产商使用R F I D 2 1 。这一系列措施为R F I D 技术的推广应用增添了额 外的推动力，并促使了大量R F I D 应用案例的产生，使得R F I D 技术备受关注。 在欧洲，一些大型的零售商，如英国的T e s c o 和德国的M e t r o 也在积极推动 着R F I D 技术的应用。在市场调查公司R N C O S 的一份市场研究报告欧洲R F I D 行业展望2 0 0 7 2 0 1 0 中指出，到2 0 1 6 年，预计欧洲的R F I D 业将占全球市场的 大约4 0 。R F I D 技术正迅速运用于欧洲零售连锁行业【3 】。 虽然我国在R F I D 的技术发展方面起步较晚，而且还没有形成完整的产业链， 但近年来，中国在R F I D 技术研究应用方面的投入日益增多，许多企业及机构都 以积极的态度投入到R F I D 技术的应用和推广，各种R F I D 的示范工程不断涌现。 值得一提的是2 0 世纪9 0 年代中期，中国铁道部建设的铁路车号自动识别系统 ( A T I S ) 是使用R F I D 技术作为解决“货车自动抄车号 的最佳方案【4 】。2 0 0 4 年， 中国相关机构开始了国际化标准的引进和本土化工作，这为国内R F I D 产业的发 展奠定了基础。随着R F I D 设备成本的下降和标准化的实施，R F I D 技术的全面 1 推广和普遍应用将是未来发展的趋势，可以预见R F I D 技术将会对整个社会信息 化建设产生不可估量的深远影响，给各行业的生产、流通和管理模式带来深刻的 变革。 随着R F I D 技术的蓬勃发展，对R F I D 设备的需求也日趋旺盛，据有关机构 预测，到2 0 1 0 年，中国市场对R F I D 标签的需求预计将达到5 5 亿枚【5 1 。越来越 多的厂商和企业投入到R F I D 设备生产这一领域内，各种不同类型的R F I D 设备 不断涌现。目前在中国已经有远远超过1 0 0 家的R F I D 厂商和企业。然而，不同 的设计方案与制作工艺导致了不同品牌和型号的R F I D 设备性能有着显著的差 异，并且R F I D 设备生产商所标称的产品性能参数都是基于不同的测试方法和标 准，产品之间的比较缺乏一个统一的基准平台，这就给对同类产品性能表现进行 有效公正的横向相互比较带来了困难。R F I D 设备性能的多样性增大了R F I D 系 统集成商与终端用户选择合适产品部署R F I D 系统的难度，成为R F I D 部署实施 的重大难题。因此，对R F I D 设备进行科学评估成为有效部署R F I D 系统的一项 关键任务，是保证R F I D 应用系统可靠有效运行的重要步骤。基准测试就是针对 这个问题的一个有效解决方法，通过基准测试，我们可以对各种R F I D 设备的性 能进行科学的评估，从而为R F I D 用户提供公正、可靠的测试数据，为他们选择 R F I D 设备和部署实施R F I D 系统提供有效的帮助与指引。 发展科学的R F I D 基准测试方法，并提供相关测试参考数据，根据科学模型 对不同类型的R F I D 设备性能进行科学的分析和评估，具有如下重要意义： ( 1 ) 对于R F I D 设备生产商，R F I D 基准测试为其提供了检测自身产品性能的参考 标准，使其能清晰认识到自己产品的性能和市场定位，为改进技术和开拓市 场提供重要参考数据。 ( 2 ) 对于R F I D 系统集成商或终端用户，R F I D 基准测试可以减轻由于不同厂商所 生产的R F I D 设备多样性所造成的R F I D 元件选择难题，校验各种R F I D 元件 的应用效果，为R F I D 系统设计抉择提供参考依据，确保R F I D 系统能得到 快速有效的部署实施。 ( 3 ) 对于R F I D 科研机构，R F I D 基准测试便于科研人员分析测试各种新型R F I D 元件性能及其在实际应用中存在的问题和影响因素，为R F I D 技术开发指明 方向，推动R F I D 科研工作的发展。 2 本文研究了U H F 频段的无源R F I D 标签的基准测试。R F I D 标签是R F I D 系 统的重要组成部分，它被贴附在被识别物体上，带有被识别物体的各种信息，是 R F I D 系统中的数据载体。