无源超高频射频识别系统性能的分析与评估

摘要

物联网(IOT)是指基于互联网及其它在线互联的方式实现全球物物相连的网络。IOT利用二维码、传感器及电子标签等低成本信息采集设备，实现全球范围内目标物信息的实时共享。作为物联网的关键技术之一，射频识别(RFID)系统利用射频通信技术实现阅读器及标签间的信息传输，进而完成对目标物的身份识别、定位、监控及跟踪等功能。无源超高频(UHF)RFID系统具备成本低及易于部署等特点，因而受到相关科研机构及企业越来越广泛的关注。为实现不同应用领域的RFID设备选型及实际应用中的系统最优化部署，高精度、低成本的RFID测试装备成为RFID系统设计人员及终端用户亟待解决的问题。矢量网络分析仪等传统测试仪器不能实现识别区域及差分雷达散射截面等无源UHF RFID系统性能参数的测量。基于RFID测试技术的特点及发展现状，研发了一套高性能的RFID系统开放测试平台;基于RFID相关理论及研究方法，分析了阅读器及标签天线极化失配、标签天线互耦效应及多径效应等因素对系统性能的影响，并利用研发的测试平台对所研究影响因素进行了测量。
　　 首先，介绍了RFID系统工作原理、系统构成及相关标准。基于RFID测试技术的研究现状、存在的问题及发展趋势，阐述了RFID测试仪器应实现的测试功能及所需的测试环境。研发了基于软件无线电及虚拟仪器技术的RFID系统开放测试平台。平台的射频通信接口采用NI公司生产的PCI-5640R、PXI-5610及PXI-5600等板卡，实现与RFID设备的实时通信及相关协议栈。利用PCI-5640R板载FPGA模块的实时处理及可重构的特点，实现RFID信号的发射、接收及分析功能。测试平台具备良好的可扩展性，支持多种RFID相关标准，并可根据实际应用需求实现用户自定义的测试功能。结合基于PLC及OPC技术搭建的RFID系统模拟应用环境，测试平台可提供包括系统性能及一致性测试、第三方监听测试及应用测试等功能的完整RFID系统测试解决方案。
　　 其次，基于RFID工作原理及天线散射理论，给出了自由空间下无源UHFRFID系统链路预算模型，并分析了单阅读器单标签情形下标签天线及负载阻抗匹配关系对系统性能的影响。实际应用中，当标签处于密集环境，即标签间距离小于若干系统工作频率波长时，标签天线间的互耦效应改变了标签天线及负载的阻抗匹配关系，进而影响RFID系统性能。结合系统链路预算模型及二端口网络分析方法，导出了密集环境下基于系统通信链路参数的标签天线间互阻抗计算表达式。基于单阅读器单标签情形下的标签芯片及负载阻抗匹配关系，利用功率传输系数及调制因子，分析了互耦效应对RFID系统性能的影响。测试了开阔室内环境下双标签、标签单平面及标签双平面布置情形下的阅读器天线最小发射功率及系统识别率。理论分析及实验结果表明:当标签间距小于1.5倍系统工作频率波长时，互耦效应对系统性能影响较大;互耦效应对系统性能的影响呈非单调变化，即可为增强或降低;对于双标签及标签双平面情形，阅读器天线最小发射功率变化率范围分别为(-7％，11.6％)及(-10％，12.5％)。
　　 再次，基于电磁波传播理论及Friis传输方程，导出了无源UHR RFID系统路径损耗模型。利用射线跟踪方法，比较了自由空间及多径环境下的系统路径损耗;仿真结果表明，相比自由空间情形，多径环境下系统路径损耗下降速度较快。结合电磁波传播的菲涅尔区理论，分析了菲涅尔余隙及阅读器天线至标签间距两因变量条件下，阅读器天线至标签电磁波传播第一菲涅尔区受阻隔对系统路径损耗的影响。基于线性回归方法及最小均方误差准则，提出了双斜率对数距离路径损耗模型。在开阔室内环境下，测试了菲涅尔余隙及阅读器天线至标签间距变化时的系统路径损耗。理论分析及测试结果表明:菲涅尔余隙大于1.5倍第一菲涅尔区半径时，刃形障碍物对系统路径损耗影响较小;相比传统对数距离路径损耗模型，双斜率模型标准差减小10％。
　　 最后，介绍了最大识别距离及识别区域等系统性能指标，给出了实际应用中无源UHF RFID系统完整的传播链路模型。结合自由空间下系统链路预算模型及部署环境影响因素，提出了基于目标区域识别率的RFID系统性能评估方法。为解决单天线覆盖范围不足的问题，实际应用中常采用单阅读器多天线配置，但多天线间存在相干多径干扰影响，又使得目标区域内产生新盲区。结合电磁波传播理论及相干干扰抵消原理，提出基于标签集及相位开关的目标区域识别率优化方法。在开阔室内环境下，测试了阅读器与标签天线极化失配及相干多径干扰对系统性能的影响，并测量了采用标签集及相位开关优化方法的目标区域识别率。理论分析及测试结果表明，两种方法下的系统目标区域识别率分别提高10％和7.6％。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 RFID测试技术发展及现状

