（电工理论与新技术专业论文）基于智能天线技术的rfid信号提取方法研究.pdf

硕f j 学位论文 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 oi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r f i ds y s t e mi nu h fa n dm i c r o w a v eb a n dh a sm e r i t so f f a s tr e a d w r i t es p e e d ，l a r g em e m o r yc a p a c i t y l o n gr e c o g n i t i o nd i s t a n c ea n dm u l t i t a g s i d e n t i f i c a t i o n i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t f i r s t l y ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a v ep r o p a g a t i o ni nr f i ds y s t e mc o m m u n i c a t i o n a r er e s e a r c h e da n ds e v e r a lr f i ds i g n a l sp r o p a g a t i o nm o d e l sa r ed e r i v e d ，s u c ha s i n d o o rp r o p a g a t i o nm o d e l ，o u t d o o rp r o p a g a t i o nm o d e la n ds m a l ls c a l em u l t i p a t h p r o p a g a t i o nm o d e l b i te 仃o rr a t em o d e l sa n df o m u l a sf o rb i te r r o rr a t ea r ep r e s e n t e d b ya n a l y z i n gd i f f c r e n tm o d u l a t i o nm o d e l so fr f i ds i g n a l s b ya d a p t i n gs p a t i a ls p e c t m me s t i m a t i o na n dd i g i t a lb e a m f o m l i n gb a s e do ns m a r t a n t e n n at e c h n i q u e ，an o v e le x t f a c t i o na n di d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) s i g n a l si nu h fa n dm i c r o w a v eb a n di sp r e s e n t e d ，i no r d e rt o r e s o l v et h ed i m c u l t yo fr f i ds i g n a l se x t r a c t i o na n di d e n t i f i c a t i o ni nt h en o i s e i n t e r f e r e n c e ，c o h e r e n tm u l t i p a t ha n dm u l t i p l e - t a g se n v i r o n m e n t s b a s e do nu n i f l o m l i n e a ra r r a y ， b ya p p l y i n gs p a t i a ls p e c t r u me s t i m a t i o na l g o r i t h m ，s u c ha sm u l t i p l e s i g n a l c l a s s i 6 c a t i o n ( m u si c )a l g o r i t h m ， d i r e c t i o n o f - a r r i v a l s ( d o a s ) o fr f i d s i g n a l s a r ee s t i m a t e d p r o p e r l y i nt h en o i s ei n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p l e - t a g s e n v i r o n m e n t s b ya d o p t i n gf o r w a r d - b a c k w a r ds p a t i a ls m o o t h i n go rw e i g h t e ds p a t i a l s m o o t h i n gt e c h n i q u ea n dt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec o r f e l a t i o ni n f