無源超高頻射頻識別系統(tǒng)性能的分析與評估.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是指基于互聯(lián)網(wǎng)及其它在線互聯(lián)的方式實現(xiàn)全球物物相連的網(wǎng)絡(luò)。IOT利用二維碼、傳感器及電子標簽等低成本信息采集設(shè)備，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)目標物信息的實時共享。作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，射頻識別(RFID)系統(tǒng)利用射頻通信技術(shù)實現(xiàn)閱讀器及標簽間的信息傳輸，進而完成對目標物的身份識別、定位、監(jiān)控及跟蹤等功能。無源超高頻(UHF)RFID系統(tǒng)具備成本低及易于部署等特點，因而受到相關(guān)科研機構(gòu)及企業(yè)越來越廣泛的關(guān)注。為實現(xiàn)不同應(yīng)用領(lǐng)域的R

2、FID設(shè)備選型及實際應(yīng)用中的系統(tǒng)最優(yōu)化部署，高精度、低成本的RFID測試裝備成為RFID系統(tǒng)設(shè)計人員及終端用戶亟待解決的問題。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等傳統(tǒng)測試儀器不能實現(xiàn)識別區(qū)域及差分雷達散射截面等無源UHF RFID系統(tǒng)性能參數(shù)的測量?；赗FID測試技術(shù)的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，研發(fā)了一套高性能的RFID系統(tǒng)開放測試平臺;基于RFID相關(guān)理論及研究方法，分析了閱讀器及標簽天線極化失配、標簽天線互耦效應(yīng)及多徑效應(yīng)等因素對系統(tǒng)性能的影響，并利用研發(fā)的測

3、試平臺對所研究影響因素進行了測量。
　　 首先，介紹了RFID系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)標準。基于RFID測試技術(shù)的研究現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展趨勢，闡述了RFID測試儀器應(yīng)實現(xiàn)的測試功能及所需的測試環(huán)境。研發(fā)了基于軟件無線電及虛擬儀器技術(shù)的RFID系統(tǒng)開放測試平臺。平臺的射頻通信接口采用NI公司生產(chǎn)的PCI-5640R、PXI-5610及PXI-5600等板卡，實現(xiàn)與RFID設(shè)備的實時通信及相關(guān)協(xié)議棧。利用PCI-5640R板

4、載FPGA模塊的實時處理及可重構(gòu)的特點，實現(xiàn)RFID信號的發(fā)射、接收及分析功能。測試平臺具備良好的可擴展性，支持多種RFID相關(guān)標準，并可根據(jù)實際應(yīng)用需求實現(xiàn)用戶自定義的測試功能。結(jié)合基于PLC及OPC技術(shù)搭建的RFID系統(tǒng)模擬應(yīng)用環(huán)境，測試平臺可提供包括系統(tǒng)性能及一致性測試、第三方監(jiān)聽測試及應(yīng)用測試等功能的完整RFID系統(tǒng)測試解決方案。
　　 其次，基于RFID工作原理及天線散射理論，給出了自由空間下無源UHFRFID系統(tǒng)鏈路

5、預算模型，并分析了單閱讀器單標簽情形下標簽天線及負載阻抗匹配關(guān)系對系統(tǒng)性能的影響。實際應(yīng)用中，當標簽處于密集環(huán)境，即標簽間距離小于若干系統(tǒng)工作頻率波長時，標簽天線間的互耦效應(yīng)改變了標簽天線及負載的阻抗匹配關(guān)系，進而影響RFID系統(tǒng)性能。結(jié)合系統(tǒng)鏈路預算模型及二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法，導出了密集環(huán)境下基于系統(tǒng)通信鏈路參數(shù)的標簽天線間互阻抗計算表達式?；趩伍喿x器單標簽情形下的標簽芯片及負載阻抗匹配關(guān)系，利用功率傳輸系數(shù)及調(diào)制因子，分析了互耦效應(yīng)

6、對RFID系統(tǒng)性能的影響。測試了開闊室內(nèi)環(huán)境下雙標簽、標簽單平面及標簽雙平面布置情形下的閱讀器天線最小發(fā)射功率及系統(tǒng)識別率。理論分析及實驗結(jié)果表明:當標簽間距小于1.5倍系統(tǒng)工作頻率波長時，互耦效應(yīng)對系統(tǒng)性能影響較大;互耦效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響呈非單調(diào)變化，即可為增強或降低;對于雙標簽及標簽雙平面情形，閱讀器天線最小發(fā)射功率變化率范圍分別為(-7％，11.6％)及(-10％，12.5％)。
　　 再次，基于電磁波傳播理論及Frii

7、s傳輸方程，導出了無源UHR RFID系統(tǒng)路徑損耗模型。利用射線跟蹤方法，比較了自由空間及多徑環(huán)境下的系統(tǒng)路徑損耗;仿真結(jié)果表明，相比自由空間情形，多徑環(huán)境下系統(tǒng)路徑損耗下降速度較快。結(jié)合電磁波傳播的菲涅爾區(qū)理論，分析了菲涅爾余隙及閱讀器天線至標簽間距兩因變量條件下，閱讀器天線至標簽電磁波傳播第一菲涅爾區(qū)受阻隔對系統(tǒng)路徑損耗的影響?；诰€性回歸方法及最小均方誤差準則，提出了雙斜率對數(shù)距離路徑損耗模型。在開闊室內(nèi)環(huán)境下，測試了菲涅爾余隙及

8、閱讀器天線至標簽間距變化時的系統(tǒng)路徑損耗。理論分析及測試結(jié)果表明:菲涅爾余隙大于1.5倍第一菲涅爾區(qū)半徑時，刃形障礙物對系統(tǒng)路徑損耗影響較小;相比傳統(tǒng)對數(shù)距離路徑損耗模型，雙斜率模型標準差減小10％。
　　 最后，介紹了最大識別距離及識別區(qū)域等系統(tǒng)性能指標，給出了實際應(yīng)用中無源UHF RFID系統(tǒng)完整的傳播鏈路模型。結(jié)合自由空間下系統(tǒng)鏈路預算模型及部署環(huán)境影響因素，提出了基于目標區(qū)域識別率的RFID系統(tǒng)性能評估方法。為解決單天線