超高频射频识别系统测试关键问题的分析与研究

摘要

随着信息技术的发展，全球性的物联网(IOT)产业逐步形成。射频识别技术(RFID)是物联网的关键技术之一，是一种利用射频信号进行通信的非接触式自动识别技术，是继条形码技术之后最具影响力的信息识别读取技术。RFID技术是目前全球普遍关注的热点研究领域。超高频(UHF)射频识别标签具有体积小、识别快速、读写距离远、操作方便等优点，因而被各领域如不停车收费、物流管理、行包跟踪等广泛应用。但是产品的应用环境复杂，这对RFID系统工作的性能提出了更高的要求。针对RFID系统性能的研究与测试工作是RFID技术研究的热点，设计功能全面、操作简易的RFID测试系统是具有挑战性的研究课题之一。
　　由于射频识别技术的特殊性，对超高频射频识别技术的工作原理、性能及其测试理论与方法等方面进行了系统的分析。文中研究了RFID动态参数和介质因素对性能的影响、雷达散射截面、防冲突测试等关键问题，提出了系列针对超高频段的RFID产品的性能测试原理和测试方法。
　　首先，从射频识别基本的原理开始，讨论了射频识别测试原理、相关协议以及测试硬件架构。根据RFID测试技术的现状，提出采用虚拟仪器技术和软件无线电技术(SDR)，设计开发了UHF段RFID产品的测试平台。该平台具备对RFID系统的读取性能测试、空中接口一致性测试、电气性能测试以及第三方监测等功能，平台支持多协议，具有客户自定义标准测试的可扩展能力。该平台具备良好的可靠性、兼容性、稳定性，为RFID产品研发、设计和应用等提供参考依据、技术指导。
　　其次，基于RFID技术通信原理和天线的反向散射理论，分析RFID通信参数变化对系统性能的影响，结合所研发的测试平台，提出了针对RFID产品性能的组合参数分析的测试方法。通过对ISO/IEC18000-6C协议所规定的通信参数的分析，深入讨论了Tari值、调制深度、脉冲占空比等对RFID链路功率的影响，采用组合参数测试，得出了RFID通信协议中的优化的特征参数组合。理论与测试表明：Tari值较小，占空比约为50%和较高的调制系数为参数的最优组合，此时标签天线获取功率最大，识别距离最远。
　　再次，研究了电子标签的功率反射系数、传输系数、阻抗匹配、芯片灵敏度等对读取距离和读取率的影响，并测试多种不同材质下RFID系统的识别效果。研究测试了标签在不同运动速度、不同位置、不同贴附介质材料和天线极化情形下的RFID系统的识别性能，对标签的关键性能参数进行研究与评估。所得测试结果和分析表明，标签起点的选择，运动速度以及信号发送时机的选择，均导致一定区域内的读取性能受影响。标签与介质间的距离对系统的读取性能有增强或消弱的影响，同时金属将导致天线失谐；通用偶极子标签贴近金属和液体时，读取率很低甚至无法读取。
　　最后，提出采用马尔科夫链模型来模拟RFID系统的防冲突性能，并量化系统的识别效率和识别速度。RFID防冲突过程的分解是一个随机过程，基于动态时隙参数的自适应Q值算法是较为通用的防冲突算法。RFID通信时序中，标签在每一帧中选择时隙满足二项分布随机过程。定义了标签数目和时隙参数Q的变化数据的组合状态(Q，n)，在此基础上讨论并建立数据组合状态(Q，n)的转移过程的马尔科夫链模型，有效的模拟Q值调整过程，结合虚拟仪器技术实现对防冲突过程的效率测试。理论与测试表明：马尔科夫链模型对防冲突进行模拟结果和测试结果是吻合。

目录

文摘

英文文摘

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测试技术研究发展及现状

1.3.1 国外RFID测试研究工作现状

1.3.2 国内RFID测试研究工作现状

1.3.3 RFID测试的主要内容及挑战

1.3.4 RFID技术相关标准

1.4 主要研究工作

第2章 超高频射频识别技术及测试系统设计

2.1 RFID系统的组成

2.1.1 标签的结构及类型

2.1.2 读写器结构及类型

2.2 RFID系统测试技术

2.3 RFID测试标准及测试环境

2.3.1 RFID系统的测试标准

2.3.2 RFID系统的测试环境

2.4 RFID测试平台的设计与开发

2.4.1 虚拟仪器技术

2.4.2 软件定义无线电技术

2.4.3 RFID测试平台的功能设计

2.4.4 RFID测试平台的架构

2.4.5 RFID测试平台软硬件结构

2.4.6 RFID测试平台的特点

2.5 RFID测试系统平台的功能

2.5.1 RFID协议一致性测试

2.5.2 RFID产品性能测试

2.5.3 电气性能参数的测试

2.5.4 第三方监听测试

2.6 小结

第3章 无源超高频RFID系统动态性能测试

3.1 ISO/IEC 18000-6C介绍

3.1.1 前向链路的PIE编码

3.1.2 反向链路的FM0编码

3.2 无线传播预测模型

3.3 动态性能测试系统设计方案

3.4 链路预测理论分析

3.5 实验测试及结果

3.5.1 标签灵敏度测试

3.5.2 Tari对应答功率影响的测试

3.5.3 脉冲宽度对应答功率影响的测试

3.5.4 调制系数对应答功率影响的测试

3.6 小结

第4章 超高频段射频标签应用性能分析与测试

4.1 标签芯片的读灵敏度和读取距离

4.1.1 标签电路等效原理

4.1.2 功率传输系数对读取性能的影响

4.2 标签的运动速度与读取率的研究

4.2.1 理论分析

4.2.2 速度对读取性能的影响

4.2.3 标签位置对读取性能的影响

4.3 介质对读取性能的影响分析

4.3.1 金属目标对读取率的影响

4.3.2 瓶装液体对读取性能的影响

4.3.3 多种材质条件下的读取性能对比

4.4 天线的极化方向对标签性能的影响

4.4.1 理论分析

4.4.2 测试分析

4.5 小结

第5章 反向散射RFID防冲突算法性能测试

5.1 引言

5.2 RFID通信的冲突类型

5.2.1 标签冲突

5.2.2 读写器冲突

5.2.3 读写器间频率干扰

5.3 多标签防冲突算法

5.3.1 ALOHA算法

5.3.2 树形搜索防冲突算法

5.3.3 读写器防冲突算法

5.3.4 冲突算法性能比较总结

5.4 基于动态帧时隙的ALOHA的自适应Q值算法

5.4.1 标签盘存时序

5.4.2 自适应Q值算法

5.5 Q值算法性能分析及状态模型

5.5.1 马尔科夫链

5.5.2 性能模型的建立

5.5.3 模型分析

5.5.4 模型求解

5.5.5 性能参数计算

5.6 实验测试

5.7 小结

第6章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 未来工作的设想

参考文献

致 谢

附录A 测试控制平台软硬件说明

附录B 攻读学位期间发表的学术论文

附录C 攻读学位期间参与的科研课题和获奖情况