无源超高频RFID系统链路预算分析 .pdf

第 31 卷第 5 期 2010 年 5 月 仪 器 仪 表 学 报 C hi n ese Journ al of Sc i enti fi c Instrum en t V 0L 3 1 N o 5 M av 2 0 10 无源超 高频 R FID 系统链路预算分 析 余 开 何怡刚 李 兵 侯周 国 朱彦卿 湖南大学电气与信息工程学院长沙410082 摘要 计算无源超高频 RFID 标签可识别距离常使用 Fri i s 公式 但实际应用时存在电磁波的反射 衍射 以及标签各种贴附 材料对其天线的电磁耦合效应 经典的 Fri i s 公式过于理想 本文给出了无源超高频 R FID 系统在实际环境中完整的链路预算 模型 并对前向激 活 单天线阅读器 收发天线分 置阅读器 三种 情形 分别进行 了讨论 以该模 型为基础 讨 论了各参数 特别是 小尺度多径效应和标签贴附不同材料对链路的影响 并给出了使用研发的R FID 系统测试平台进行模型参数测试的方法 从而 能有效估计实际应用时的标签 可识别 区域 关键词 射频识别 链路预算 多径 瑞丽分布 莱斯分布 测量 中图分类号 TP391 7 文献标识码 B 国家标准学科分类代码 510 10 P a ssi v e U H F R F ID l i n k b u d g et an al y si s She K ai H e Y i gan g L i B i ng H ou Z hougu o Z hu Y anqi ng Col l ege of El ec tri c al and Inform ati on E ngi neeri ng H unan 口 e Changsha 410082 Chi na A bstrac t Fri i s equati on i s oft en used to c al c ul ate the i den ti fi c ati on range of passi ve U H F R FID tag B ut i n prac ti c al appl i c ati ons w e have to tak e ac c ount of reflec ti ons d i ffrac ti on s of el ec trom agneti c w ave an d el ec trom agneti c COU pi i ng betw een tag antenna and vari ou s attac hed m ateri al s T hi s paper presents three c om pl ete l i nk budget m od el s i n prac ti c al envi ronm ent and an al yzes the three l i nks i e forw ard pow er up l i nk m onostati c bac k sc atter l i nk and bi stati c bac k seatter l i nk A l l param eters of the p resented m od el s espec i al l y the sm al l sc al e m ul ti path effec t and the i n fl uen c e fac tor of vari ou s m aterial s are di sc ussed i n detai l F urtherm ore the m easurem ent m ethods of the m odel pa ram eters usi ng our devel oped R FID test pl atform are presented SO the i denti fic ati on area of R F ID tag i n prac ti c al ap pl i c ati ons c an b e esti m ated effec ti vel y K ey w o rd s R F ID l i nk budget m u l ti path R ayl ei gh di stri b uti on R i c i an di stri buti on m easurem en t 1 引 言 射频识别 RFID 发展迅猛 典型应用如物 流 动 物 识别 门禁控制 公交 Ic卡 第 2 代身份证等 目前 UH F 频段的无源 R FID 系统 因其标签成 本低 具有 巨大 市场和应用潜力 其标签是通过 阅读器发射的 电磁波获 取能量来给标签芯片供 电 然后通过改变标签芯片负载 阻抗 从而改变标签雷达反射截面的方式向阅读器传 送 数据 因此 可将系统链路分为阅读器到标签 的前向 激活链路和标签到阅读器 的反向散射链路 RFID 阅读器空间可读取范围是部署 R FID 应用的主 要考虑因素之一 也 直接关 系到 RFID 系统 标签读取 的 可靠性 而这取决于对这两种链路 