o m a t i o no fs u b a r r a y o u t p u t ，t h ed i r e c t i o n o f 二a r r i v a l s ( d o a s ) o fr f i ds i g n a l sa r ee s t i m a t e di nc o h e r e n t m u l t i - p a t he n v i r o n m e n t a tl a s t ，b ya d a p t i n gd i g i t a lb e a m f o r m i n gt e c h n i q u ea n da p p l y i n gt h ed o a s ， w e i g h t sa r ea d j u s t e du s i n gl i n e a rc o n s t r a i n e dm i n i m u mv a r i a n c e ( l c m v ) c r i t e r i o no r e i g e n s p a c e b a s e d ( e s b ) a l g o r i t h m f o l l o w e db yo p t i m a lw e i g h tv e c t o ro fd i g i t a l b e 啪f o 吼e r ，a d a p t i v ed i r e c t i o n a lb e 锄i sf o m e dt oi d e n t i f yr f i ds i g i l a l s t h e a p p r o a c h c a nf b md e e pd u l l si nt h ed i r e c t i o n so fi n t e r f e r e r sa n d g e tb e t t e r p e r f o m a n c eo fd o a so fr f i ds i g n a l se s t i m a t i o n a f t e rr e d u c i n gt h ee r r o rc a u s e db y m u l t i p a t h ，r f i ds i g n a l sc a nb ei d e n t i f i e da n de x t r a c t e ds u c c e s s f u l l y s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ei d e n t i f i c a t i o na n de x t r a c t i o nm e t h o dp o s s e s s e sal o w e r s n rt h r e s h o l da sw e l la sab e t t e rs i g n a l si d e n t i f i c a t i o na n da n t i - c o l l i s i o nc a p a b i l i t y k e y 、 ，o r d s ：r f i ds i g n a l ；s i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e l ；s m a r ta n t e n n a ；s p a t i a ls p e c t r u m e s t i m a t i o n ；d i g i t a lb e a m f o 咖i n g i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名： 耖畸 日期： 呷年 学位论文版权使用授权书 j 月以日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 篡茹黧蔫 醐：叫耵月砀日 硕上学位论文 第l 章超高频及微波频段r f i d 信号检测概述 1 1 研究背景与意义 射频识别【1 】( 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 ) 是一种非接触式的自动 识别技术，它利用射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止或移动物品的 自动识别。r f i d 的信息载体是射频标签，其形式有卡、纽扣标签等多种类型。 r f i d 标签贴在或安装在物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标 签中的数据，实现对物品的自动识别。r f i d 技术可以用来追踪和管理很多领域 的管理对象。r f i d 系统具有准确率高、读取距离远、存储数据量大、耐用性强 等特点，广泛应用于产品生产、物流、销售等环节中【2 】。尤其，超高频( u h f ) 及微波段射频识别系统具有读写速度快、存储容量大、识别距离远和可以同时读 写多个电子标签等特点，已经在众多领域得到越来越广泛的应用。射频识别系统通 常由电子标签、读写器和计算机通信网络三部分组成，如图1 1 所示。 图1 1 射频识别系统的结构框图 根据阅读器和标签之间的工作距离可将r f i d 系统分为三种：密耦合系统、 遥耦合系统和远距离系统。