工作在U H F 频段( 8 6 0 M H z 9 6 0 M H z ) 的无源R F I D 标 签自身不带有电源，它从R F I D 读写器发出的射频信号中获取能量并维持数据的 传输，在未来的“物联网( I n t e m e to f T h i n g s ) ”发展中扮演着重要的技术角色。目 前，国际主流的半导体生产商纷纷进入了U H FR F I D 技术市场，N X P ，T I ，I m p i n j 等公司都有多种U H F 频段的R F I D 标签芯片产品；市场上存在着众多R F I D 标签 生产商生产U H F 频段的无源R F I D 标签，如A l i e nT e c h n o l o g y ，U P MR a s f e c ，O m r o n ， S y m b o l ，A v e r yD e n i s o n ，R S I ，R S W 等。各个厂家在产品设计与制造工艺上的差 异也导致了产品的性能各不相同。某些产品在商家提供的测试数据中表现优越， 但在实际应用中其表现差强人意。面对着琳琅满目的射频识别产品，千变万化的 应用场景，如何根据应用需要选择R F I D 产品和调整R F I D 系统，提高R F I D 系 统的识别率与识读距离并使其维持在相对稳定的水平，保证信息稳定可靠地传 输，成为R F I D 部署实施的一个重大挑战。 本文在深入研究U H F 频段无源R F I D 标签射频传播特性的基础上，把路径 损耗引入到R F I D 标签的基准测试中，从能量传播的角度分析各种品牌型号标签 性能表现的差异，并对不同品牌型号的标签进行了实际的测量工作与数据分析， 力求为R F I D 基准测试的工程应用提供了理论支撑和实践指引。 1 2R F I D 技术概述及发展历程 1 2 1R F I D 技术概要 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号 和空间耦合( 电感和电磁耦合) 传输特性，实现被识别物体的自动识别【6 】【7 1 。R F I D 技术涉及众多技术领域，涵盖无线通信技术，I C 芯片的制造与封装、天线设计 与匹配、信息安全、计算机集成系统等，这项技术具有交叉学科的背景与特点。 R F I D 系统主要可以分为R F I D 读写器( R e a d e r 或I n t e r r o g a t o r ) 、R F I D 标签( T a g 或者T r a n s p o n d e r ) 和R F I D 数据管理系统( 又称R F I D 中间件，R F I Dm i d d l e w a r e ) 1 7 1 。 图1 一l 所示是一个典型的R F I D 系统框图。R F I D 读写器与R F I D 标签之间通过非 接触的方式实现了能量的传递和数据的交换。 3 R F I D 读写器是向R F I D 标签发送各种命令并接收标签返回信号的设备，它 可以实现与标签之间的无线通信并对标签进行读写操作。R F I D 标签是R F I D 系 统中的一个重要设备部件，R F I D 标签被贴附在被识别物体上，标签内存有相关 物体的电子信息。当贴有R F I D 标签的物体进入R F I D 读写器的工作范围时，R F I D 读写器就可以与标签按照一定的通信协议进行通信，通过读写器对标签返回信号 的处理后读出标签中所包含的信息，从而实现自动识别物体。 数据 e = = 令 二 能量 图I - IR F I D 系统框图 读写器与标签之间的耦合方式主要包括两种【4 】：电感耦合和电磁反向散射耦 合。前者主要适用于低频、短距离的射频识别系统。后者主要使用于超高频及微 波频段的长距离射频识别系统。 R F I D 技术与传统的条形码技术相比具有的优势包括： ( 1 ) 采用无线电信号传递信息，可以穿透外部材料读取标签，标签不必位于视野 范围内。 ( 2 ) R F I D 读写器可以通过一定的防碰撞协议同时识读多个电子标签；并能对运 动中的电子标签进行识别。 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性强，可重复使用，可方便地改写电子标签内存储的数据。 ( 4 ) 数据存储容量大。 ( 5 ) 能满足隐私保护、数据安全等方面的要求。 