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超高頻RFID系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用密集部署中的干擾分析
作者:鄧曉東 袁勇
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2010-03-02 11:17:42
摘要:在超高頻射頻識別系統(tǒng)中,Reader-to-Reader干擾和Reader-to-Tag干擾的存在將會嚴(yán)重影響了RFID網(wǎng)絡(luò)的讀寫性能。在允許讀寫器長時駐留在固定信道的規(guī)范(如ETSI)中,將讀寫器合理分配到各個信道能夠有效消除這些干擾,在限制駐留時間的規(guī)范(如FCC, 中國)中,如何確定巧妙的調(diào)頻策略,從而達到讀寫器之間相互干擾最小,RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍達到最大,也將是一個值得關(guān)注的問題。
1. 介紹:
射頻識別(RFID)技術(shù)是一種自動識別技術(shù),己經(jīng)有幾十年的歷史了,并被廣泛應(yīng)用于動物識別、鐵路車皮識別、自動高速公路收費、航空行李處理、資產(chǎn)跟蹤、公共交通等[1]。MIT的Auto-ID中心提出了產(chǎn)品電子編碼(EPC)的概念[2],把類似于條形碼編碼的產(chǎn)品電子編碼(EPC)存儲在電子標(biāo)簽(Tag, or Transponder)中,電子標(biāo)簽貼在物體上,閱讀器(Reader, or Interrogator)通過電磁波從讀出編碼,通過這種方式可以識別物體。圖1是超高頻射頻識別系統(tǒng)的組成,電子標(biāo)簽貼在物品表面,閱讀器和標(biāo)簽之間通過電磁波進行通信,閱讀器獲取的EPC編碼傳輸?shù)街鳈C中,從而識別物品。當(dāng)電子標(biāo)簽的成本很低時,可以取代條形碼。
由圖1所示,射頻識別系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括閱讀器和電子標(biāo)簽兩個部分,兩者之間是在閱讀器和電子標(biāo)簽的天線以及無線信道中建立通信的。圖2是射頻識別系統(tǒng)的工作機制,閱讀器和電子標(biāo)簽之間通過電磁波進行通信,通信的時序大體上可以分為三個階段:閱讀器的偵聽模式,閱讀器到標(biāo)簽的通信,標(biāo)簽到閱讀器的通信。閱讀器的偵聽模式是閱讀器先在某個工作信道上偵聽是否有其他閱讀器在工作,假如沒有其他閱讀器占用該信道,則閱讀器發(fā)送一個指令給標(biāo)簽,然后發(fā)送一個無調(diào)制的載波,此時標(biāo)簽反射這個無調(diào)制的載波,從而把信息發(fā)送給閱讀器。閱讀器與標(biāo)簽之間主要為兩個通信過程:第一個通信過程是閱讀器發(fā)送一個調(diào)制的載波給標(biāo)簽,如OOK,此時電子標(biāo)簽從電磁波中獲取能量,并解調(diào)閱讀器發(fā)射的信號,得到閱讀器的指令;第二個過程是標(biāo)簽獲得閱讀器的指令以后,根據(jù)指令的內(nèi)容,經(jīng)過標(biāo)簽內(nèi)閱讀器狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換,把標(biāo)簽的內(nèi)容通過后向散射(Backscatter )的方式傳輸給閱讀器,而此時閱讀器發(fā)送無調(diào)制的載波用以提供標(biāo)簽工作需要的能量,以及標(biāo)簽反射需要的電磁波載體。
當(dāng)空間距離很近的多個reader同時工作時,tag能夠以相當(dāng)?shù)哪芰拷邮艿蕉鄠€reader發(fā)送的信號,這時tag無法從混合的信號中得到正確的命令,就會發(fā)生Reader-to-Tag干擾。
當(dāng)一個reader接受與其通信的tag的返回信號時,tag的返回信號中可能摻雜著其他reader發(fā)送的查詢信號,如果其他reader發(fā)送的信號相對于tag的返回信號足夠大,那么這時就會發(fā)生Reader-to-Reader干擾。
