RFID無源標(biāo)簽通信參數(shù)的研究

景裕文 沈 琛 孔盼盼

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RFID無源標(biāo)簽通信參數(shù)的研究

景裕文 沈 琛 孔盼盼

北京信息科技大學(xué)，北京 100101

主要針對Global UHF RFID protocols的RFID測試平臺，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，采用CISC半導(dǎo)體公司的測試平臺，用來對ISO/IEC 18000-63協(xié)議通信鏈路參數(shù)測試。研究了部分通信參數(shù)動態(tài)變化時(shí)激活標(biāo)簽所需功率的變化，并對測試標(biāo)簽的靈敏度進(jìn)行了測試。測試研究表明在基帶編碼采用較小的Tari值、以及較高的調(diào)制深度時(shí)，標(biāo)簽所需激活功率最小，系統(tǒng)識別距離最遠(yuǎn)。

RFID；無源電子標(biāo)簽；標(biāo)簽性能測試

引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Tings）是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的前沿研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一[1]。物聯(lián)網(wǎng)通過各類集成化微型傳感器實(shí)時(shí)地檢測、感知和采集各種信息，利用嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并經(jīng)由自組織通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式進(jìn)行匯聚，通過各種制式的傳輸網(wǎng)（或接入網(wǎng)）傳送到后端數(shù)據(jù)支撐平臺進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念，可廣泛地應(yīng)用于智能城市與市政管理、移動醫(yī)療、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制與產(chǎn)品管理、智能交通、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、電子商務(wù)等諸多領(lǐng)域，具有重大的研究意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

作為物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用之一，射頻識別（radio frequency identification）技術(shù)是利用空間電磁波的耦合特性，將數(shù)據(jù)調(diào)制在射頻載波向空間輻射以實(shí)現(xiàn)無線通信的一種自動識別技術(shù)。在超高頻頻段，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)化組織相繼推出了多種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。其中標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的多樣性，射頻參數(shù)測量的復(fù)雜性和準(zhǔn)確性是重要的因素。這些導(dǎo)致了RFID產(chǎn)品的不兼容，并給測試帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

因此，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)，采用CISC半導(dǎo)體公司提供的測試平臺，以UHF頻段RFID為研究對象，主要參照ISO/IEC 18000-63和ISO/IEC 18047-6 Type- C以及ISO/IEC 18046-3規(guī)范，開展對無源超高頻標(biāo)簽的部分參數(shù)設(shè)置的測試。研究符合上述標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下，Tari[2]（讀寫器到標(biāo)簽通信的參考時(shí)間間隔等于發(fā)送字符0的長度）、調(diào)制深度等參數(shù)組合變化時(shí)激活標(biāo)簽所需功率變化的規(guī)律，優(yōu)化參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對無源超高頻標(biāo)簽的靈敏度測試。主要工作有：標(biāo)簽靈敏度測試，編碼參數(shù)變化的動態(tài)性能測試，進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化，獲取標(biāo)簽最佳性能；測試反向鏈路的發(fā)射功率，對讀取距離，路徑損耗進(jìn)行分析。本研究有助于加深對RFID的通信參數(shù)對讀取質(zhì)量的理解，進(jìn)行通信參數(shù)組合，并得出系統(tǒng)獲取最佳識別效果的編碼參數(shù)組合，為標(biāo)簽性能測試提供參考依據(jù)。

1 RFID測試方案

測試平臺采用CISC半導(dǎo)體公司提供的RFID Xplorer 來進(jìn)行相關(guān)的測試，主要組成有讀寫器，天線，RFID標(biāo)簽和中間件[3]。

標(biāo)簽性能測試流程圖如圖1所示，CPU產(chǎn)生所要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)，發(fā)送到發(fā)射機(jī)，經(jīng)發(fā)射機(jī)編碼成射頻識別信號。利用定向耦合器將信號生成器生成的干擾信號耦合到前向鏈路，并利用功率計(jì)測量耦合器直通端的功率。

標(biāo)簽答復(fù)信息通過接收天線反送給接收端，接收機(jī)是一個(gè)正交解調(diào)接收機(jī)，反向鏈路信號經(jīng)射頻過濾、降頻轉(zhuǎn)換器、接收機(jī)基帶濾波和采樣處理，通過利用本地振蕩器（LO）完成一個(gè)的正交變換，接收機(jī)輸出I、Q采樣值發(fā)送給CPU做后續(xù)處理。

