無(wú)源超高頻rfid鏈路預(yù)算模型

無(wú)源超高頻rfid鏈路預(yù)算模型

1rfid系統(tǒng)傳輸特性的影響因素rfid通信（rfid）正在迅速開(kāi)發(fā)，典型的應(yīng)用如物流、動(dòng)物識(shí)別、門禁制、ic-fi卡、第二代身份等。目前,UHF頻段的無(wú)源RFID系統(tǒng)因其標(biāo)簽成本低,具有巨大市場(chǎng)和應(yīng)用潛力,其標(biāo)簽是通過(guò)閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量來(lái)給標(biāo)簽芯片供電,然后通過(guò)改變標(biāo)簽芯片負(fù)載阻抗,從而改變標(biāo)簽雷達(dá)反射截面的方式向閱讀器傳送數(shù)據(jù)。因此,可將系統(tǒng)鏈路分為閱讀器到標(biāo)簽的前向激活鏈路和標(biāo)簽到閱讀器的反向散射鏈路。RFID閱讀器空間可讀取范圍是部署RFID應(yīng)用的主要考慮因素之一,也直接關(guān)系到RFID系統(tǒng)標(biāo)簽讀取的可靠性,而這取決于對(duì)這兩種鏈路的影響因素進(jìn)行充分分析、參數(shù)測(cè)試及鏈路損耗估算。經(jīng)典的Friis公式用于RFID系統(tǒng)鏈路預(yù)算過(guò)于理想,部署實(shí)際RFID應(yīng)用時(shí),受電磁波多徑傳播的影響,讀取區(qū)域?qū)⑿纬擅c(diǎn),文獻(xiàn)首先對(duì)各自提出的RFID系統(tǒng)的小尺度多徑效應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,文獻(xiàn)接著討論了對(duì)抗識(shí)別區(qū)域內(nèi)盲點(diǎn)的方法。同時(shí),標(biāo)簽天線與不同材料的貼附物體存在電磁耦合效應(yīng),其增益方向圖及阻抗均不同于理想情況,文獻(xiàn)給出了其測(cè)試方法。然而,實(shí)際應(yīng)用中的RFID系統(tǒng)識(shí)別區(qū)域是由眾多因素共同決定的,目前文獻(xiàn)均是對(duì)單個(gè)環(huán)境影響因素進(jìn)行討論。本文正是基于以上原因,首先給出了標(biāo)簽前向激活鏈路、閱讀器單天線和收發(fā)天線分置3種情形下完整的鏈路預(yù)算模型,然后對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析,重點(diǎn)討論了小尺度多徑效應(yīng)和標(biāo)簽貼附物體材料對(duì)鏈路預(yù)算的影響,并給出了使用研發(fā)的RFID測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行該模型參數(shù)的測(cè)試過(guò)程,從而有效估算真實(shí)的識(shí)別區(qū)域。2無(wú)源uhfrfid系統(tǒng)的鏈接預(yù)算模型2.1閱讀器信號(hào)傳輸路徑lp若用Pr_tag表示耦合進(jìn)入標(biāo)簽芯片的射頻功率,則Pr_tag=Pt_readerGt_readerGr_tagλ2Xτ(4πd)2Lpθ(1)Ρr_tag=Ρt_readerGt_readerGr_tagλ2Xτ(4πd)2Lpθ(1)式中:Pt_reader、Gt_reader、Gr_tag分別表示閱讀器發(fā)送功率、閱讀器發(fā)送天線增益、標(biāo)簽接收天線增益,X表示極化匹配,τ表示功率傳輸系數(shù),d表示閱讀器標(biāo)簽間距。θ表示由于貼附不同材料的物品,致使標(biāo)簽天線增益的損耗系數(shù),Lp表示小尺度多徑導(dǎo)致的路徑損耗系數(shù)。其中,τ/θ與標(biāo)簽貼附的物體材料有關(guān),而Lp與標(biāo)簽閱讀器間電磁波傳播路徑有關(guān),將在第4、5節(jié)詳細(xì)討論。當(dāng)標(biāo)簽被閱讀器發(fā)送的電磁波激活,并接收到有效指令后,標(biāo)簽芯片將根據(jù)內(nèi)部控制邏輯及存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),更改負(fù)載,使天線在匹配和失配狀態(tài)轉(zhuǎn)換,將閱讀器發(fā)送的連續(xù)波信號(hào)散射回閱讀器接收天線。圖1給出了2種不同的閱讀器發(fā)送和接收天線布置的示意圖,其反向鏈路預(yù)算具有不同的形式,下面將分別討論。