Reader可以工作在多個信道上,圖3是CEPT標(biāo)準(zhǔn)下10個可用的信道。圖4是工作在某個信道上的reader對相鄰信道和其它的干擾情況。由此,我們可以得出,通過信道劃分可以使多個reader同時正常工作。所以,Signal-to-Interference Ratio(SIR)的門限值不會產(chǎn)生Reader-to-Tag干擾或Reader-to-Reader干擾成為我們研究的重點。
干擾的鏈路級仿真是在MATLAB/Simulink平臺上進行的。在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,提取每個模塊的關(guān)鍵參數(shù),舍棄了部分非關(guān)鍵因素。
Reader發(fā)射電路的模塊包括:(1)信號源,用于產(chǎn)生閱讀器發(fā)射所需要的編碼,其關(guān)鍵參數(shù)是編碼方式,和數(shù)據(jù)速率,產(chǎn)生偽隨機編碼:(2)升余弦濾波器,用于對發(fā)射基帶信號進行波形整形,其關(guān)鍵參數(shù)是過采樣率,延遲時間,滾降因子;(3)希爾伯特變換器,用于產(chǎn)生實部和虛部信號,經(jīng)過調(diào)制疊加后,產(chǎn)生單邊帶信號,其關(guān)鍵參數(shù)是決定抑制度的階數(shù); (4)相位噪聲,(5)調(diào)制深度
Reader接受電路的模塊包括:(1)相干解調(diào)器,用于解調(diào)接受信號;(2)LPF,用于對解調(diào)得到的基帶信號進行低通濾波,其關(guān)鍵參數(shù)是FIR濾波器的階數(shù),通帶帶寬,截至頻率和紋波系數(shù);(3)判決器,用于對經(jīng)過LPF的信號進行高低判決;(4)Miller解碼器,用于對基帶信號進行Miller解碼。
Tag發(fā)射電路的模塊包括:(1)信號源,用于產(chǎn)生tag反向散射所需要的編碼,其關(guān)鍵參數(shù)是編碼方式,和數(shù)據(jù)速率,產(chǎn)生偽隨機編碼;(2)反向散射機制,用于選擇反向散射機制,本仿真中認(rèn)為發(fā)送‘1’時為全反射,發(fā)送‘0’時為全匹配。
Tag接收電路的模塊包括:(1)包絡(luò)解調(diào)器,用于對接受到的UHF信號進行包絡(luò)解調(diào),其關(guān)鍵參數(shù)時RC電路的沖放電時間和衰減系數(shù);(2)LPF,于對解調(diào)得到的基帶信號進行低通濾波,其關(guān)鍵參數(shù)是FIR濾波器的階數(shù),通帶帶寬,截至頻率和紋波系數(shù);3)判決器,用于對經(jīng)過LPF的信號進行高低判決;(4)PIE解碼器,用于對基帶信號進行PIE解碼。
誤碼率用來評價通信系統(tǒng)建立連接的質(zhì)量,而衡量通信系統(tǒng)誤碼率性能的指標(biāo)是信噪比的大小[3]。射頻識別系統(tǒng)的誤碼率包括兩個方面:一是閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽的信噪比,二是電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)到閱讀器的誤碼率。當(dāng)閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽時,信噪比可以稱之為載波比,是一個大信號,因此,即使通信距離達到20米,標(biāo)簽接收到信號的信噪比很高,足以滿足電子標(biāo)簽檢波的需要。
閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽的編碼為PIE編碼,而標(biāo)簽把數(shù)據(jù)返回給閱讀器的編碼是FMO編碼和帶副載波的Miller編碼。由誤碼率理論[4],可以推導(dǎo)得到在匹配濾波器解調(diào)的方式下,兩種編碼的誤碼率公式分別為:
利用以上仿真得到的結(jié)論,我們考慮一個具體reader部署方案的性能。
圖9是當(dāng)3個reader工作在發(fā)射功率為2W,信道相同的情況下得到的區(qū)域分布圖。
圖11是當(dāng)3個reader工作在發(fā)射功率為2W,相鄰3個信道的情況下得到的區(qū)域分布圖。