CPU控制測試流，配置軟件，處理和存儲數(shù)據(jù)。由于前向鏈路的閱讀器命令是根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的標(biāo)簽命令響應(yīng)的，要求CPU能夠快速的按照Gen 2協(xié)議規(guī)定的時(shí)間限制做出響應(yīng)。

圖1 測試流程圖

2 測試及結(jié)果分析

為了簡化實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，在滿足測試對標(biāo)簽性能分析的前提下，對閱讀器的發(fā)送命令進(jìn)行簡化。在進(jìn)行頻率掃描的過程中，假設(shè)閱讀器的發(fā)送QUERY命令，由閱讀器發(fā)送連續(xù)波給標(biāo)簽提供能量，激活標(biāo)簽后，標(biāo)簽通過調(diào)制閱讀器發(fā)送的連續(xù)波反向散射存儲在自身內(nèi)存中的RN16（16位隨機(jī)數(shù)），閱讀器成功接收到RN16即為識別成功。鏈路的各參數(shù)會隨著載波中心頻率的變化而進(jìn)行相應(yīng)的變化，反映到系統(tǒng)中，表現(xiàn)為激活標(biāo)簽功率和標(biāo)簽反向散射功率大小的變化。測試過程中，載波的中心頻率范圍為800 MHz～1 GHz，步長為5 MHz。系統(tǒng)使用二進(jìn)制查詢算法來進(jìn)行標(biāo)簽的激活功率測量，發(fā)射功率范圍為-6～36 dBm（分貝毫瓦），步長為0.1 dBm。對于不同的測試內(nèi)容，測試流程是：首先設(shè)置所有測試設(shè)備的位置，配置信號源及發(fā)射功率范圍，安裝待測試標(biāo)簽，發(fā)送閱讀器命令，根據(jù)不同的測試內(nèi)容進(jìn)行有目的的測量，并由CPU記錄測試結(jié)果和計(jì)算測試內(nèi)容的值。以測試激活標(biāo)簽所需功率測試為例[4]，流程圖如圖2所示。

圖2 激活標(biāo)簽所需功率測試流程圖

3.1 標(biāo)簽靈敏度測試

測試標(biāo)簽距離閱讀器發(fā)射天線和接收天線的距離都為0.5 m，發(fā)射EIRP（有效各向輻射功率）為36 dBm，閱讀器接收天線增益為4 dBi（線性天線增益），接收天線靈敏度為-75 dBm，接收機(jī)增益為0 dB，發(fā)射機(jī)的外部衰減為0 dB。利用參考標(biāo)簽及其在無干擾測試環(huán)境下所測量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)能夠有效的對外部干擾和損耗進(jìn)行補(bǔ)償，能有效保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖3為頻率掃描所得各頻點(diǎn)激活標(biāo)簽所需最小功率值，根據(jù)弗里斯傳輸方程可推導(dǎo)出電磁場強(qiáng)度（V/m）和激活標(biāo)簽最小功率（dBm）之間的關(guān)系為：

根據(jù)圖3，載波為840 MHz時(shí)，標(biāo)簽的最小激活功率為-18 dBm，由此可計(jì)算出該頻率下載標(biāo)簽位置的電磁場強(qiáng)度為0.8 V/m。閱讀器用來激活標(biāo)簽的最小發(fā)射功率與標(biāo)簽的靈敏度S（dBm）的關(guān)系[5]為：

經(jīng)計(jì)算可知，S的值等于激活標(biāo)簽所需功率的值，因此可是使用激活標(biāo)簽所需功率來表征系統(tǒng)性能。

圖3 標(biāo)簽激活功率圖

3.2 調(diào)制深度對標(biāo)簽激活功率的影響測試

閱讀器到標(biāo)簽的通信可以采用DSB-ASK（雙邊帶振幅鍵控），SSB-ASK（單邊帶振幅鍵控），PR-ASK（反向振幅鍵控）三種調(diào)制方式，討論在DSB-ASK的調(diào)制情形下，研究在不同調(diào)制深度下，不同頻率對激活標(biāo)簽所需功率的影響。圖4所示，調(diào)制深度小于35 %，標(biāo)簽不能夠被激活或者只有在極少數(shù)的點(diǎn)被激活，隨著調(diào)制深度的增長，標(biāo)簽所需激活功率明顯減少，可使系統(tǒng)信噪比、功率利用率得到提升。在測試標(biāo)簽諧振頻率870 MHz，940 MHz處，標(biāo)簽激活功率明顯小于其他各頻點(diǎn)，可以利用這些諧振點(diǎn)頻率來作為閱讀器和標(biāo)簽通信的最佳頻率。