超高频段的r f i d 系统【3 】属于远距离识别系统，系统 的经典工作频率为4 3 3 m h z 、9 0 2 9 2 8 m h z 等，而微波频段的r f i d 系统常用的工 作频点为2 4 5 g h z 和5 8 g h z ；其识别距离一般在l 米以上，典型作用距离为3 1 0 米，随着技术不断发展作用距离甚至达到数十米至上百米。本文主要研究的对象 为频点为9 1 5 m h z 的超高频r f i d 系统和2 4 5 g h z 的微波频段的r f i d 系统。 对于超高频段的r f i d 系统中阅读器和标签之间的能量和数据传送是依靠阅 读器天线和标签天线来完成。阅读器先通过天线对标签发射电磁波，在阅读器天 基于智能天线技术的r f l d 信号提取方法研究 线工作范围内的标签天线一方面接收电磁能量为射频标签提供能量，另一方面反 向散射电磁波，并将标签芯片内存储的信息调制在标签反射电磁波上，从而完成 了反向散射调制。当来自标签的反向散射调制波被阅读器天线接收后，信号经过 放大、解调和解码，得到标签中的信息，完成整个识别过程。 基于声表面波( s a w ) 技术的r f i d 系统【4 】其采用的s a w 元件是以压电效应 和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据的表面声波装置，通常工作在 2 4 5 g h z 的微波频率上。用压电基片按照平面电极结构制作电声转换装置和反射 器。通常用铌酸锂或钽酸锂作基片。电极结构是用光刻法完成的。声表面波标签 大多采用延迟线结构，利用叉指换能器( i d t ) 与各反射极之间的不同距离形成 反射信号串，编码信息就体现在反射信号串的时间延迟中，根据反射极位置的不 同，每条标签都有唯一的识别码，对于单个标签的识别，就是通过提取各个反射 极的延迟信息来实现解码，可以有多种方法来完成。s a w 标签编码方案如图1 2 。 参考 图1 2 标签编码方票示意图 在我国，低频和高频r f i d 发展较早，技术也相对成熟，产品应用广泛而且成 本低，因此这两个频段的产业已经得以充分的发展如第二代身份证的大规模换发。 但是超高频及微波频段r f i d 在我国的发展较晚，技术门槛较高，目前还没有掌握 芯片制造、天线设计、封装集成技术及设备等核心技术指标，加之涉足的企业较 少，产品的应用成本又较高，而且又缺少相应的标准和开放的频段，因此使得我 国在超高频及微波频段r f i d 领域还只处于发展初期。2 0 0 6 年6 月，科技部联合其 他几个部委发布了中国射频识别r f i d 技术政策白皮书，对我国r f i d 事业的 发展提出了总体规划要求。r f i d 已被列入科技部国家中长期科研计划( 8 6 3 计划) 中的重大科技专项。“十一五”期间，以超高频及微波频段r f i d 技术在物流环节 的应用为突破，将带动我国未来数百亿的半导体芯片、标签和读写器市场，同时 将大大提高我国制造、运输和商业企业的管理效率，提高企业竞争能力，并催生 出各种便利人们生活的多种智能应用业务。 超高频和微波频段的射频识别系统以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于生 产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理 数据的应用领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，超 高频及微波段的射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广泛。 2 硕士学位论文 但是对于工作在超高频段的r f i d 系统的标签信号主要采用反向散射调制，在 无线信道存在加性高斯白噪声( a w g n ) 的情况下，微弱的标签返回信号极容易 淹没在噪声中；而工作在微波段的基于声表面波技术的r f i d 系统其声表面波标签 大多采用延迟线结构，当读写器的作用范围内有多个标签存在时，它们的反射信 号会同时返回到读写器，从而会产生所谓的“碰撞 现象导致信号辨识困难。而 在多径衰落的情况下，超高频和微波段的r f i d 信号也极容易淹没在多径干扰中， 进而导致误码。这给r f i d 信号提取和辨识带来了严峻的挑战。比如移动装满终端 ( 标签) 的叉车，在位于不同金属货车和金属构架之间的阅读器之间行驶，可能 会经过破坏性的多路径环境。 1 2 超高频及微波频段r f i d 信号检测的现状 目前对超高频及微波频段r f i d 系统空中信号的测试研究主要集中在实验室 环境研究方面，对噪声和多径干扰的开放现实环境下r f i d 信号提取的研究不多， 但实际应用中涉及到大量的有关在噪声和多径干扰环境下提取和辨识r f i d 信号 的问题；在移动通信中对在噪声和多径干扰环境下提取和辨识无线电信号的技术 相对比较成熟，但跟r f i d 测试结合用来解决实际应用中提取信号的研究和文献还 很少。目前只有国际标准i s 0 18 0 4 7 6 【5 】给出了几种权威的r f i d 信号提取和辨识的 检测方法的测试环境，其试验测量场地模型分别为全微波暗室、有传导地面的微 波暗室和开放空间测试场地。 1 2 1 全微波暗室 全微波暗室是一个封闭场地，通常是屏蔽的。它的内壁、地面和顶都覆盖着 微波吸收材料，通常是锥形的聚氨酯泡沫类型。暗室通常在一端有一个天线支柱， 另一端有一个转盘。