在超高頻射頻識別系統(tǒng)中,Reader-to-Reader干擾和Reader-to-Tag干擾的存在將會嚴(yán)重影響了RFID網(wǎng)絡(luò)的讀寫性能。在允許讀寫器長時駐留在固定信道的規(guī)范(如ETSI)中,將讀寫器合理分配到各個信道能夠有效消除這些干擾,在限制駐留時間的規(guī)范(如FCC, 中國)中,如何確定巧妙的調(diào)頻策略,從而達到讀寫器之間相互干擾最小,RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍達到最大,也將是一個值得關(guān)注的問題。
射頻識別(RFID)技術(shù)是一種自動識別技術(shù),己經(jīng)有幾十年的歷史了,并被廣泛應(yīng)用于動物識別、鐵路車皮識別、自動高速公路收費、航空行李處理、資產(chǎn)跟蹤、公共交通等[1]。MIT的Auto-ID中心提出了產(chǎn)品電子編碼(EPC)的概念[2],把類似于條形碼編碼的產(chǎn)品電子編碼(EPC)存儲在電子標(biāo)簽(Tag, or Transponder)中,電子標(biāo)簽貼在物體上,閱讀器(Reader, or Interrogator)通過電磁波從讀出編碼,通過這種方式可以識別物體。圖1是超高頻射頻識別系統(tǒng)的組成,電子標(biāo)簽貼在物品表面,閱讀器和標(biāo)簽之間通過電磁波進行通信,閱讀器獲取的EPC編碼傳輸?shù)街鳈C中,從而識別物品。當(dāng)電子標(biāo)簽的成本很低時,可以取代條形碼。
由圖1所示,射頻識別系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括閱讀器和電子標(biāo)簽兩個部分,兩者之間是在閱讀器和電子標(biāo)簽的天線以及無線信道中建立通信的。圖2是射頻識別系統(tǒng)的工作機制,閱讀器和電子標(biāo)簽之間通過電磁波進行通信,通信的時序大體上可以分為三個階段:閱讀器的偵聽模式,閱讀器到標(biāo)簽的通信,標(biāo)簽到閱讀器的通信。閱讀器的偵聽模式是閱讀器先在某個工作信道上偵聽是否有其他閱讀器在工作,假如沒有其他閱讀器占用該信道,則閱讀器發(fā)送一個指令給標(biāo)簽,然后發(fā)送一個無調(diào)制的載波,此時標(biāo)簽反射這個無調(diào)制的載波,從而把信息發(fā)送給閱讀器。閱讀器與標(biāo)簽之間主要為兩個通信過程:第一個通信過程是閱讀器發(fā)送一個調(diào)制的載波給標(biāo)簽,如OOK,此時電子標(biāo)簽從電磁波中獲取能量,并解調(diào)閱讀器發(fā)射的信號,得到閱讀器的指令;第二個過程是標(biāo)簽獲得閱讀器的指令以后,根據(jù)指令的內(nèi)容,經(jīng)過標(biāo)簽內(nèi)閱讀器狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換,把標(biāo)簽的內(nèi)容通過后向散射(Backscatter )的方式傳輸給閱讀器,而此時閱讀器發(fā)送無調(diào)制的載波用以提供標(biāo)簽工作需要的能量,以及標(biāo)簽反射需要的電磁波載體。
當(dāng)空間距離很近的多個reader同時工作時,tag能夠以相當(dāng)?shù)哪芰拷邮艿蕉鄠€reader發(fā)送的信號,這時tag無法從混合的信號中得到正確的命令,就會發(fā)生Reader-to-Tag干擾。
當(dāng)一個reader接受與其通信的tag的返回信號時,tag的返回信號中可能摻雜著其他reader發(fā)送的查詢信號,如果其他reader發(fā)送的信號相對于tag的返回信號足夠大,那么這時就會發(fā)生Reader-to-Reader干擾。
Reader可以工作在多個信道上,圖3是CEPT標(biāo)準(zhǔn)下10個可用的信道。圖4是工作在某個信道上的reader對相鄰信道和其它的干擾情況。由此,我們可以得出,通過信道劃分可以使多個reader同時正常工作。所以,Signal-to-Interference Ratio(SIR)的門限值不會產(chǎn)生Reader-to-Tag干擾或Reader-to-Reader干擾成為我們研究的重點。