圖4 調(diào)制深度變化時(shí)標(biāo)簽激活功率強(qiáng)度圖（Tari=12.5s）

3.3 Tari對標(biāo)簽激活功率的影響測試

前向鏈路的數(shù)據(jù)編碼形式是PIE（脈沖間隔編碼），改變PIE編碼的Tari值，通過圖5可以分析在不同頻率下，Tari值變化對激活標(biāo)簽所需功率的影響。圖5中的Tari值從5 s以1 s步長上升到35 s時(shí)，激活標(biāo)簽所需功率有明顯的減弱趨勢。但是Tari值在9 s以前，激活標(biāo)簽所需功率較大，標(biāo)簽不能夠被很好的激活。頻率在以870 MHz為中心，以10 MHz為半徑的區(qū)間范圍內(nèi)，激活標(biāo)簽所需功率明顯低于其他頻率。當(dāng)頻率固定在諧振頻率870 MHz的時(shí)候，Tari值的變化對激活標(biāo)簽所需功率的影響較大，最小差值為-26.56 dBm（874.7 MHz）。而在同一個(gè)Tari值時(shí)，不同頻點(diǎn)對應(yīng)的激活標(biāo)簽所需功率差值很大，最小約為-26.56 dBm（24.24 s），最大約為9.321 dBm（8 s）。采用較合適的Tari值，可以使得RFID系統(tǒng)在整個(gè)頻段內(nèi)能夠有效的提高識別率。

圖5 Tari變化時(shí)不同頻點(diǎn)激活標(biāo)簽所需功率變化圖（調(diào)制深度=60 %）

主要研究符合ISO 18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下，Tari、調(diào)制深度等參數(shù)組合變化時(shí)激活標(biāo)簽所需功率變化的規(guī)律，得到了優(yōu)化參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對無源超高頻RFID標(biāo)簽的靈敏度測試。采用收發(fā)獨(dú)立天線，發(fā)送符合標(biāo)準(zhǔn)的指令對標(biāo)簽進(jìn)行讀操作，得出標(biāo)簽性能隨信道參數(shù)變化的測試結(jié)果，得出了編碼參數(shù)組合。但是在測試過程中，要注意如下兩個(gè)問題：

（1）在頻率掃描過程中，假設(shè)標(biāo)簽天線和閱讀器收發(fā)天線的增益和方向性不隨頻率的改變而改變。

（2）測試時(shí)，對干擾源的抑制效果不理想，特別是在無法識別時(shí)更為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

編碼參數(shù)對RFID系統(tǒng)新能有重要影響，優(yōu)化編碼參數(shù)組合很有必要。根據(jù)測試結(jié)果可以可出在Tari值較小和較高調(diào)制深度為參數(shù)的最優(yōu)組合。此時(shí)，激活標(biāo)簽所需功率最小，識別距離最大，且讀寫速度也比較快，最優(yōu)組合為（12.5 s，60 %）附近。在下一步工作中，在最優(yōu)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，對標(biāo)簽貼附不同材料，通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來測試標(biāo)簽貼附位置以及材料對標(biāo)簽性能的影響。

[1]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009（12）：21.

[2]EPCglobla Inc.EPCTM Radio Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocl for Communications at 860-960MHz，version 1.0.9[S]. 2004.

[3]馬志剛.RFID測試解決方案[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2012（1）：41.

[4]夏瑩瑩，謝振華，牛彬.射頻識別標(biāo)簽性能測試研究[J].中國自動識別技術(shù)，2015（1）：9.

[5]EPCglobal Inc.Tag Performance Parameters and Test Methods，Version 1.1.3[S].2008.

Research of passive RFID tag communication parameters

Jing Yuwen，Shen Chen，Kong Panpan

College of Computer，Beijing Information Science & Technology University，Beijing 100101

The test system is mainly aimed at Global UHF RFID separate protocols RFID test platform，combined with virtual instrument technology and digital signal processing technology，using CISC semiconductor test platform，used to ISO/IEC 18000-63 test protocol communication link parameters. Part of the communication parameters is studied in dynamic change required to activate the tag the change of the power，and the sensitivity of the label of the test was tested. Test research shows that in the baseband coding using smaller Tari value，and high modulation depth，the tag minimum required to activate power，system identification furthest distance.

RFID；Passive electronic tag；tag performance testing

TN821

A

1009-6434（2016）11-0067-03

項(xiàng)目：北京信息科技大學(xué)受北京信息科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助，項(xiàng)目號：5111624111。