無芯片RFID多標(biāo)簽防碰撞研究*

陳 江，鄒傳云，何 毅，胥 磊，趙 旋

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

無芯片RFID多標(biāo)簽防碰撞研究*

陳 江，鄒傳云，何 毅，胥 磊，趙 旋

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

針對無芯片 RFID多標(biāo)簽難以準(zhǔn)確識別的問題，提出一種改進型矩陣束算法（Matrix Pencil Method，MPM）解決其碰撞問題。標(biāo)簽散射場信號存在早時和后時響應(yīng)，散射場信號極點在早時響應(yīng)期間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但在后時響應(yīng)期間趨于穩(wěn)定。算法利用散射場信號這一特性，在多標(biāo)簽散射場信號中應(yīng)用改進型矩陣束算法，根據(jù)后時響應(yīng)開啟時間和極點穩(wěn)定程度的不同來區(qū)分各個標(biāo)簽。實驗中采用多個方形開槽結(jié)構(gòu)標(biāo)簽來建立模型。仿真結(jié)果表明，該算法能夠區(qū)分各個無芯片RFID標(biāo)簽，基本滿足了對多標(biāo)簽檢測準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面的要求。

無芯片 RFID；防碰撞；矩陣束算法（MPM）；電子標(biāo)簽；散射場

0 引言

射頻識別技術(shù)（RFID）能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間無接觸式信息傳遞，即閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)交互。目前廣泛采用無源有芯或者有源有芯電子標(biāo)簽，但其成本較高，無芯片RFID標(biāo)簽應(yīng)運而生。因目前RFID防碰撞算法主要針對有芯片標(biāo)簽［1-3］，均基于閱讀器主動控制標(biāo)簽休眠，而無芯片 RFID標(biāo)簽內(nèi)無 IC芯片，只是擁有特定材質(zhì)有限大小的結(jié)構(gòu)，因此大部分RFID防碰撞算法在無芯片 RFID的應(yīng)用中失效。本文利用Carl E.Baum提出的極點展開法 （the Singularity Expansion Method，SEM）［4-5］來研究標(biāo)簽散射場特性［6-8］，進一步應(yīng)用改進型矩陣束算法解決多個標(biāo)簽防碰撞問題，分析算法在無芯片RFID多標(biāo)簽識別中的有效性。

1 相關(guān)理論

1.1 散射電磁場的SEM建模

1971年 Carl E.Baum將傳統(tǒng)電路理論中用留數(shù)定理求解瞬態(tài)響應(yīng)的方法推廣到瞬態(tài)電磁場問題處理中，提出了 SEM，其理論表明電磁波照射金屬導(dǎo)體時，瞬態(tài)響應(yīng)后期可以被看成一系列衰減復(fù)指數(shù)和的形式：

其中 es（t）為后向散射的時域信號，M 為極點個數(shù)，Ri是信號的留數(shù)，si為信號的復(fù)極點，一般取 si=αi+jwi（αi取負數(shù)，稱為阻尼因子或衰減因子；wi取正數(shù)，為自然諧振角頻率）。由于散射信號是實數(shù)，所以極點總是以共軛對的形式存在。

同樣，多標(biāo)簽散射場也具有相同特性，若查詢信號頻帶覆蓋了多個標(biāo)簽的自然諧振頻率，由標(biāo)簽感應(yīng)產(chǎn)生的后向散射回波信號電場 es時域表示為：

經(jīng)拉普拉斯變換至復(fù)頻域為：

式（2）和（3）中，r和 t分別表示檢測回波信號的位置和時間，M為所查詢標(biāo)簽個數(shù)，em（Em）為第m個標(biāo)簽的早時響應(yīng)，U（t）為單位階躍函數(shù)，tm和 Nm分別為第m個標(biāo)簽的后時響應(yīng)開啟時間和極點共軛對數(shù)目，第m個標(biāo)簽的第 n個復(fù)極點和留數(shù)分別為 sm，n和 Rm，n。

在復(fù)頻域中，信號的特征通過極點和留數(shù)來表征，而極點和留數(shù)的大小只與金屬導(dǎo)體的形狀有關(guān)，與激勵源無關(guān)。所以標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與極點呈現(xiàn)出一一對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)簽的檢測與識別的關(guān)鍵技術(shù)之一是從es（t）中提取信號的極點。

1.2 改進矩陣束算法（MPM）

目前，極點提取算法有多種，比如 Prony方法、矩陣束算法［9-12］、短時矩陣束算法［13］等。實際情況中，Prony算法抗噪性能差，矩陣束算法采用內(nèi)積形式研究極點提取問題，使抗噪能力有所提高。

在多標(biāo)簽防碰撞算法中，對傳統(tǒng)矩陣束算法進行以下改進：如圖1所示，在散射場時域信號 es（r，t）中加一寬度為 Tw的虛擬窗口，窗口每次滑動 Δt，同時應(yīng)用一次矩陣束算法（MPM）計算極點和留數(shù)，直到窗口內(nèi)無數(shù)據(jù)。由于早時響應(yīng)的存在，早時期間極點處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而后時響應(yīng)期間極點會保持穩(wěn)定，根據(jù)穩(wěn)定的極點識別出標(biāo)簽。