的影 响因素进行充分 分析 参数测试及链路损耗估算 经典 的 Fri i s 公式用于 RFID 系统链路预算过 于理想 部署实际 RFID 应用时 受 电磁波多径传播 的影 响 读取 区域将形成 盲点 文献 7 9 首先对各 自提 出的 RFID 系统 的小尺度多径效应统计 收稿 13 期 2009 08 Rec ei ved Date 2009 0 8 基金项 目 国家杰出青年科学基金 50925727 国家 自然科学基金项 目 60876022 国家 863 计划 No 2006AA 04A 104 湖南省科技计划 项 目 2008Gk2022 广东省教育部产学研项 目 200913090300196 资助 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第5 期 佘开 等 无源超高频 RF ID 系统链路预算分析 975 模型进行了实验验证 文献 10 接着讨论 了对 抗识别 区 域 内盲点的方法 同时 标签 天线与不 同材料 的贴 附物 体存在电磁耦合效应 其增益 方 向图及 阻抗均不 同于理 想情况 文献 1l 一 13 给 出了其测试方 法 然而 实 际应 用 中的 RFID 系统识 别 区域 是 由众多 因素共 同决定 的 目前文献均是对单个环境影响因素进行讨论 本文正是 基于以上原因 首先 给出了标签前 向激活链 路 阅读器 单 天线和收发天线分 置 3 种情 形下完整 的链 路预算模 型 然后对各个参数进行 了分析 重点讨论 了小 尺度多径效 应和标 签贴附物体 材料对链 路预算 的影 响 并给 出了使 用研发 的 RFID 测试平 台进 行该模 型参数 的测 试过 程 从而有效估算 真实 的识别区域 2 无源 U H F R FID 系统链路预 算模型 2 1 前 向标签激活链路 若用 P 表示耦合进入标签芯片的射频功率 则 p 一 生 笪 1 4 rrd L 式中 P reader G reader G 分别表示阅读器发送功率 阅读 器发送天线增益 标签接收天线增益 表示极化 匹配 表示功率传输 系数 d 表示 阅读 器标 签间距 0 表示 由于 贴附不 同材料 的物品 致使标签天线增益 的损耗系数 表示小尺度多径导致 的路径 损耗系数 其 中 T O 与标 签贴附的物体材料有关 而 与标 签阅读器 间电磁 波传 播路径有关 将在第 4 5 节详细讨论 当标签被 阅读器发送 的 电磁波 激活 并接收 到有效 指令后 标签芯片将根据 内部控制逻辑及存储 的数据 更 改负载 使天线在匹配和失配状态转换 将阅读器发送 的 连续波信号散射 回阅读器接收天线 图 1 给出 了 2 种不 同的阅读器发送和接 收天线 布置 的示 意图 其反 向链 路 预算具有不同的形式 下面将分别讨论 2 2 阅读器单一天线 如图 1 a 所示 阅读器收发使用的是 同一天线和一个 称为环路器的装置隔离发送 的连续载波和接收到 的微弱 的标签散射信号 目 前 典型 的阅读器对标签返 回信号 的 灵敏度在 一 80 dBm 左右 虽然 前向标签激活链路损耗对 标签最大可读写距离起决定性作用 但 随着更加新颖 的标 签 R FIC 设计及 RFIC 工艺 的提高 阅读器灵敏度和阅读器 收发天线布置形式将逐渐成为左右最大可读写距离的主 要因素 单一天线模式下 阅读器接收功率表示为 P 一 堂 生 r L 如 一 41rd 厶 式 中 表示标签调制因数 G 表示 阅读器单一 天线 的增益 J J L 一 r 厂厂 2 3 阅读器收发天线分置 如 图 1 b 所示 阅读 器发射 接收使用 参数不 同的 分置天线 而且它们距 标签距离也不 相同 阅读器 发送 接收的信号经历 了不同的传播路径 其损耗也不同 故将 其与图 1 a 情况分开讨论 分置天线模 式下 阅读器接 收功率表示为 P 一 生 生 垫 堡 r 一 4耵 d 2d26 式 中 下标 b 分别表示前 向和反 向链路 J 分别表 示信号经前向和反 向链路后的小尺多径衰落损耗系数 3 参数讨论 P Ni ki ti n 给出 了标签调制 因数 由标签 天线 与标签 芯片之间的端 口反射 系数决定 n 寺l f l 4 反射系数 5 一 z 式 中 表示标签芯片在状态 0 1 的输入阻抗 z 为 天线 的输入 阻抗 而 z二 是其复共轭形式 介于 0 和 1 之 间 对于阅读器而言 希望尽可能地将标签返 回的已受 各种噪声污染的微弱信号 正确解码 AW GN 信 道下 阅 读器使用理想匹配滤波器时 A SK 调制方式的误码率为 脚 式 中 表示标签响应 的 2ASK 信 号在阅读器天线接匹 配负 载 情况 下 输 入 阅读 器 天线 的幅度 电压 且 V P 4R 尺 为天线辐射电阻 e矿 c 为互补误差函 数 标签芯片与天线之间的阻抗匹配时 传输 系数为 1 此时 芯片能从天线获取最大能量 但由于天线受所贴附 物体的电磁耦合 影响 理想 匹配较难实现 一般 地 功率 传输系数表示为 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 