典型的全微波暗室如图1 3 所示。暗室的屏蔽和微波吸收材料 一起作用，提供了一个用于测试的可控环境。这种测试暗室用来模拟自由空间的 情况。 屏蔽提供了一个经过减少的来自周围信号和其他外界影响的干扰的测试空 间，同时微波吸收材料将来自墙壁和顶的影响测量的多余的反射降到最小。实际 上，屏蔽相对来说更容易提供高的抗周围环境干扰的性能( 8 0 d b 至1 4 0 d b ) ，通 常使周围环境的干扰可以忽略不计。 转盘在水平面内旋转3 6 0 。，被用来把被测物支撑在高于地面的一个合适的高 度。全微波暗室有最小的周围环境干扰，最小的地板、顶和墙壁的反射，不受天 气影响。它的缺点是有限的测量距离和由于锥形吸收材料的尺寸限制低频使用。 3 基于智能天线技术的r f i d 信号提取方法研究 一 图1 3 全微波暗室 1 2 2 有传导地面的微波暗室 有传导地面的微波暗室是一个封闭场地，通常是屏蔽的。它的内壁和顶都覆 盖着微波吸收材料，通常是锥形的聚氨酯泡沫类型。地板是金属的，没有覆盖微 波吸收材料。这种暗室通常在一端有一个天线柱，另一端有一个转盘。典型的有 传导地面的微波暗室如图1 4 所示。这种类型的测试暗室用来模拟理想开放空间测 试场地。理想开放空间的主要特征是无限大的完全导电地面。在这种暗室中，地 面产生需要的反射路径，接收天线收到的信号就是从直射和反射传播路径得到的 信号之和。这样就在地面以上的发射天线( 或被测物) 和接收天线的每一个高度 都产生一个唯一的接收信号电平。 图1 4 有传导地面的微波暗室 天线柱的高度可以从1 米到4 米，所以测试天线的位置可以优化，使天线之 一 间或被测物和测试天线之间耦合信号最大。转盘可以在水平面内旋转3 6 0 。，用来 4 硕上学位论文 把被测物支撑在地面以上的一个具体的高度，通常是1 5 米。暗室应该足够大， 能容得下至少3 米或2 ( 4 + t ) 2 五米( 两个距离中较大的) 的测试距离。 1 2 3 开放空间测试场地 开放空间测试场地由地面以上的一端的一个转盘和另一端可调高度的天线柱 构成。地面在理想情况下是无限大的完全导电的。实际上，在得到良好导电性的 同时，地面的大小必须是有限的。典型的开放空间测试场地如图1 5 。地面产生了 一条需要的反射路径，因此接收天线接收到的信号是从直射和反射传输路径接收 到的信号之和。这两个信号的相位在高于地面的发射天线( 或被测物) 和接收天 线的每一个高度产生了一个唯一的接收电平。 图1 5 典型的开放空间测试场地 关于天线位置、转盘、测量距离和其他安排的场地限制和带传导地面的微波 暗室一样。在测量中，开放空间测试场地也和带传导地面的微波暗室一样使用。 有传导地面的测试场地相同的测量安排如图1 6 所示。 钧 图1 6 有传导地面的测试场地的测量安排 5 慕于智能天线技术的r f i d 信号提取方法研究 本论文正是针对以上讨论的超高频及微波频段r f i d 信号提取和检测中存在 的问题而开展研究的，同时本文的研究也得到了国家8 6 3 计划、国家自然科学基金、 教育部高校博士点基金和湖南省科技计划的资助，并结合湖南大学电路系统测试 技术研究所的r f i d 系统测试技术研究开发及开放平台建设而展开的。 1 3 本文主要的研究内容 鉴于目前国际标准中提出的超高频及微波段r f i d 信号提取和检测方法均建 立在实验室环境之上的现状，本文针对实际应用中的动态环境的r f i d 信号提取和 辨识方法进行了研究；根据超高频及微波频段r f i d 信号在噪声和多径环境下传播 特性，提出一种采用基于智能天线技术中的空间谱估计和数字波束形成技术提取 和检测出r f i d 信号的新方法，并通过仿真实验对这种检测方法进行了验证。本文 结构和各章节内容安排如下： 第l 章：以超高频及微波频段r f i d 信号测试技术目前面临的问题为背景，说 明了超高频及微波频段r f i d 信号在实际应用环境下的提取和检测所面临的诸多 问题以及研究新的提取方法的重大意义，并对本文的研究内容进行说明。 第2 章：首先分析r f i d 系统的电波传播特性，提出了适合于分析r f i d 信号传 播的室内、室外和小尺度多径传播模型。并根据不同调制方式的r f i d 信号，给出 信号传输的误比特率模型和误比特率计算公式。 第3 章：介绍本文采用的新信号提取和辨识方法所基于的智能天线技术的基本 原理，提出适合超高频及微波频段r f i d 信号在通常情况和多径干扰情况的空间谱 估计的数学模型，并给出空间谱估计的方向图和r f i d 信号波达角分辨力比较方 法。 第4 章：本章提出r f i d 信号波达方向估计的具体方法。介绍如何用双向平滑 秩算法准确估计出一般环境下或在相干多径环境下的r f i d 信号源数目，然后介绍 如何用结合前后向空间平滑或加权空间平滑技术的m u s i c 算法提取出r f i d 信号 源的波达角( d o a ) ，通过仿真实验证明了方法的有效性。 第5 章：本章介绍如何根据信号d o a ，用线性约束最小方差准则( l c m v ) 波 束形成器或基于特征空间波束形成算法( e s b ) 来调整权值，产生指向期望r f i d 信 号来波方向的定向波束，从而精确辨识出r f i d 信号。并通过实验分析证明了该提 取和辨识方法具有去除r f i d 信号相干多径干扰的能力和较好的信号波达角分辨 能力。 