正是因为R F I D 与传统识别的条形码技术相比具有众多的优势，传统的条形 码技术已无法满足人们更多、更高的要求，随着R F I D 技术的进一步成熟与应用， 它必将在识别技术的各个应用领域发挥着更大的作用。 4 1 2 2R F I D 发展历程 R F I D 经历了几十年的发展历程，在这半个世纪中，随着电子科学技术的发 展，通信与网络技术的进步，R F I D 技术也得到了不断的完善与应用。R F I D 技术 的最初发展主要得益于雷达技术的发展与应用。下面我们来回顾一下R F I D 技术 的发展历程【4 】【8 】【9 J 。 利用反向散射调制进行通信的历史可以追溯到1 9 4 8 年，H e n r yS t o c k m a n 在 P r o c I R E 上发表了一篇里程碑式的论文利用反射能量进行通信( C o m m u n i c a t i o n b ym e a n so f r e f l e c t e dp o w e r ) ) ) t o 】，这成为了R F I D 技术发展的基石，为反向散射 调制型R F I D 奠定了理论基础。 5 0 年代是R F I D 技术的初步探索阶段，基于3 0 年代和4 0 年代无线电和雷 达技术发展的基础上，和R F I D 有关的一些技术得到了开发。这一时期的代表性 技术包括长距离的空中作战敌友识别系统( i d e n t i f i c a t i o n ，f r i e n d ，o rf o e ，I F F ) ，以及 D BH a r r i s 所提出的可调制无源应答器射频传输系统( R a d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e m s w i t hm o d u l a t a b l ep a s s i v er e s p o n d e r ) 。 在6 0 年代R EH a r r i n g t o n 在他所发表的文章负载散射体理论( T h e o r yo f L o a d e dS c a t t e r e r s ) 中讨论了有关R F I D 相关的电磁学理论，R o b e r tR i c h a r d s o n 发明了“远程激活射频供电装置( R e m o t e l ya c t i v a t e dr a d i of r e q u e n c yp o w e r e d d e v i c e s ) ，还有J H V o g e l m a n 发明了“利用雷达波束的无源数据传输技术 ( P a s s i v ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e su t i l i z i n gr a d a re c h o e s ) ，这一系列的研究成果 为R F I D 技术的发展奠定了坚实的基础。在这一时期值得特别提出的是R F I D 技 术的商用也有了最原始的发展，在6 0 年代末成立的S e n s o r m a t i c 和C h e c k p o i n t 公司开发了E A S 电子物品监督系统，它被认为是世界上首个R F I D 技术的商用 案例，从此拉开了R F I D 技术商业应用的序幕。 7 0 年代R F I D 技术进入了快速发展的阶段，科研机构和大公司都对R F I D 技 术表现出极大的热情，投入大量的人力物力发展这项技术，具有代表性的科研机 构包括美国的洛斯阿拉莫斯科学实验室( L o sA l a m o sS c i e n t i f i cL a b o r a t o r y ) ，西北 大学( N o r t h w e s tU n i v e r s i t y ) ，和瑞典的微波基础研究所( M i c r o w a v eI n s t i t u t e F o u n d a t i o ni nS w e d e n ) 。与此同时， 美国的R a y t h o n ，R C A ，荷兰的N a p a d 等公 司都开发了自己的R F I D 应用系统，如1 9 7 3 年R a y t h o n 公司推出了R a y T a g ，1 9 7 5 S 年R C A 公司开发了电子识别系统。 8 0 年代开始，随着微电子技术、无线通信和计算机技术的发展，R F I D 得到 了进一步的发展，与其同时，R F I D 的商业应用也进入了一个崭新时代。