976 仪器仪表学报 第 3 1 卷 0 r 1 Z Z c f 4小 尺度 多径衰落对 系统 的影 响 7 R FID 系统实 际应用环境 复杂 由于无 线 电波的反 射 衍射 散射传播 标签通过 电场所能获得 的能量需要 针对特定应用环境具体分析 基于反向散射调制机理 的 RFID 系统 其通信距离多在 10 111范围内 无线电波的反 射引起的多径效应常在阅读器识别区域 内产生盲点 直 接影响到系统的可靠性 分析多径效应的方法包括射线 跟踪方法和链路预算的统计模型方法 图 2 使用射线跟 踪的平地模型 给出了频率为 915 M H z 地面相对介电常 数取 l 5 发送接收天线高度均为2 m 时 路径损耗随天线 间隔变化的曲线 从 中可以看出 由于反射波对接收信号 的建设性或破环性作用 使得链路损耗成大 幅的抖动 和 总体衰落的趋势 D i stan c e m 图 2 多径损耗 平地模型 Fi g 2 M uhi path l osses fl at earth m ode1 使用射线跟踪方法只能针对特点场景进行计算 具 有局限性 另外 可以将 移动无线电领域成 熟的小尺度 多径衰落统计模型 与无源超高频 RFID 系统特性 及 标准规定的码率 信号带宽 占用信道带宽等参数综合考 虑 可以看出 小尺度 衰落类 型属 于慢衰落和平坦 衰落 不同位置接收信号 的电压包络统计 特性服从瑞 丽分布 非视距情况 和莱斯分布 视距情况 文献 9 首先对 RFID 系统小尺度多径衰落进行 了实际测试 分 3 个频段 对室 内读写器天线空 间辐射场 4 000 个位置点进行 了采 样 将实验数据在 M SE 准则下进行校正 得 到的累积分 布 函数与 Rayl ei gh 和 Ri c i an 分布的 CDF 函数进行 比较 得 出的测 试结果证 实 了 LOS 传播情 况下 无源 超高频 RFID 系统天线辐射场场强包络符合 Ri c i an 分 布 文献 8 对采用多天线改进 R FID 系统 的性 能进行 了实 际测 试 在标签端使用多天线进行空间分集 采用与文献 9 类似 的测 试方 法 对于 NLOS 情 况 5 8 GH z 的多 天线 RFID 系统 得到了一个 30 c m 30 c m 平面 内 900 个点 的场强 采 样 测 试 结果 与理 论 分 析得 到 的 CDF 函数 吻合 4 1 L O S 情形 当标签与阅读器之 间存在视距路径 时 其接收的信 号是视距信号与众多反射 散射信号 的矢量和 不同位置 的接收天线所感应的电压幅度包络 的概率密度函数服从 Ri c i an 分布 若设标签激活 阈值功率为 P 那么标签平 均接收功率 P 大 于阈值功率 的概率 可以通过其 CDF 函数 和 m arc um Q 函数 表示为 P P Pm 1 一Q 2K 2Pc 7 8 式中 Q a b 为 1 阶 M arc um Q 函数 K P or P 是视距功率 而 表示其他 多径 的功率和 可见 K 越 大 说明标签接收功率包含了越多的视距成分 4 2 N L 0 S 情形 如果没有视距路径 即P 0 此时 标签天线接收 的平均功率 P 大于阈值功率 P 的概率表示为 P P P 1 一e Pi P 9 图 3 使用式 8 和 9 给出了 Rayl ei gh 和 R i ei an 信 道下 不同发送功率 当标签被激活概率 为 90 情况时 标签 的激活距离仿真 并将其与 自由空问情况下进行 了 比较 其中标签天线增益取 1 由图 3 可知 自由空 间情况下最大激活距离 的计算 结果明显过于理想 基于瑞丽和莱斯分布的统计模 型更 具实际意 义 若要获得 与 自由空 间同等 的激活距离 阅 读器需要发送 1 L 倍理想情况的功率 Transm i tted pow er dB m 图3 各多径信道最大可激活距离 F i g 3 M axi m u m ac ti vati on ranges of d i fferent m uh i p ath c h an nel s 5 标 签贴 附不 同材料物体 的损耗 系数测量 一 般 RFID 标 签 能 够用 于 一 种或 多种 物 体 例 如 ALIEN 公司的 ALN 9540 标签专为标识货盘上 的货物而 设计 当标签贴附在不 同材料与大小的物体上时 其识别 率和读写距离将有较大差异 由于贴附材料同时影响标 签的功率传 输 系数 和天线增益 方 向图 因此 本文将式 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 5 期 佘开 等 无源超高频 R FID 系统链 路预算分析 1 中这两个参数作 为整体测试 以 T O 表示不同材料对 标签前向激活链路 的影响 因子 采用研发 的 R FID 测试平 台 在理想 的实验 室 中进 行 分别测量 了硬 纸板 松木板 盛满水 的矿泉水瓶作 为 贴附物情况下 贴附物参数如表 1 两种 18000 6C 标签 Al i en 的 ALN 一 9540 和上 海坤 锐 当阅读 器发送 功率 为 15 dBm 和 