1．3．1 RFID标准化工作概述

1．3．2 RFID测试装备研发现状

1．3．3 相关文献研究现状

1．3．4 RFID测试技术发展面临的挑战

1．4 主要研究工作

第2章 RFID系统测试平台

2．1 RFID系统组成及工作原理

2．1．1 RFID系统组成

2．1．2 RFID系统工作原理

2．2 RFID系统测试技术

2．2．1 RFID系统测试的关键技术

2．2．2 RFID系统测试内容

2．2．3 RFID系统测试环境

2．3 RFID系统测试平台

2．3．1 软件无线电技术

2．3．2 虚拟仪器技术

2．3．3 RFID系统测试平台的总体方案

2．3．4 RFID系统测试平台的硬件架构

2．3．5 RFID系统测试平台的软件架构

2．3．6 RFID系统测试平台的测试内容

2．4 RFID系统测试平台测试实例

2．4．1 空中接口通信协议一致性测试

2．4．2 系统识别范围测试

2．4．3 RFID系统测试平台辅助功能

2．5 小结

第3章 标签密集环境下天线互耦效应研究

3．1 无源UHF RFID系统通信链路

3．1．1 前向通信链路

3．1．2 反向通信链路

3．2 互耦效应及互阻抗

3．2．1 无源UHF RFID天线场区划分

3．2．2 互耦的阻抗效应

3．3 互耦效应对无源UHF RFID系统性能的影响

3．3．1 RFID标签天线的互阻抗

3．3．2 互耦效应对系统性能影响分析

3．4 实验结果及分析

3．4．1 双标签情形互耦效应对系统性能的影响

3．4．2 标签单平面情形互耦效应对系统性能的影响

3．4．3 标签双平面情形互耦效应对系统性能的影响

3．5 小结

第4章 无源超高频RFID系统路径损耗研究

4．1 无源UHF RFID系统路径损耗

4．1．1 自由空间下RFID系统路径损耗

4．1．2 典型室内传播模型

4．2 电磁波传播的菲涅尔区

4．3 第一菲涅尔区受阻隔对系统路径损耗的影响

4．3．1 菲涅尔余隙对系统路径损耗的影响

4．3．2 阅读器天线至标签间距对系统路径损耗的影响

4．4 实验结果及分析

4．4．1 菲涅尔余隙对系统路径损耗的影响

4．4．2 阅读器天线至标签间距对系统路径损耗的影响

4．4．3 多径效应对系统路径损耗的影响

4．5 小结

第5章 无源超高频RFID系统性能评估及优化

5．1 无源UHF RFID系统传播链路模型

5．1．1 阅读器及标签天线极化失配对系统性能的影响

5．1．2 标签贴附物对系统性能的影响

5．1．3 工作频率对系统性能的影响

5．1．4 空中接口通信参数对系统性能的影响

5．2 无源UHF RFID系统性能评估方法

5．2．1 基于系统最大识别距离的系统性能评估方法

5．2．2 基于系统识别区域的系统性能评估方法

5．2．3 基于目标区域识别率的系统性能评估方法

5．3 无源UHF RFID系统性能优化方法

5．3．1 基于标签集的RFID系统优化方法

5．3．2 基于相位开关的RFID系统优化方法

5．4 实验结果及分析

5．4．1 天线极化失配及标签集方法对目标区域识别率的影响

5．4．2 阅读器天线高度对目标区域识别率的影响

5．4．3 天线数量及相位开关方法对目标区域识别率的影响

5．5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参与的科研课题和获奖情况