基于超高频RFID识别研究

超高频RFID以其读取距离远、读取速度快、可靠性高等技术优势，在物流、交通、馆藏、电子票证等领域得到了广泛应用然而，在大规模的应用中超高频RFID不仅展现了其技术优势，也暴露了该项技术存在的缺陷。标签数据的正确收集成为了影响超高频RFID 技术进一步广泛应用的绊脚石。本文主要针对超高频RFID识别技术进行相关的研究分析。

1.1课题的研究背景与意义

射频识别技术是一种非接触自动识别技术。并且，拥有较长的使用寿命；较远的读取距离；较大的信息容量等优势。所以，射频识别技术在证券票证、安全、高速公路不停车收费、仓储、监测控制等领域得到了普遍的运用，正因超高频（Ultra-High FrequencyUHF）射频识别技术识别的距离远，标签识别能力强，对于仓管，物流，服装等行业盘点极具有高效采集，系统管理的优势

1.2 UHF RFID的系统结构

一个完整的UHF RFID 应用系统包含了三个层次：UHF RFID物理层，中间层上层服务/数据库层。UHF RFID 物理层包含了ARM，射频模块，读写器天线及标签。其中ARM 中运行了主控软件及ISO/IEC 18000-6C 协议实现部分，射频模块及读写器天线负责与标签进行通信。本文中关于读写器、天线、标签及协议的研究分析都属于UHF RFID 物理层的内容。中间层主要是根据上层应用发出的命令合理地控制UHF RFID 物理层，使其有效地完成操作。本章中提出的多天线控制算法，及后面内容所提出的大量标签无漏识别算法都是中间层所涉及的内容。下面，将主要介绍一下读写器与电子标签间的通信。

由于 UHF RFID 系统的性能主要取决于前向信道，因此，系统的最大读取距离还是取决于功率信号的传输。 然而，射频信号在空间中传播是存在由反射、散射、衍射等引起的多径效应，多径效应是系统在其读写器天线所能覆盖的范围内存在盲点的主要原因之一。因此，有效地减小多径效应的影响也是削弱或者是消除盲点减小漏读率的方法。

1.3 UHF RFID的关键性能指标

UHF RFID 系统的主要性能参数指标：读取范围（Read range）；读取（Read rate）；系统吞吐率（System Throughput）。下面将分别简单介绍一下以上的三个性能参数指标。

1.3.1读取范围

所谓读取范围，一般指的是读写器在可以可靠读取标签信息的条件下，读写器天线距离标签的最大距离，即无源 UHF RFID 系统在无线信道中的通信过程是由 UHF RFID 读写器向空间中辐射电磁波，为电子标签提供能量，电子标签获得能量后，向读写器发送信息这“发-收-发”过程。

理论上主有两要因素，一是主要受标签灵敏度影响的读取范围，标签灵敏度即标签能够上电工作所需的最小功率；二是主要受读写器灵敏度影响的读取范围，读写器灵敏度即读写器所能正确识别出标签反馈信息的最小功率。在实际应用中的读取范围取决于前向信道，即UHF RFID 读写器向标签传输电磁波功率的能力在同等条件下，具有较大输出功率的读写器会有较大的读取范围。然而，读写器的最大功率一般是有限制的，如美国在915MHz 频段时的功率上限为4W，欧洲则将功率限制在2W 以内。一般公式10DBM=0.01W，30DBM=1W

1.3.1读取率

UHF RFID 系统在实际应用中，所面临的最重要的问题之一就是对读取范围内的标签不能实现 100%读取。经常发生漏读标签的现象，这在一般的商业应中都是不允许的。因此，读取率是UHF RFID 系统的一个很重要的性能指标。尽管读取范围和读取率表现了 UHF RFID 系统不同的性能特征，但是二者又有密切的关系。

通常情况下，提高 UHF RFID 系统的读取范围，会有助于改善系统的读取成功率。因为二者都与读写器接收到的反向散射信号信噪比SNR 有关。理论上，一个标签的读取率取决于读写器接收到的信噪比 SNR；一标签的读取范围是指信噪比 SNR 衰减到一定门限时，RFID 读写器与电子标签之间的最大距离。然而，在实际应用中，在 RFID 读写器读取范围内的标签并不是全部可以被读到，即在读取范围内标签的读取率通常低于100%。

1.3.2 系统吞吐率

在理想通信环境下，数据传输速率越大，系统的吞吐率就越大，对固定数量标签所需的盘存时间越短。但是，数据传输速率还会受到系统信道带宽、信号调制机制、信噪比、信道共享机制等因素的影响。带宽是限制数据速率的主要因素，当通信的数据速率越高时，信号的频谱能量距离载波频率点远，这样就会更加靠近相邻的信道，使不同信道间的信号发生干扰，发生误码，不利于提高系统的性能。当采用较复杂的信号调制方式时，能够在同样的信道下获得更高的数据传输速率，然而，复杂的调制方式，也会使接收端正确解调出原始信号所需的信噪比增大，从而会缩短系统的读取范围。