干擾的鏈路級仿真是在MATLAB/Simulink平臺上進行的。在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,提取每個模塊的關(guān)鍵參數(shù),舍棄了部分非關(guān)鍵因素。
Reader發(fā)射電路的模塊包括:(1)信號源,用于產(chǎn)生閱讀器發(fā)射所需要的編碼,其關(guān)鍵參數(shù)是編碼方式,和數(shù)據(jù)速率,產(chǎn)生偽隨機編碼:(2)升余弦濾波器,用于對發(fā)射基帶信號進行波形整形,其關(guān)鍵參數(shù)是過采樣率,延遲時間,滾降因子;(3)希爾伯特變換器,用于產(chǎn)生實部和虛部信號,經(jīng)過調(diào)制疊加后,產(chǎn)生單邊帶信號,其關(guān)鍵參數(shù)是決定抑制度的階數(shù); (4)相位噪聲,(5)調(diào)制深度
Reader接受電路的模塊包括:(1)相干解調(diào)器,用于解調(diào)接受信號;(2)LPF,用于對解調(diào)得到的基帶信號進行低通濾波,其關(guān)鍵參數(shù)是FIR濾波器的階數(shù),通帶帶寬,截至頻率和紋波系數(shù);(3)判決器,用于對經(jīng)過LPF的信號進行高低判決;(4)Miller解碼器,用于對基帶信號進行Miller解碼。
Tag發(fā)射電路的模塊包括:(1)信號源,用于產(chǎn)生tag反向散射所需要的編碼,其關(guān)鍵參數(shù)是編碼方式,和數(shù)據(jù)速率,產(chǎn)生偽隨機編碼;(2)反向散射機制,用于選擇反向散射機制,本仿真中認(rèn)為發(fā)送‘1’時為全反射,發(fā)送‘0’時為全匹配。
Tag接收電路的模塊包括:(1)包絡(luò)解調(diào)器,用于對接受到的UHF信號進行包絡(luò)解調(diào),其關(guān)鍵參數(shù)時RC電路的沖放電時間和衰減系數(shù);(2)LPF,于對解調(diào)得到的基帶信號進行低通濾波,其關(guān)鍵參數(shù)是FIR濾波器的階數(shù),通帶帶寬,截至頻率和紋波系數(shù);3)判決器,用于對經(jīng)過LPF的信號進行高低判決;(4)PIE解碼器,用于對基帶信號進行PIE解碼。
誤碼率用來評價通信系統(tǒng)建立連接的質(zhì)量,而衡量通信系統(tǒng)誤碼率性能的指標(biāo)是信噪比的大小[3]。射頻識別系統(tǒng)的誤碼率包括兩個方面:一是閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽的信噪比,二是電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)到閱讀器的誤碼率。當(dāng)閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽時,信噪比可以稱之為載波比,是一個大信號,因此,即使通信距離達到20米,標(biāo)簽接收到信號的信噪比很高,足以滿足電子標(biāo)簽檢波的需要。
閱讀器發(fā)送到電子標(biāo)簽的編碼為PIE編碼,而標(biāo)簽把數(shù)據(jù)返回給閱讀器的編碼是FMO編碼和帶副載波的Miller編碼。由誤碼率理論[4],可以推導(dǎo)得到在匹配濾波器解調(diào)的方式下,兩種編碼的誤碼率公式分別為:
利用以上仿真得到的結(jié)論,我們考慮一個具體reader部署方案的性能。
圖9是當(dāng)3個reader工作在發(fā)射功率為2W,信道相同的情況下得到的區(qū)域分布圖。
圖11是當(dāng)3個reader工作在發(fā)射功率為2W,相鄰3個信道的情況下得到的區(qū)域分布圖。
在超高頻射頻識別系統(tǒng)中,Reader-to-Reader干擾和Reader-to-Tag干擾的存在將會嚴(yán)重影響了RFID網(wǎng)絡(luò)的讀寫性能。在允許讀寫器長時駐留在固定信道的規(guī)范(如ETSI)中,將讀寫器合理分配到各個信道能夠有效消除這些干擾,在限制駐留時間的規(guī)范(如FCC, 中國)中,如何確定巧妙的調(diào)頻策略,從而達到讀寫器之間相互干擾最小,RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍達到最大,也將是一個值得關(guān)注的問題。