R F I D 在 电子收费中的应用发展尤为突出。 9 0 年代R F I D 逐渐融入了人们的生活当中，世界上第一个开放高速公路收费 系统在美国的O k l a h o m a 州建成。R F I D 开始进入广泛应用的阶段，在9 0 年代末， R F I D 标准化问题也逐渐引起了人们的重视。 2 0 0 0 年后，随着制造成本的下降和R F I D 标准化的逐步完善，越来越多的公 司和组织加入到R F I D 技术的开发和应用领域，市场上R F I D 产品的种类也不断 增多，整个行业的规模呈现高速增长的态势。在生产和生活中，R F I D 技术的应 用案例大量涌现。与此同时，从R F I D 应用中引出的其他问题，如隐私保护、R F I D 数据安全，R F I D 测试等逐渐引起了人们的重视。1 9 9 9 年美国的麻省理工大学和 英国的剑桥大学发起创建了A u t o I D 中心，提出产品电子代码( E l e c t r o n i cP r o d u c t C o d e ) 和物联网( I n t e m e to fT h i n g s ) 的概念，旨在实现物品在全球范围内的跟踪和 管理。R F I D 技术作为物联网的载体，其重要性得到了进一步的提升和肯定。在 智能化成为信息技术重大趋势的今天，R F I D 无疑会在2 1 世纪的科技舞台中占有 重要的席位。 1 3R F I D 测试国内外发展现状 。随着R F I D 技术的成熟与应用，R F I D 市场会带动标准以及基准测试等相关产 业的发展，对R F I D 设备的测试成为了一个重要的研究课题。对于超高频的R F I D 标签来说，由于读写器的最大发射功率受到当地政策法规的约束，在一定的读写 器发射功率下，不同R F I D 标签的性能表现会有明显的差异。 为了帮助系统集成商和终端用户根据自己的应用需求选择合适的R F I D 标 签，在国外些单位和研究机构已经在R F I D 基准测试方面开展了相关的研究工 作，并发布了一系列的基准测试报告。比较著名的有O D I Nt e c h n o l o g i e s 公司， 他们已经发布了一系列涵盖R F I D 读写器和标签的基准测试报告并对外出售 【1 l 】【1 2 】【1 3 】；还有美国K a n s a s 大学信息与电信技术研究所D a n i a lD e a v o u r s 博士所 带领的研究小组也对R F I D 标签的基准测试课题开展了深入研究，并发表了若干 测试技术报告【1 4 1 1 5 】1 1 6 】，这些报告通过一系列的评价性实验，揭示出各种R F I D 6 标签产品性能表现的差异。重要的R F I D 国际性组织E P CG l o b a l 也推出了一些关 于R F I D 标签测试文档。如标签性能参数与测试方法( T a gP e r f o r m a n c eP a r a m e t e r s a n dT e s tM e t h o d s ) 1 7 1 ，它描述了符合E P CC l a s s1G e n2 协议的R F I D 标签测试的 一些性能指标以及测试这些性能指标的方法。还有静态测试方法( S t a t i cT e s t M e t h o d ) 1 8 】，它定义了在静态场景中进行应用标签测试的测试设备与测试步骤。 I S O I E C 也推出了关于R F I D 测试的标准，其中比较著名的包括I S O I E C l 8 0 4 6 ， R F I D 标签和读写器性能测试方法( I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y A I D C T e c h n i q u e s - R F I DT a ga n dP e r f o r m a n c eT e s tM e t h o d s ) ，以及I S O I E C l 8 0 4 7 - 3 ， R F I D 设备环境适应性测试方法( I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y - A I D CT e c h n i q u e s R F I D D e v i c eC o n f o r m a n c eT e s tM e t h o d s ) 。 