ISO/IEC 18000-6C 协议规定了标签与读写器的数据传输速率40kbps~640kbps 之间。现在市场上的UHF RFID 系统都存在对标签的重读，有的系统的吞吐率看着数值很大，这种吞吐率没有去掉重复读取的标签，在具体应用中会出现大量冗余的数据。本文关心的是 UHF RFID 系统的净吞吐率，本文定义吞吐率的计算公式如式

吞吐率=‍

由于采用无线射频信号进行空间数据传输，所以与其它的无线通信系统一样，

影响UHF RFID 系统性能的因素很多。UHF RFID 系统性能主要的影响因素有ISO/IEC 18000-6C 协议，读写器天线与标签天线极化匹配、超高频RFID

读写器及电子标签，无线传输信道，标签附着物的干扰，标签数量等。

1.4 ISO/IEC 18000-6C 协议

ISO/IEC 18000-6C 协议起源于 2004 年 12 月 EPCglobal 批准的硬件标准——UHF Gen2 空中接口协议，即 EPCglobal Gen2ISO 组织于 2006 年通过了这一硬件标准，并且将其作为 C 类 UHF RFID 标准并入 ISO/IEC 18000-6 修订标准 ISO/IEC 18000-6C 协议包含了协议固定因素和协议可变、可选因素。协议固定因素包括通信频段范围，超高频读写器功率的限制，标签与读写器之间的通讯方式及通话机制，多标签防碰撞机制，数据校验方式等，这些协议固定因素决定了 UHF RFID 系统性能的优化极限。协议中的可变、可选因素包括了波形Tari工作频率点，调制脉宽，调制指数，协议中规定的动态Q 算法，标签通话选择等

1.5 读写器天线

天线的极化即其在给定方向上远区辐射电场的空间取向。通常情况下，指的是该天线在最大辐射方向上的电场空间取向。现实中，随着偏离天线的最大辐射方向，极化方式是有所变化的，在各异的辐射方向上其极化方式可能不一样。与其相正交的极化分量，天线是不可以获取的。对于线极化的天线，不可捕获与其极化方向相互正交的线极化波；对于圆极化天线，不可捕获与其旋转方向相反的圆极化波；对于椭圆极化天线，不可捕获与其旋转方向相反的圆极化波分量。

为了获取最大的标签读取范围，标签天线的极化方式与读写器天线的极化方式要相互匹配，一般在理论上，标签天线与读写器天线都要使用圆极化方式。然而，由于降低标签成本等因素，市场上的标签大多数是线极化的；为了确保标签能够在任意方向被读到，许多UHF RFID 读写器使用圆极化天线。

1.6 读写器

读写器是UHF RFID 系统的重要组成部分，负责识别、采集电子标签信息，且可以修改标签存储器中的信息。读写器主要包含了主控模块、射频模块、天线三个部分。通常，读写器可以设计为台式读写器和手持式读写器两种。

读写器限制因素主要包含了：读写器灵敏度；读写器天线增益；读写器天线极化方式；读写器传输功率等。针对读写器的灵敏度，即读写器所能识别标签信息所需的反向散射信号功率强度，所以该项需求功率越小越好。所需功率越小，表明标签可以距离读写器天线越远，更利于提高读写器读取范围。

在实际的无源UHF RFID 应用中，现实的读写器的灵敏度已经很高了，所以UHF RFID系统性能的决定因素还是取决于读写器向标签输送功率的能力，即取决于前向信道。所以，读写器的最大输出功率、读写器天线的增益、天线极化方式等将显得十分重要。

1.7 标签

电子标签从种类上可以分为：有源标签；半有源标签；半无源标签；无源标签。有源标签拥有内置电源，可以向读写器主动、连续发送电磁信号；半有源标签同样拥有内置电源，但是一般要通过手动开启电源开关，才能开启有源通信模式；半无源标签拥有的内置电源只为标签芯片完成逻辑运算和功能上的能量需求，半无源标签运用的是无源通信方式；无源标签内部没有电源，工作时需要的能量完全来自于读写器，其通信距离也一般低于其它三种类型的标签。本文，主要研究由无源标签组成的无源 UHF RFID 系统。标签的主要影响因素包含了：标签灵敏度；标签天线增益；标签天线极化方式；标签天线阻抗匹配；标签数量。标签灵敏度是最重要的影响因素。标签上电所需的功率越小，表明在同等条件下 UHF RFID 读写器能够识别标签的距离更远，扩大了系统的读取范围。

1.8 总结

1）本文分析了 UHF RFID 系统的三层应用架构。

2）分析了 UHF RFID 系统的三个性能参量：读写范围；读取率；系统吞吐率。依据具体的天线方向图，及自由空间电磁波损耗模型，分析了系统的读取范围。

3）分别分析了 ISO/IEC 18000-6C 协议、读写器与标签天线极化方式、读写器、标签、以及盘存算法对 UHF RFID 系统识别性能的影响。简单介绍了 ISO/IEC 18000-6C 协议。