结论及展望：系统总结了本文的主要工作和研究重点，并且指出了在u h f 及 微波频段r f i d 信号辨识和提取中有待解决的一些问题，为今后进一步在本领域的 研究指明了方向。 6 硕士学位论文 第2 章r f i d 系统电波传播建模和误码率分析 对于任何一个通信系统，信道都是必不可少的组成部分。从研究信息传输的 观点来说，信道的范围除了传输媒质之外，还包括有关的转换设备，例如无线电 通信中的发射设备、接收设备、馈线、天线等。如图2 1 所示的无线电通信系统模 型【6 1 中，包括收发设备、传输媒质以及噪声( 或干扰) 在内的信道称为广义信道， 而把仅指传输媒质的信道称为狭义信道。 i 信息源h一发射设备卜一传输媒质卜一一接收设备卜 一受信者 tt千 噪声源 r - o ，m 图2 1 通信系统模型 在对r f i d 系统通信性能进行评估时，我们应该知道周围确切的环境特征。电 波传播预测通常提供大区域路径损耗和小区域衰落统计。路径损耗信息在确定 r f i d 信号的覆盖范围和优化方面非常重要，而小区域衰落统计为提高接收机性能 和抑制多径衰落提供了帮助。没有传播预测，这些参数的估计只能通过实地测量 得到。众所周知，实地测量要耗费大量的人力物力和财力，而且测量结果所估计 出的参数只适应被测地区和与其有相近特征的地区，适用范围很小。 在r f i d 系统中，所有的信息都在信道中传输。信道的传输特性与环境密切相 关一一气候特征、电磁干扰情况和使用的频段等，这些都直接关系到r f i d 系统设 备要采用的传输技术、通信能力以及服务质量，信道的性能好坏直接决定着通信 质量。因此要想在有限的频谱资源上尽可能的提高通信质量，大容量传输有用信 息，就必须对r f i d 系统的信道进行研究，提出正确的r f i d 空中信号传播模型， 为找到正确的r f i d 空中信号提取和辨识方法提供相关的信号模型理论支持。 2 1r f i d 系统电波传播建模理论基础 2 1 1 电磁波的传播机制 电磁波在空间中的传播有4 种情况：直射、反射、绕射和散射。这几种传播情 况是在不同的传播环境下产生的。 直射：自由空间传播。 反射：当在电磁波传播的路径上有一个体积远远大于电磁波波长的物体时， 7 基于智能天线技术的r f i d 信吁提取方法研究 电磁波不能绕射过该物体，在不同介质交界处会发生反射。在理想介质表面，一 部分能量进入新介质中继续传播，一部分能量则反射回原来介质中。如果电磁波 传输到理想反射体的表面，则所有能量都将被反射回来。 绕射：在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体时，该物体的 尺寸与电磁波波长接近，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。电磁波的绕射能 力与电磁波的波长有关，波长越长，绕射能力越强。 散射：当电磁波的传播路径上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障 碍物的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其他不规则 物体处，如电灯等。 超高频段、微波段r f i d 系统( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 条件下，根据r a y l e i 曲标准， 表面最大高度差h 满足公式( 2 1 ) ： 办 东五 2 1 ) 其中兄为入射电磁波波长，毋为入射角( 垂直入射时只为o 。) ，可以认为该 表面为电磁平坦。绝大部分室内物体表面可视为电磁平坦，因此散射可以忽略不 计。 在自由空间中由于没有阻挡，电磁波传播只有直射，不存在其他现象。而在 室内环境下，由于墙壁、门窗和其他物体的存在，电磁波传播有直射波与多重反 射波、透射波，还有物体棱角边缘的绕射产生的绕射波。这就造成室内电波传播 的多样性和复杂性，也就增大了对室内电磁波传播研究的难度。 2 1 2 菲涅尔区域和电磁波叠加 2 1 2 1 电波传播的菲涅尔区 根据惠更斯一菲涅尔原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一 个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。 图2 2 二次波源 8 硕士学位论文 而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发 出的波在该点相互干涉、叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接 收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，如图2 2 所示。 为了分析这种变化我们引入菲涅尔区的概念。 ( 1 ) 空间菲涅尔区 如图2 3 所示，自由空间q 点是波源，p 点是接收点，以q 、p 为焦点的旋 转椭球面所包含的空间区域称为菲涅尔区。图2 3 中墨是空间的一点，其所在与 直线q p 垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆q ，该圆半径为： 互= 砧l j 2 d ( 2 2 ) 图2 3 第一菲涅尔区 其中d 为q 、p 点间的距离，碣、幺分别是q 点和p 点到圆q 圆心的距离， 这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。