虽然射频识别技术在我国已经得到了广泛的重视，但在射频识别基准测试方 面的研究与应用仍然处于起步阶段。2 0 0 8 年1 2 月1 5 日，中国射频识别基准测 试发展论坛暨中国射频识别基准测试联盟成立仪式在北京中科院自动化研究所 举行1 9 1 ，国内多家单位和科研机构都对R F I D 基准测试研究与应用表现出极大的 热情。射频识别基准测试将会逐步受到重视，为射频识别系统的可靠部署运行提 供有效参考，从而进一步推动射频识别系统在我国的发展与应用。 1 4 本论文研究内容及结构安排 目前国内少有对U H F 频段的无源R F I D 标签的基准测试的系统研究，本文 主要针对符合E P CC l a s s1G e n2 标准的U H F 频段无源R F I D 标签基准测试开展 了以下研究工作： ( 1 ) 在查阅大量相关文献的基础上，系统学习U H F 频段R F I D 系统的无线电传播 模型理论及无源标签结构特性，分析影响标签性能表现的主要因素。 ( 2 ) 通过实验讨论现有U H F 频段R F I D 标签基准测试中常用性能指标及测试方法 所存在的局限性。 ( 3 ) 把传统无线通信中的路径损耗的概念应用到U H F 无源R F I D 基准测试中，应 用无线通信中的大尺度衰落模型，从能量传播的角度科学分析U H F 频段无 源R F I D 标签的性能表现。提出用路径损耗公式来描述不同品牌R F I D 标签 反向散射信号的传播特性，并开展相关的实验，进行了数据分析。运用有限 点的测量与数据拟合的方法得出不同品牌型号R F I D 标签的路径损耗公式， 7 降低了R F I D 标签测试对造价昂贵的微波暗室的尺寸要求。最后得出了读写 器接收灵敏度设置在不同值情况下标签覆盖区域的变化图。 ( 4 ) 测试出不同品牌型号U H FR F I D 标签的最小激活功率，结合R F I D 读写器天 线的辐射方向图，得出各种不同品牌型号标签的二维激活区域。根据标签激 活区域与受限于读写器接收灵敏度的标签覆盖区域变化图，可以直观地揭示 不同类型标签的工作区域，并揭示出某一品牌型号R F I D 标签受前向链路约 束( 读写器到标签) 的覆盖区域与受读写器接收灵敏度约束的反向散射链路 ( 标签到读写器) 覆盖区域之间的相互制约关系，为高效地找出制约系统表 现的瓶颈并予以改善提供便利。 ( 5 ) 研究了标签之间的相互干扰。 本文一共分为六个章节，各章节的内容主要包括： 第一章主要叙述了R F I D 基准测试的背景、意义及其国内外研究发展状况， 并简要介绍了R F I D 系统的基本概念及其发展历史，这也是本文的研究背景。 第二章主要介绍了R F I D 系统的分类、U H FR F I D 系统的工作原理，重点介 绍了其电磁学理论基础及传播模型，并对U H FR F I D 标签的结构进行分析，揭示 影响标签性能表现的若干因素，为下面章节所述的测试提供必要的支撑。 第三章主要通过实验的手段并揭示了现有U H F 频段R F I D 标签基准测试中 常用性能指标及测试所存在的限制和不足，主要讨论了识读距离和识读速率这两 个性能指标及其测试。 第四章提出了基于路径损耗概念的R F I D 标签测试方法。首先介绍了相关的 理论，接着对各种不同品牌型号的R F I D 标签进行了实际的测量，主要包括标签 路径损耗测量与最小激活功率的测量，通过数据拟合处理过程得出路径损耗方 程，并根据读写器天线的辐射方向图得到各种品牌型号标签受限于读写器接收灵 敏度的标签覆盖区域与前向链路激活区域边界。 第五章研究多标签同时识别时标签与标签之间的相互干扰效应。 第六章对整个研究工作进行了总结，并对日后的进一步工作进行了展望。 8 第2 章U H FR F ID 系统的基本工作原理 2 1R F I D 系统分类 R F I D 系统呈现多样化的趋势f 4 J 【2 0 1 ，存在着多种分类方法。根据标签的供电 方式，R F I D 系统可以划分为三大类：有源系统、无源系统和半无源系统；根据 标签的数据调制方式，可以分为主动式、被动式和半主动式。按照标签的读写特 性，R F I D 系统又可以分为只读、读写与一次写入多次读取等类型。 系统工作频段被普遍认为是极为重要的分类依据，不同工作频段的R F I D 系 统，其负载调制方式、能量传输方式、识读距离以及物品穿透特性都有差异。