2.2前后抗沖線裝置的優(yōu)化如圖1(a)所示,閱讀器收發(fā)使用的是同一天線和一個(gè)稱為環(huán)路器的裝置隔離發(fā)送的連續(xù)載波和接收到的微弱的標(biāo)簽散射信號(hào)。目前,典型的閱讀器對(duì)標(biāo)簽返回信號(hào)的靈敏度在-80dBm左右。雖然,前向標(biāo)簽激活鏈路損耗對(duì)標(biāo)簽最大可讀寫距離起決定性作用,但隨著更加新穎的標(biāo)簽RFIC設(shè)計(jì)及RFIC工藝的提高,閱讀器靈敏度和閱讀器收發(fā)天線布置形式將逐漸成為左右最大可讀寫距離的主要因素。單一天線模式下,閱讀器接收功率表示為:Pr_reader=Pt_readerG2tr_readerG2r_tagλ4X2M(4πd)4L2pθ2(2)Ρr_reader=Ρt_readerGtr_reader2Gr_tag2λ4X2Μ(4πd)4Lp2θ2(2)式中:M表示標(biāo)簽調(diào)制因數(shù),Gtr_reader表示閱讀器單一天線的增益。2.3a情況分開(kāi)討論如圖1(b)所示,閱讀器發(fā)射、接收使用參數(shù)不同的分置天線,而且它們距標(biāo)簽距離也不相同,閱讀器發(fā)送、接收的信號(hào)經(jīng)歷了不同的傳播路徑,其損耗也不同,故將其與圖1(a)情況分開(kāi)討論。分置天線模式下,閱讀器接收功率表示為:Pr_reader=Pt_readerGr_readerGt_readerG2tr_tagλ4XfXbM(4π)4d2fd2bθ2LpfLpb(3)Ρr_reader=Ρt_readerGr_readerGt_readerGtr_tag2λ4XfXbΜ(4π)4df2db2θ2LpfLpb(3)式中:下標(biāo)f、b分別表示前向和反向鏈路,Lpf、Lpb分別表示信號(hào)經(jīng)前向和反向鏈路后的小尺多徑衰落損耗系數(shù)。3ask強(qiáng)度調(diào)制P.Nikitin給出了標(biāo)簽調(diào)制因數(shù)由標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的端口反射系數(shù)決定:M=14|Γ0?Γ1|2(4)Μ=14|Γ0-Γ1|2(4)反射系數(shù):Γ0,1=Z0,1RFIC?Z?antZ0,1RFIC+Zant(5)Γ0,1=ΖRFΙC0,1-Ζant*ΖRFΙC0,1+Ζant(5)式中:Z0,1RFICRFΙC0,1表示標(biāo)簽芯片在狀態(tài)0,1的輸入阻抗,Zant為天線的輸入阻抗,而Z*ant是其復(fù)共軛形式。M介于0和1之間,對(duì)于閱讀器而言,希望盡可能地將標(biāo)簽返回的已受各種噪聲污染的微弱信號(hào)正確解碼。AWGN信道下,閱讀器使用理想匹配濾波器時(shí),ASK調(diào)制方式的誤碼率為:BER=12erfc(|V0?V1|42√?σ)(6)BER=12erfc(|V0-V1|42?σ)(6)式中:V0,1表示標(biāo)簽響應(yīng)的2ASK信號(hào)在閱讀器天線接匹配負(fù)載情況下,輸入閱讀器天線的幅度電壓,且V=Pr_reader4Rant???????????√V=Ρr_reader4Rant,Rant為天線輻射電阻,erfc為互補(bǔ)誤差函數(shù)。標(biāo)簽芯片與天線之間的阻抗匹配時(shí),傳輸系數(shù)為1,此時(shí),芯片能從天線獲取最大能量,但由于天線受所貼附物體的電磁耦合影響,理想匹配較難實(shí)現(xiàn),一般地,功率傳輸系數(shù)表示為:τ=4Re{Zant}Re{ZRFIC}|Zant+ZRFIC|2,0≤τ≤1(7)τ=4Re{Ζant}Re{ΖRFΙC}|Ζant+ΖRFΙC|2,0≤τ≤1(7)4小尺度多徑衰落RFID系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜,由于無(wú)線電波的反射、衍射、散射傳播,標(biāo)簽通過(guò)電場(chǎng)所能獲得的能量需要針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境具體分析。基于反向散射調(diào)制機(jī)理的RFID系統(tǒng),其通信距離多在10m范圍內(nèi),無(wú)線電波的反射引起的多徑效應(yīng)常在閱讀器識(shí)別區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生盲點(diǎn),直接影響到系統(tǒng)的可靠性。