在自由空间，从波源q 点辐射到p 点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就 可以获得近似自由空间的传播条件。为保证系统正常通信，收发天线架设的高度 要满足使他们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的2 0 ，否则电磁波多径传 播会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。 ( 2 ) “最小 菲涅尔区半径( 只) 该半径( e ) 就是接收点能得到与自由空间传播相同的信号强度时所需要的 最小菲涅尔椭球区的半径。由公式推导可得： r = o 5 7 7 扛雨万 ( 2 3 ) 只要“最小 菲涅尔区不受阻挡，则可以认为是在自由空间里传播。但是如 果收发两天线的连线与障碍物最高点之间的垂直距离( 称为传播余隙也) 小于 9 基于智能天线技术的r f i d 信口提取方法研究 磊，则需费考虑障仔物绕射场的影响。 2 1 2 2 电磁场的叠加 ( 1 ) 电磁场的可叠加性 麦克斯韦方程组的4 个方程，即 扣讲= f ( ，+ 警) 搬 扣拈一k 焉髑 p d s = 、础= q 如d s = o ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 它们都是线性的，若d = s e 和曰= 日也是线性关系( 即g 、是和e 、b 无 关的常量) ，则关于e 和b 的每个分量的波动方程是线性方程，其解同样满足叠 加原理。即在电磁波相遇而互相交叠的区域中，各点的场强是各列波单独传播时 在该点引起场强的合成。 ( 2 ) 从电磁场叠加解释菲涅尔区及其作用 当发射以及接收天线架设得很高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射 天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处 的场强是直接波和反射波的合成场强。 在图2 3 中，q 点到圆c 1 上任一点的距离为吒，p 点到圆c l 上任一点的距离为吒， q 、p 点间距离为d ，则不难看出+ 乃一d 就是反射波和直射波的行程差， ，= 以五2 。显然当，为半波长的奇数倍长时，反射波和直射波在p 点的作用是相 同的且是最强的，此时的场强得到加强；而，为半波长的偶数倍长时，反射波在 p 点的作用是相互抵消的，此时p 点的场强最弱。所以菲涅尔区即是n 相同的点组 成的面。 由此可见菲涅尔区的概念对于信号接收、辨识和判断有着重要的意义。 2 1 3r f i d 系统电波传播机制分类 r f i d 系统无线信号的传播可用三种传播机制来表征，这三种传播机制是根据 距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制用来描述区域均值，具有幂定律传播 特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化；中尺度的传播机制 l o 硕十学位论文 描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化， 当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布；另外一种既是描述短距离 快速波动的小尺度模型【 。 列出信道对传输信号的作用的一般表示式为： 尸( d ) = i d | - 4s ( d ) 尺( d ) ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可以看出，接收信号功率p 是距离d 的函数，而且信道对传输信号 作用有如下3 类： ( 1 ) 自由空间传播损耗，用1 d r 表示，其中n 一般取3 或4 ，例表示发射端与 接收端的距离，矢量d 表示了距离具有的方向性。对接收信号而言，知道其功率 p ( t ) 与知道场强e ( t ) 和幅度r ( t ) 是等效的。自由空间传播损耗一般是由于地面反射以 及折射的电磁波造成的。该损耗是发射机与接收机之间距离的函数，描述的是大 尺度区间( 数百米或数千米) 内接收信号强度随着发射端到接收端的距离变化的 特征。 ( 2 ) 阴影衰落，也称长期衰落或慢衰落，用s ( d ) 表示。这是由于传播环境中 的地形起伏、建筑物及其其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。阴影衰落表现在 数百波长的区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变化的特征，其衰落特征符合 对数正态分布。 ( 3 ) 多径衰落，也称短期衰落或快衰落，用r ( d ) 表示。这是由于移动传播环 境的多径传播而引起的衰落。通过无线信道的信号往往会沿着一些不同的路径到 达接收机，这一现象称为信号的多径传播。多径衰落是移动数据传输中最具代表 性的特征，他表现在几个或数十个波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快 速变化的特征。 r f i d 系统的信道模型从电波传播角度而言，可分为路径损耗模型和多径信道 模型两类。