下 面主要从工作频段和耦合方式方面介绍R F I D 系统的分类。 R j I D 系统的工作频段通常可以分为低频( L F ：3 0 3 0 0 K H z ，典型频段 1 2 5 - - 一1 3 4 K H z ) 、高频( H F ：3 一3 0 M H z ，典型频率是1 3 5 6 M H z ) 、超高频( U H F ： 8 6 0 9 6 0 M H z ，典型频率是9 15 M H z ) 和微波( M i c r o w a v e ：2 4 G H z ，5 2 5 8 G H z ) 。 根据工作频率的高低，R F I D 耦合的方式也有所不同，一般来说，工作频率 相对低的R F I D 系统通常采用电感耦合的方式。典型的工作频率有1 2 5 1 3 4 K H z ， 1 3 5 6 M H z 。读写器的天线( 通常是线圈) 产生交变的磁力线，进入读写器阅读区 域的标签可被认为是一个次级线圈，读写器天线线圈所产生的磁力线穿透标签线 圈，在其上产生感应电压。在这些采用电感耦合的R F I D 系统中，其工作波长通 常约为标签与读写器之间距离的几倍( 当频率为1 3 5 6 M H z 时，相应的波长约为 A = c f = 3 0 x 1 0 8 1 3 5 6 x 1 0 6 2 2 1 m ) ，在这种情况下，电磁场在读写器和标签 的距离内可以被认为是交变磁场，近似于天线的近场，在这个范围内，磁场强度 按标签与读写器之间距离的三次方衰减，因此这类R F I D 系统通常适用于读写区 域较短的场合，其典型的读写距离一般在l m 之内。 工作在超高频与微波频段的R F I D 系统采用反向散射调制原理，通常认为是 采用电磁场耦合，与雷达的原理相似，通过天线发射的电磁波遇到目标后被反射， 同时带有目标的信息。在这种耦合方式下，标签天线通常位于读写器天线远场区 的作用范围内，在这范围内电磁场波的传播基于电波传播理论。读写器通过天线 9 发射射频信号，电磁波在天线远场空间中传播衰减，一部分能量传播到R F I D 标 签所在的位置，在这个位置上电磁场能量一部分被通过标签的天线被标签吸收， 并提供给标签芯片内部整流电路以维持芯片电路的工作；另外一部分能量被标签 反向散射，并通过标签内部的阻抗变化把发送信息调制到反向散射的信号上，反 向散射的射频信号被读写器所接收，解调出标签所附带的信息。 低频和高频的R F I D 系统通常不会受到水的影响，特别是低频R F I D 系统， 其信号能穿透动物生物组织，因此被广泛地应用在畜牧业管理等需要进行动物识 别的场合；对工作在超高频和微波频段的R F I D 系统，在传播的过程中会受到周 围物体和环境的影响，各种障碍物的反射、标签所贴附物品的介电常数、读写器 发射功率，标签与读写器天线的位置、方向，周围环境的温度、湿度、干扰等都 会影响着整个系统的表现。 R F I D 系统所用的无线电频率决定着系统的主要性能和应用场合，表2 1 对 比了不同工作频率R F I D 系统的一些特性【4 】： 表2 - 1 不同频段的R F I D 系统比较 工 低频高频超高频微波 作1 2 5 一1 3 4 K H z1 3 5 6 M H z8 6 0 9 6 0 M H z2 4 G H z 频 5 2 5 8 G H z 窒 读无源：小于0 6 m无源：小于l m无源：3 m 1 0 m无源：小于l m 写有源：通常2 0 m 以有源：通常2 0 m 以 距 上 上 离 特 1 其识别表现基本具有防冲撞特性， 识别距离长，标签与超高频系统类似 性 不受外界环境影可以同时读取多个 成本低，体积小， 响，能够产生相对电子标签，适合多具有防碰撞机制。 均匀的读写区域重标签应用场景，受各国所在地区无 2 具有多种封装，价格比低频标签低线电频谱管制；对 但价格较高金属与液体敏感 典门禁系统 智能货架 供应链管理供应链管理与货物 型畜牧业管理图书馆管理生产线自动化追踪 应 交通管理 用 本文的研究对象超高频R F I D 无源标签依靠反向散射原理来工作，其典型的 工作频率为9 1 5 M H z 。在下一节我们将讨论超高频R F I D 系统的基本工作原理。 1 0 2 2U H FR F I D 系统工作原理 如2 1 节所述，U H F 频段的R F I D 系统采用了反向散射调制的耦合方式，其 有效通信距