分析多徑效應(yīng)的方法包括射線跟蹤方法和鏈路預(yù)算的統(tǒng)計(jì)模型方法。圖2使用射線跟蹤的平地模型,給出了頻率為915MHz,地面相對(duì)介電常數(shù)取15,發(fā)送接收天線高度均為2m時(shí),路徑損耗隨天線間隔變化的曲線,從中可以看出,由于反射波對(duì)接收信號(hào)的建設(shè)性或破環(huán)性作用,使得鏈路損耗成大幅的抖動(dòng)和總體衰落的趨勢(shì)。使用射線跟蹤方法只能針對(duì)特點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算,具有局限性。另外,可以將移動(dòng)無(wú)線電領(lǐng)域成熟的小尺度多徑衰落統(tǒng)計(jì)模型[9,10,11,12,13,14]與無(wú)源超高頻RFID系統(tǒng)特性,及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的碼率、信號(hào)帶寬、占用信道帶寬等參數(shù)綜合考慮,可以看出,小尺度衰落類型屬于慢衰落和平坦衰落,不同位置接收信號(hào)的電壓包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性服從瑞麗分布(非視距情況)和萊斯分布(視距情況)。文獻(xiàn)首先對(duì)RFID系統(tǒng)小尺度多徑衰落進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,分3個(gè)頻段對(duì)室內(nèi)讀寫器天線空間輻射場(chǎng)4000個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行了采樣,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在MSE準(zhǔn)則下進(jìn)行校正,得到的累積分布函數(shù)與Rayleigh和Rician分布的CDF函數(shù)進(jìn)行比較,得出的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了LOS傳播情況下,無(wú)源超高頻RFID系統(tǒng)天線輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)符合Rician分布。文獻(xiàn)對(duì)采用多天線改進(jìn)RFID系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,在標(biāo)簽端使用多天線進(jìn)行空間分集,采用與文獻(xiàn)類似的測(cè)試方法,對(duì)于NLOS情況5.8GHz的多天線RFID系統(tǒng),得到了一個(gè)30cm×30cm平面內(nèi),900個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)采樣,測(cè)試結(jié)果與理論分析得到的CDF函數(shù)吻合。4.1ade分布的an分布當(dāng)標(biāo)簽與閱讀器之間存在視距路徑時(shí),其接收的信號(hào)是視距信號(hào)與眾多反射、散射信號(hào)的矢量和,不同位置的接收天線所感應(yīng)的電壓幅度包絡(luò)的概率密度函數(shù)服從Rician分布。若設(shè)標(biāo)簽激活閾值功率為Pth,那么標(biāo)簽平均接收功率Pr_tag大于閾值功率的概率可以通過(guò)其CDF函數(shù)和marcumQ函數(shù)表示為:P(Pr_tag>Pth)=1?Q1(2K???√,2Pth/σ2???????√)(8)Ρ(Ρr_tag>Ρth)=1-Q1(2Κ,2Ρth/σ2)(8)式中:Q1(a,b)為1階MarcumQ函數(shù),K=Pm/σ2,Pm是視距功率,而σ2表示其他多徑的功率和?？梢?jiàn),K越大,說(shuō)明標(biāo)簽接收功率包含了越多的視距成分。4.2激活的仿真如果沒(méi)有視距路徑,即pm=0,此時(shí),標(biāo)簽天線接收的平均功率Pr_tag大于閾值功率Pth的概率表示為:P(Pr_tag>Pth)=1-e-Pth/Pr_tag(9)圖3使用式(8)和(9),給出了Rayleigh和Rician信道下,不同發(fā)送功率,當(dāng)標(biāo)簽被激活概率為90%情況時(shí),標(biāo)簽的激活距離仿真,并將其與自由空間情況下進(jìn)行了比較,其中標(biāo)簽天線增益取1。