圖1 改進型矩陣束算法原理

2 多標(biāo)簽防碰撞設(shè)計及仿真結(jié)果

2.1 防碰撞標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的建立

為了研究無芯片 RFID多標(biāo)簽防碰撞相關(guān)問題，利用方形開槽結(jié)構(gòu)標(biāo)簽建立仿真模型，如圖2所示（尺寸單位：mm）。槽的長度決定諧振頻率和衰減因子，標(biāo)簽 1尺寸：L=45，H=10，L1=27，L2=30，L3=33，w=0.2；標(biāo)簽 2尺寸：L=30，H=10，L1=18，L2=20，L3=24，w=0.2。

圖2 方形開槽無芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

實驗采用電磁仿真軟件FEKO 5.5分別對標(biāo)簽1標(biāo)簽2進行仿真，得到其在50 MHz～10GHz頻域散射場信號數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)點數(shù)均為 1 024。如圖3所示，標(biāo)簽 1散射場極點分布大約在 5.2GHz、5.9GHz、6.9GHz，標(biāo)簽 2散射場極點分布大約在 3.95GHz、4.2GHz、4.7GHz。最后將標(biāo)簽 1和標(biāo)簽 2同時進行仿真，并設(shè)置兩標(biāo)簽間隔距離為2m。

圖3 無芯片RFID標(biāo)簽散射場頻域信號

2.2 無芯片RFID標(biāo)簽防碰撞的實現(xiàn)

2.2.1 改進型矩陣束算法參數(shù)選擇

利用改進型矩陣束算法提取散射場信號極點時，需要選擇合適的窗口寬度 Tw和每次滑動的寬度 Δt。窗口寬度Tw的選擇可以根據(jù)采樣點數(shù)N和時間總長T來決定，即 Tw=T/N，此處 Tw取 0.04 ns較合適。經(jīng)過多次實驗，一般 Δt≤Tw時，極點提取的效果比較理想，此處 Δt取 0.01 ns。窗口寬度Tw和滑動寬度Δt的選取直接影響到極點提取的精度，也將會影響多標(biāo)簽識別的準(zhǔn)確性。

2.2.2 無芯片RFID多標(biāo)簽的識別

標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖2所示的標(biāo)簽 1和標(biāo)簽 2的混合散射場時域信號如圖4所示，應(yīng)用改進型矩陣束算法提取其極點，獲得極點的虛部與時間的關(guān)系（即諧振頻率與時間的關(guān)系），如圖5所示。

圖4 標(biāo)簽1和標(biāo)簽2混合散射場時域信號

圖5 諧振頻率與時間關(guān)系圖

從圖5中可以看出，早時響應(yīng)期間（t＜Ton1和 7 ns＜t＜Ton2）散射場信號極點不穩(wěn)定，后時響應(yīng)期間極點趨于穩(wěn)定，同時從諧振頻率與時間關(guān)系圖中可以獲知：標(biāo)簽1的諧振頻率為 5.2GHz、5.9GHz、6.9GHz（圖中 Ton1＜t＜6 ns期間）；標(biāo)簽 2的諧振頻率為 3.95GHz、4.2GHz、4.7GHz（圖中 t＞Ton2期間）。由此可知，根據(jù)標(biāo)簽后時響應(yīng)開啟時間 Ton的不同，標(biāo)簽可以被準(zhǔn)確區(qū)分，解決了后時響應(yīng)開啟時間不同的多標(biāo)簽防碰撞問題。

3 結(jié)束語

本文將矩陣束算法進行改進并應(yīng)用于無芯片RFID多標(biāo)簽防碰撞的研究中，在研究防碰撞的同時找出了標(biāo)簽的后時響應(yīng)開啟時間，根據(jù)各個標(biāo)簽散射場后時響應(yīng)開啟時間的不同，從標(biāo)簽散射場的諧振頻率和時間關(guān)系中，準(zhǔn)確地識別各個標(biāo)簽。此種方法對無芯片標(biāo)簽的識別以及多標(biāo)簽防碰撞有一定參考價值。但是此種方法有一定局限性，即針對各個標(biāo)簽距離閱讀器距離幾乎相等（后向散射開啟時間近似相同）時，標(biāo)簽將無法被準(zhǔn)確識別。

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Study on anti-collision of chipless RFID tags

Chen Jiang，Zou Chuanyun，He Yi，Xu Lei，Zhao Xuan
（Department of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

Aiming at the problem that chipless RFID multi-tag could not identify accurately，a new improved Matrix Pencil Method（MPM）is proposed to solve the collision problem.Due to the scattered field has the early-time and the late-time response，the poles are unstable during the early-time response and tend to be stable during the late-time response.The algorithm uses this characteristic of the scattered field to solve the multi-tag anti-collision problem.In this paper，the improved MPM is applied in the mixed scattered field and the tags can be identified exactly according to the turn-on time of the late-time response.The slotted square tags are used to research the availability of anti-collision algorithm.Simulation results show that the algorithm has a fairly high accuracy in identifying the chipless RFID tags and conforms to the requirements of the accuracy and stability in multi-tag detection.

chipless RFID；anti-collision；the Matrix Pencil Method（MPM）；electronic tag；scattered field

TN911.6

A

1674-7720（2015）23-0062-03

陳江，鄒傳云，何毅，等.無芯片 RFID多標(biāo)簽防碰撞研究［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（23）：62-64.

2015-08-12）

陳江（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術(shù)。E-mail：xiangxyq@foxmail.com。

國家自然科學(xué)基金（61075030）

鄒傳云（1960-），男，博士，教授，主要研究方向：短距離寬帶無線通信技術(shù)，無線光通信，超寬帶無線電技術(shù)。