25 dBm 且 天线极化 匹配时 的最 大激活距 离 如表 2 所示 其中 一 表示无 响应 表 1 标签贴 附材 料参数 T a b l e 1 P a ra m eters of v ari O U S m ateri a l s 表 2 最大可 激活距离 T abl e 2 M axi m um ac ti vati on ranges c m 实验在微波暗室中进行 以消除路径损 耗 Lp 的不确 定性 且保持式 1 中其他参数 为恒定 值 如 图 4 所示 仪器采用收发天线分置 的形式 逐渐增 加发送天 线和标 签 间距 而接收天线可以尽量靠近标签 以获取标签返 回 的响应信号 图 4 标 签最大激活距离测试 图 F i g 4 T est di agra m of m axi m um tag ac ti vati on ran ge 图 5 给 出了 ISO 18000 6 C 查 询命 令和标 签 返 回的 R N16 响应 调制方式为 2ASK 当无响应信号时 则认为 标签未被激活 此时即为最大激活距离 标签获取功率达 到阈值临界点 将测量 结果并与 自由空 间情形 此 时认 为 1 对比 求 出前 向链路 的材料损耗 因子 7 的 算术平均 如表 3 所示 也可以通过加装转台 测 量不 同 极化情况 不 同 值 方位角 的损耗 因子 另外 在测 试过程中 我们发 现 当贴 附物体尺寸 大于标签尺 寸时 测试结果受物体 尺寸影响较小 l 上 J l l 1 l l l l 1 f I l l l l l l l l l l T i m e s 图 5 仪器 查询命令与标签 响应 的基 带包 络 F i g 5 E n vel ope of i n qu i ry c om m and s an d ta g respon ses 表 3 7 0 测试值 无量纲 T abl e 3 M easurem ent val ues of 7 0 no uni ts 固定发送与接收天线 间隔 40 c m 将标签置为 中点 位置 两测试天线高 14 c m 标签高 10 c m 通过不 同发送 功率 不同贴附材料时标签响应 的基带 IQ 星座 图 如图6 所示 测得对应的 P 值 如图 7 所示 亘亟口 口 t 一 l 37 o0 38 00 39 00m I 40 O0 4 l o o 4 2 00 图6标签响应信号基带 l Q 星座图 Fi g 6 Baseband IQ di agram of tag responses T ra nsm i tted p ow er dB m 图 7 P 随发送 功率 变化 曲线 F i g 7 P VS transm i ssi on pow er 由式 2 3 可 知 其 他参数 一定 有 P 正 比于 M O 图 8 给 出了贴 附不 同材 料时 两种 IS0 18000 6C 标签响应 功率 P 相对 于 自由空 间时 比值 即 0 的变化曲线 而贴 附矿泉水瓶 时 可减小距离 测 得 M O 值远小于 l m m 咀 m m m 咖 咖 咖 咖 咖 3 2 1 1 2 3 ll 目E p 0 口 g专 u卫S 警 L 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 978 仪器仪表学报 第 3 1 卷 3 2 0 T ran sm i tted po w er d B m 图 8 M O 随发送功率变化曲线 Fi g 8 M O VS transmi ssi on pow er 6 实际识别范 围 在实际应 用场 合 标签 的 可识别 距 离 为 ra i n m ax d1 m ax d2 其 中 max d1 是最大前 向可激 活距 离 m ax d2 表示标签返 向散射 信号功率一定 阅读器一 定误码率下所能达到的最大距离 对于特定 的标签激活 阈值功率 P dl由式 1 决定 而对于特定 的误码率 式 2 3 与 6 决定 了 AW GN 信道 的最 大值 而 当 标签贴附不同材料时 其相对于 自由空间时变化 的读取 区域可由 4 5 节所测得的参数估算 7 结 论 考虑到无线电波传播环境 以及标签贴 附物材料对标 签读取范围的影响 本文提 出了实 际应用 中无源超高频 RFID 系统完整的链路预算模型 并对模型参数进行 了分 析 详细讨论 了电波传播环境的影响 得 小尺度多径 情形 阅读器需要增加一定发送功率才能达到 Fri i s 模型 计算的理想距离 其具体值 由莱斯 视距 和瑞丽 非视 距 模型估算 接着 给出 了使用研发 的 RFID 测试平 台 测试模型材料损耗参数 的方法 因此 可使厢本文模型估 算实际应用中的标签识别范同 1 2 3 参考文献 FIN K EN ZELLER K RFID handbook f M E ngl and W i l ey W e st S ussex 200 3 34 1 3 93 江建军 杨彪 近高频射频识别阅读器虚拟仪器系统 设计 与 实 现 J 仪 器 仪 表 学 报 2007 6 10 24 102 8 