路径损耗模型主要用于描述发射机和接收机距离大于5 米以上的信号强 度的变化，它表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离的变化呈现出缓慢 变化。路径损耗模型也称为大尺度模型。路径损耗模型包括穿透障碍损耗、视距 和非视距损耗。 多径信道模型用于描述短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。主要描 述无线信号经短距离或短时间传输后经两个或两个以上路径以微小的时间间隔到 达接收机的传播特性。 2 2 超高频及微波频段r f i d 系统的室内信号传播模型 对于使用在物流、图书馆管理等应用环境中的r f i d 系统来说，大部分的信号 基于智能天线技术的r f i d 信号提取方法研究 数据交换发生在室内；因而了解r f i d 系统室内电波传播信道的特征，对于保证通 信系统能得到令人满意的性能是非常重要的。位置测量可以得到大量第一手的数 据，但其代价比较高。传播模型可以作为一种花费较少且比较合适的近似手段。 室内信道有两个主要的特征：覆盖距离小，环境变化大。建筑物内传播受到 诸如建筑物布置、材料结构和建筑物类型等因素的强烈影响，室内无线传播的机 理仍然是：反射、绕射和散射，但是，条件却不同。例如，信号电平很大程度上 依赖于建筑物内门是开还是关。天线安装在何处也影响大尺度传播。同样，较小 的传播距离也使天线的远场条件难以满足。 一般来说，室内信道分为视距( l o s ) 或阻挡( o b s ) 【8 】两种，并随着环境 杂乱程度而变化。下面列出适用于超高频r f i d 系统运用于室内的一些主要模型。 2 2 1 路径损耗的一阶模型 基于理论和测试的传播模型指出，无论是室内或室外信道，平均接收信号功 率随距离的对数衰减。这种模型已被广泛使用。对于任意t r 距离，平均大尺度 路径损耗表示为： - ( 由矧 q 9 或 瓦( 招) = 瓦( 盛) “锄l o g l 丢j q 1o ) 其中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；以为近地参考 距离，由测试决定：d 为t r 距离。式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 中的横杠表示给定值d 的 所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数一对数时，路径损耗可表示为斜率为 1 0 ，l 扭1 0 倍程的直线。n 值依赖于特定的传播环境。例如，在自由空间中，n 为2 ， 当有阻挡物时，n 变大。参考路径损耗由自由空间路径损耗公式( 2 1 1 ) 给出或通 过测试给出。 瓦c 扭，卅叭。g 每= 。叭。g l 暑嚣i q m ， 2 2 2 分隔损耗( 同楼层) 建筑物具有大量的分隔和阻挡体。家用房屋中使用木框与石灰板分隔构成内 墙，楼层间为木质或非强化混凝土。另一方面，办公室建筑通常有较大的面积， 使用可以移动的分隔，以使空间容易划分，楼层间使用金属加强混凝土，作为建 筑物结构的一部分的分隔，称为硬分隔，可移动的并且未延展到天花板的分隔称 1 2 为软分隔。分隔的物理和电特性变化范围非常广泛，应用通用模型于特定室内情 况是非常困难的。表2 1 是不同分隔的损耗数据。 表2 1 对通用建筑中的无线路径的平均信号损耗( 对应超高频r f i d 系统) 材料类型损耗( d b )频率参考 所有金属 2 68 1 5 m h z c o x 8 3 b 】 铝框2 0 48 1 5 咀z 【c o x 8 3 b 】 混凝土墙 3 98 1 5 m h z c o x 8 3 b 】 一层的损耗 2 0 3 01 3 0 0 m h z r a p 9 1 c 】 走廊的拐角损耗 1 0 1 51 3 0 0 m h z r a p 9 1 c 】 轻质织物 3 51 3 0 0 m h z r 印9 1 c 】 金属楼梯 51 3 0 0 m h z r a p 9 1 c 】 天花板管道 1 81 3 0 0 m h z 【r a p 9 1 c 】 混凝土墙8 一1 51 3 0 0 m h z r 印9 1 c 】 混凝土地板1 01 3 0 0 m h z r a p 9 1 c 】 2 2 3 楼层间分隔损耗 建筑物楼层间损耗由建筑物外部面积和材料，以及建筑物类型决定。 表2 2 不同建筑物的路径损耗指数和标准偏差( 对应超高频r f i d 系统) 建筑物频率( m h z )n 鼍( 零售商店 9 1 42 28 7 蔬菜店 9 1 41 85 2 办公室，硬分隔 15 0 03 07 0 办公室，软分隔 9 0 02 49 6 办公室，软分隔 l9 0 0 2 61 4 1 工厂l o sxxx 金属13 0 01 65 8 纸张谷物 13 0 01 86 o 工厂o b sxxx 金属 13 0 03 36 8 1 3 基于智能天线技术的r f i d 信号提取万泫研歹e 表2 2 列出了一座三层楼的楼层衰减因子( f a f ) 。由实际经验，建筑物一层 的衰减比其他层数的衰减要大很多，在5 、6 层以上，只有非常小的路径损耗。 2 2 4 对数距离路径损耗模型 研究表明，室内路径损耗遵从式( 2 1 2 ) 儿( 扭) = 咒( ) + 1 0 ，l l o g ( 手) + 以 ( 2 1 2 ) 0 其中，n 依赖与周围环境和建筑物类型，范围在1 6 6 之间。