由圖3可知,自由空間情況下最大激活距離的計(jì)算結(jié)果明顯過(guò)于理想?；谌瘥惡腿R斯分布的統(tǒng)計(jì)模型更具實(shí)際意義。若要獲得與自由空間同等的激活距離,閱讀器需要發(fā)送1/Lp倍理想情況的功率。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析一般,RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛴糜谝环N或多種物體,例如ALIEN公司的ALN-9540標(biāo)簽專為標(biāo)識(shí)貨盤上的貨物而設(shè)計(jì),當(dāng)標(biāo)簽貼附在不同材料與大小的物體上時(shí),其識(shí)別率和讀寫距離將有較大差異。由于貼附材料同時(shí)影響標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)和天線增益方向圖,因此,本文將式(1)中這兩個(gè)參數(shù)作為整體測(cè)試,以τ/θ表示不同材料對(duì)標(biāo)簽前向激活鏈路的影響因子。采用研發(fā)的RFID測(cè)試平臺(tái),在理想的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,分別測(cè)量了硬紙板、松木板、盛滿水的礦泉水瓶作為貼附物情況下(貼附物參數(shù)如表1),兩種18000-6C標(biāo)簽(Alien的ALN-9540和上海坤銳)當(dāng)閱讀器發(fā)送功率為15dBm和25dBm且天線極化匹配時(shí)的最大激活距離,如表2所示,其中“—”表示無(wú)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)在微波暗室中進(jìn)行,以消除路徑損耗Lp的不確定性,且保持式(1)中其他參數(shù)為恒定值,如圖4所示。儀器采用收發(fā)天線分置的形式,逐漸增加發(fā)送天線和標(biāo)簽間距,而接收天線可以盡量靠近標(biāo)簽,以獲取標(biāo)簽返回的響應(yīng)信號(hào)。圖5給出了ISO18000-6C查詢命令和標(biāo)簽返回的RN16響應(yīng),調(diào)制方式為2ASK。當(dāng)無(wú)響應(yīng)信號(hào)時(shí),則認(rèn)為標(biāo)簽未被激活,此時(shí)即為最大激活距離,標(biāo)簽獲取功率達(dá)到閾值臨界點(diǎn)。將測(cè)量結(jié)果并與自由空間情形(此時(shí)認(rèn)為τ/θ=1)對(duì)比,求出前向鏈路的材料損耗因子τ/θ的算術(shù)平均,如表3所示。也可以通過(guò)加裝轉(zhuǎn)臺(tái),測(cè)量不同極化情況(不同X值)、方位角的損耗因子。另外,在測(cè)試過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)貼附物體尺寸大于標(biāo)簽尺寸時(shí),測(cè)試結(jié)果受物體尺寸影響較小。固定發(fā)送與接收天線,間隔40cm,將標(biāo)簽置為中點(diǎn)位置,兩測(cè)試天線高14cm,標(biāo)簽高10cm,通過(guò)不同發(fā)送功率、不同貼附材料時(shí)標(biāo)簽響應(yīng)的基帶IQ星座圖,如圖6所示,測(cè)得對(duì)應(yīng)的Pr_reader值,如圖7所示。由式(2)、(3)可知,其他參數(shù)一定,有Pr_reader正比于M/θ2。圖8給出了貼附不同材料時(shí),兩種ISO18000-6C標(biāo)簽響應(yīng)功率(Pr_reader)相對(duì)于自由空間時(shí)比值(即M/θ2)的變化曲線。而貼附礦泉水瓶時(shí),可減小距離,測(cè)得M/θ2值遠(yuǎn)小于1。6awag信道壓縮最大距離在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合,標(biāo)簽的可識(shí)別距離為min{max(d1),max(d2)}。其中,max(d1)是最大前向可激活距離,max(d2)表示標(biāo)簽返向散射信號(hào)功率一定,閱讀器一定誤碼率下所能達(dá)到的最大距離。對(duì)于特定的標(biāo)簽激活閾值功率Pth,d1由式(1)決定,而對(duì)于特定的誤碼率,式(2)、(3)與(6)決定了AWGN信道d2的最大值。而當(dāng)標(biāo)簽貼附不