JIA N G J J Y A N G B D esi gn an d i m pl an tati on of hi gh fr equenc y radi o fr equ en c y i de nti fic ati on read er vi rtu al i n strum ent system J I Chi nese Journal of Sc i enti fi c Instru m ent 2007 6 1024 1028 王保云 物联网技术研究综述 J 电子测量与仪器 学报 2009 12 l 一 7 W AN G B Y Revi ew on i nternet of thi ngs J Journal of E l ec troni c M easurem ent and Instrum ent 2009 12 1 7 4 VITA G D IA NN A CCO N E G D esi gn c ri teri a for the R F sec ti on of U H F an d m i c row ave passi ve R F ID transp onders J IEEE Transac ti ons on M i c row ave Theory and Tec h ni ques 2005 53 2978 2990 5 KA R TH A US U FISC H ER M Ful l y i ntegrated passi ve U H F R F ID T ran spon der IC w i th 16 7 uW m i ni m um R F i nput power J IEE E Journal of Sol i d state Ci rc ui ts 2003 38 1602 1608 6 A SH RY A SH A RA F K Si m pl e and ac c urate m odel for R FID rec ti fi er J IEEE System s Journa1 2008 12 52 0 52 4 7 丌 OE R KE M E IE R C SA R M A S R FID Si m A physi c al and l ogi c al l ayer si m ul ati on engi ne for passi ve RFID J IE E E T ran sac ti o ns on A u tom ati on Sc i enc e and E ngi n eer i ng 2009 6 334 3 8 G R IFFIN J D DU R G IN G D M ul ti path fadi ng m easure m ents fo r m u hi anten na bac ksc atter R F ID at 5 8 G H z c IEEE Conferenc e on R FID O rl and USA 2009 3 22 32 9 9 1 K IM D ING R A M M SM ITH J R w M easurem ents of sm al l sc al e fadi ng and path l oss fo r l ong range R F tags J IEEE Transac ti ons on A ntennas and Propagati on 2003 51 1740 1749 10 LO O C H E I SH ER BE N I A z Y A N G F et a1 E xpe6 一 m en tal and si m ul ati on i nvesti gati on of R F ID bl i nd spots J Journal of E l ec trom agneti c W aves and Appl i c a ti ons 2009 23 747 760 11 G R IF FIN J DU R G N G H A LD L A et a1 RF tag an tenn a perform anc e on various m ateri al s u si n g radi o l i nk budgets f J IE EE Antennas and W i rel ess Propagati on Letters 2006 5 247 250 1 2 N IK ITIN P R A O K Theory and m easurem ent of bac k sc atteri ng from R FID tags J IEEE Antennas and Prop agati on M agazi ne 2006 48 212 218 13 N IK ITIN P R A O K D i fferenti al R CS of R FID tag J El ec troni c s l etters 2007 12 43 l 432 14 陈伟峰 何怡刚 基于智能天线的相干多径环境的标 签信号提取方法 J 仪器仪表学报