k 表示标准偏 差为盯的正态随机变量。表2 2 提供了不同建筑物的典型值。这个模型简单有效， 适合于用计算机实现，但这个模型不可能获得很高的精度。 2 2 5e d c s s o n 多重断点模型 通过测试多层办公室建筑，获得了e r i c s s o n 无线系统模型。模型有4 个断点 并考虑了路径损耗的上下边界。模型假定玩= 1 朋处衰减为3 0 d b ，这对于频率 厂= 9 0 0 枷2 的单位增益天线是准确的。e r i c s s o n 模型提供特定地形路径损耗范围 的确定限度。图2 4 表明基于e r i c s s o n 模型的室内路径损耗图。 图2 4e r i c s s o n 室内路径损耗模型 2 2 6 衰减因子模型 建筑物内传播模型包括建筑物类型影响以及s e i d e l 描述的阻挡物引起的变 化。这一模型灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准偏差为4 d b ，而对数距 离模型的偏差大1 3 d b 。衰减因子模型为： 咒( d ) 招】= 咒( 盛) 【徊】+ l o l o g ( 争) + 脚 扭】 ( 2 1 3 ) 1 4 卯 加 如 m 霎麟 硕上学位论文 其中，k 表示同层测试的指数值。如果同层存在很好的估计值n ，则不同层 路径损耗可通过附加f a f 值获得。 2 3超高频及微波频段i 心i d 系统的室外信号传播模型 电波传播的实际情况是复杂多变的。对于一个具体的传播环境来说，采用经 验公式计算的结果并不能得到想要的结果，因为经验公式没有对具体环境进行考 虑，比如一些建筑物高度，密集程度等。所以用通用模型于特定室外情况也是非 常困难的。由于目前r f i d 系统应用室外覆盖距离为数十米至百米内，我们可以 借助微蜂窝模型研究r f i d 系统信号的传播。下面列出适用于超高频r f i d 系统 运用于室外的一些主要模型。 2 3 1 地面反射双线模型 由同一波源产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，则该接收点的场 强是由不同路径来的电波的合成，就会产生多径衰落现象。对这样的衰落模型进 行研究应该由几条波束进行合成，但是三条以上波束干涉所造成的衰落使系统质 量变坏的概率很小【9 】，故一般都是对两条波束模型( 即双线模型) 产生的干涉机理 进行研究。在很少建筑物的开阔地区，这种双线模型可以近似反映出实际的传播 环境，它的损耗中值可以认为与自由空间的损耗相当。 图2 5 所示的地面反射双线模型是基于几何光学的非常有用的传播模型，不 仅考虑直接路径，而且考虑了发射机和接收机之间的地面反射路径。 r 乜阳r2 傩+ 垡收机) j 以 曩 7 ，r 卜一d 一 图2 5 地面反射双线模型 在室外环境下，可假设地面为平面，总的接收电场r 为视距成分邑傩和地 面反射成分e 的合成结果。 双线模型的路径损耗( 单位为d b ) 表示为： 咒( 招) = 4 0 l o g d 一( 1 0 l o g g ：+ 1 0 l o g g ；+ 2 0 l o g 忽+ 2 0 l o g 以) ( 2 1 4 ) 其中，鬼和 ，分别为发射机天线和接收机天线高度，d 。为发射机和接收机的 1 5 基于智能天线技术的r f i d 信口提取方法研究 第一菲涅尔区距离，可近似表示为： 吃华 ( 2 1 5 ) 第一菲涅尔区距离对于路径损耗模型是非常有用的参数。 u i t - r8 l 小组提出对双线模型的修正，用3 条线段来代替2 条线段。预测的 路径损耗为： 三= 4 0 + 2 5 l o g d 4 5 崦( 鲁) 俐。g ( 筹) d 冬 争d 4 吒 ( 2 1 6 ) 4 。秘。g ( 鲁) 枷。g c 4 吃，堋。g ( 番) d 4 吃 多径模型是在双线模型的基础上产生的，如四径模型中的传播路径除了视距 传播和地面发射路径之外，还包括两条建筑物发射路径；六径模型则包括了四条建 筑物发射路径。显然，模型中包括的发射路径越多，该模型就越精确，但是计算 量也随着发射路径的增加而增大。 2 3 2l e e 微蜂窝模型 l e e 微蜂窝模型【1 0 】基于一个假设：信号的衰减和传播路径上建筑群的长度有 很大的相关性，即路径损耗会随着建筑群的增加而增加。 l e e 微蜂窝小区路径损耗公式为：三= 厶傩( d ，忽) + 厶。式中如为读写器天线有 效高度，d 为发射天线和接收天线之间的距离，乞傩( d ，魄) 为视距传输损耗，厶为 街区引入的损耗。丘傩( d ，忽) 满足 1 2 0 l g 等 2 k 季训g 毒l 几 o d d ， d ，：掣 ( 2 1 8 ) 。 以 街区引入的损耗厶可由如下步骤得到： ( 1 ) 计算传播路径上的建筑物总长度； ( 2 ) 测量视距传播损耗厶傩( d ，忽) ； ( 3 ) 测量非视距传播损耗厶哪( d ，吩) ； ( 4 ) 设非视距传播损耗为工舰( d ，见) ，发射天线和接收天线之间的建筑群长 度为b ，则k 为：厶= ( d ，红) 一厶聊( d ，鬼) 1 6 硕十学位论文 以上是适合用于超高频及微波频段r f i d 系统的一些模型。在实际工作中，由 于这些模型都是针对某些环境情况下得出的，预测值的误差可能很大，需要进行 调整。传播模型的建立过程