超高频RFID系统在工业应用密集部署中的干扰分析

1.    介绍：

　　射频识别(RFID)技术是一种自动识别技术，己经有几十年的历史了，并被广泛应用于动物识别、铁路车皮识别、自动高速公路收费、航空行李处理、资产跟踪、公共交通等[1]。MIT的Auto-ID中心提出了产品电子编码(EPC)的概念[2]，把类似于条形码编码的产品电子编码(EPC)存储在电子标签(Tag, or Transponder)中，电子标签贴在物体上，阅读器(Reader, or Interrogator)通过电磁波从读出编码，通过这种方式可以识别物体。图1是超高频射频识别系统的组成，电子标签贴在物品表面，阅读器和标签之间通过电磁波进行通信，阅读器获取的EPC编码传输到主机中，从而识别物品。当电子标签的成本很低时，可以取代条形码。 
 

　　为了减小电子标签的成本，通常基于EPC的电子标签没有电池，而是从阅读器发送的电磁波中获取能量，电子标签没有发射电路，而是采用反射入射电磁波的方式把EPC编码发送给阅读器。

　　由图1所示，射频识别系统的主要内容包括阅读器和电子标签两个部分，两者之间是在阅读器和电子标签的天线以及无线信道中建立通信的。图2是射频识别系统的工作机制，阅读器和电子标签之间通过电磁波进行通信，通信的时序大体上可以分为三个阶段:阅读器的侦听模式，阅读器到标签的通信，标签到阅读器的通信。阅读器的侦听模式是阅读器先在某个工作信道上侦听是否有其他阅读器在工作，假如没有其他阅读器占用该信道，则阅读器发送一个指令给标签，然后发送一个无调制的载波，此时标签反射这个无调制的载波，从而把信息发送给阅读器。阅读器与标签之间主要为两个通信过程:第一个通信过程是阅读器发送一个调制的载波给标签，如OOK，此时电子标签从电磁波中获取能量，并解调阅读器发射的信号，得到阅读器的指令;第二个过程是标签获得阅读器的指令以后，根据指令的内容，经过标签内阅读器状态机的转换，把标签的内容通过后向散射(Backscatter )的方式传输给阅读器，而此时阅读器发送无调制的载波用以提供标签工作需要的能量，以及标签反射需要的电磁波载体。 
 

II.    系统原型及考察目标：

　　当空间距离很近的多个reader同时工作时，tag能够以相当的能量接受到多个reader发送的信号，这时tag无法从混合的信号中得到正确的命令，就会发生Reader-to-Tag干扰。
当一个reader接受与其通信的tag的返回信号时，tag的返回信号中可能掺杂着其他reader发送的查询信号，如果其他reader发送的信号相对于tag的返回信号足够大，那么这时就会发生Reader-to-Reader干扰。

　　Reader可以工作在多个信道上，图3是CEPT标准下10个可用的信道。图4是工作在某个信道上的reader对相邻信道和其它的干扰情况。由此，我们可以得出，通过信道划分可以使多个reader同时正常工作。所以，Signal-to-Interference Ratio(SIR)的门限值不会产生Reader-to-Tag干扰或Reader-to-Reader干扰成为我们研究的重点。 
 

III.    仿真模型：

　　干扰的链路级仿真是在MATLAB/Simulink平台上进行的。在系统研究的基础上，提取每个模块的关键参数，舍弃了部分非关键因素。

　　Reader发射电路的模块包括：(1)信号源，用于产生阅读器发射所需要的编码，其关键参数是编码方式，和数据速率，产生伪随机编码:(2)升余弦滤波器，用于对发射基带信号进行波形整形，其关键参数是过采样率，延迟时间，滚降因子;(3)希尔伯特变换器，用于产生实部和虚部信号，经过调制叠加后，产生单边带信号，其关键参数是决定抑制度的阶数; (4)相位噪声，(5)调制深度

　　Reader接受电路的模块包括：(1)相干解调器，用于解调接受信号；(2)LPF，用于对解调得到的基带信号进行低通滤波，其关键参数是FIR滤波器的阶数，通带带宽，截至频率和纹波系数；(3)判决器，用于对经过LPF的信号进行高低判决；(4)Miller解码器，用于对基带信号进行Miller解码。

　　Tag发射电路的模块包括：(1)信号源，用于产生tag反向散射所需要的编码，其关键参数是编码方式，和数据速率，产生伪随机编码；(2)反向散射机制，用于选择反向散射机制，本仿真中认为发送‘1’时为全反射，发送‘0’时为全匹配。

　　Tag接收电路的模块包括：(1)包络解调器，用于对接受到的UHF信号进行包络解调，其关键参数时RC电路的冲放电时间和衰减系数；(2)LPF，于对解调得到的基带信号进行低通滤波，其关键参数是FIR滤波器的阶数，通带带宽，截至频率和纹波系数；3)判决器，用于对经过LPF的信号进行高低判决；(4)PIE解码器，用于对基带信号进行PIE解码。 
 

IV.    仿真结果及有效性分析：

　　误码率用来评价通信系统建立连接的质量，而衡量通信系统误码率性能的指标是信噪比的大小[3]。射频识别系统的误码率包括两个方面:一是阅读器发送到电子标签的信噪比，二是电子标签发送数据到阅读器的误码率。当阅读器发送到电子标签时，信噪比可以称之为载波比，是一个大信号，因此，即使通信距离达到20米，标签接收到信号的信噪比很高，足以满足电子标签检波的需要。

　　阅读器发送到电子标签的编码为PIE编码，而标签把数据返回给阅读器的编码是FMO编码和带副载波的Miller编码。由误码率理论[4]，可以推导得到在匹配滤波器解调的方式下，两种编码的误码率公式分别为:

　　由公式(1)，(2)得到，发送n bits数据的正确概率 为：

V.    场景分析：

　　利用以上仿真得到的结论，我们考虑一个具体reader部署方案的性能。 
 

　　RFID网络中共有3个reader，分别由Reader1（天线A11，A12，A13和A14），Reader2（天线A21，A22和A23）和Reader3（天线A31和A32）表示，其中红点表示天线。通过仿真软件Radio Propagation Simulation（RPS）可以得到空间中各点的信号功率大小，然后利用链路级仿真的结果，就可以得到空间中各区域的分布情况。其中棕色区域表示tag可以被可靠的读取，深蓝色区域表示tag不能被读取，浅蓝色区域表示受Reader-to-Tag干扰的影响，绿色区域表示受Reader-to-Reader干扰的影响，黄色区域表示同时受到Reader-to-Tag干扰和Reader-to-Tag干扰的影响。

　　图9是当3个reader工作在发射功率为2W，信道相同的情况下得到的区域分布图。  

　　图10是是当3个reader工作在发射功率为2W，相邻1个信道的情况下得到的区域分布图。 
 

　　图11是当3个reader工作在发射功率为2W，相邻3个信道的情况下得到的区域分布图。 
 

VI.    结论：

　　在超高频射频识别系统中，Reader-to-Reader干扰和Reader-to-Tag干扰的存在将会严重影响了RFID网络的读写性能。在允许读写器长时驻留在固定信道的规范（如ETSI）中，将读写器合理分配到各个信道能够有效消除这些干扰，在限制驻留时间的规范（如FCC, 中国）中，如何确定巧妙的调频策略，从而达到读写器之间相互干扰最小，RFID系统的覆盖范围达到最大，也将是一个值得关注的问题。