RFID應用及原理 第二章 RFID系統(tǒng)概論

1、第二章：超高頻第二章：超高頻RFIDRFID系統(tǒng)概論系統(tǒng)概論2.1 RFID技術發(fā)展現(xiàn)狀技術發(fā)展現(xiàn)狀 v射頻識別技術(RFID)，從90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞達到識別目標的技術。v被世界公認為本世紀十大重要技術之一，識別過程無須人工干預，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量大、更改自如等優(yōu)點。v可用于物流，電子票證，動物或資產(chǎn)追蹤管理，供應冷鏈，高速公路智能收費等領域。 vRFID系統(tǒng)通常由讀寫器、電子標簽及應用軟件組成 。2.1 RFID技術發(fā)展現(xiàn)狀技術發(fā)展現(xiàn)狀近幾年來，隨著RFID技術的不斷發(fā)展和標準

2、的不斷完善，1、在RFID產(chǎn)業(yè)鏈方面：從芯片設計與制造、天線的設計與制造、電子標簽封裝技術與集成，到讀寫器設計與制造技術等各環(huán)節(jié)都得到很大發(fā)展。2、在RFID應用體系架構方面：系統(tǒng)集成與中間件，公共服務體系，測試技術與規(guī)范等都取得了一定的成果。3、 RFID產(chǎn)品將更加成熟、廉價和多樣化，應用領域將更加廣泛。目前，中國在低高頻和高頻段的RFID標簽芯片設計方面的技術比較成熟，設計技術接近國際先進水平，已經(jīng)自主開發(fā)出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693標準的RFID芯片，并成功地應用于交通一卡通和中國二代身份證等項目，與國際主要的差距存在于片上天線與芯片的集成上，國內

3、還沒有相應的產(chǎn)品應用。RFID廠商分布廠商分布1、RFID產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術基本還掌握在國外公司的手里， RFID芯片全球范圍內由Phillips，Siemens，ST，TI等傳統(tǒng)半導體廠商所壟斷，Phillips公司的RFID標簽累計出貨量已經(jīng)超過10億只了。 2、國內RFID 主要廠商集中于北京、長三角、廣東三地。真正有研發(fā)實力的企業(yè)不多，而且中國未來市場潛力巨大，為各類RFID廠商提供了廣闊的生存空間。 3、超高頻段RFID最早由美國Amtech公司推出，技術比較成熟，國內遠望谷、航天金卡等公司也在積極對超高頻RFID研究。 4、 2.45G微波RFID技術剛剛起步，應用范圍并不廣泛。v低

4、頻：125KHz、v高頻：13.56MHz、v超高頻：400MHz、860960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。RFID系統(tǒng)不同國家地區(qū)的頻率分配和最大發(fā)射功率有不同的規(guī)定，主要的工作頻段有：2007年4月底，工信部發(fā)布了關于發(fā)布800/900MHz頻段射頻識別(RFID)技術應用試行規(guī)定的通知。規(guī)定中國UHF RFID技術的試用頻率為840-845MHz和和920-925 MHz，發(fā)射功率見表2.1。 1、 載波頻率容限：2010-6；2、 信道帶寬及信道占用帶寬（99%能量）：250KHz；3、 信道中心頻率： fc(MHz)=840.125+N0.25和 fc(MHz)=920.

5、125+M0.25(N,M為0-19之間的整數(shù))；4、 鄰道功率泄漏比：40dB（第一鄰道），60dB（第二鄰道）；5、 工作模式為跳頻擴頻方式，每跳頻信道最大駐留時間2秒。 該頻段RFID技術無線電發(fā)射設備射頻指標：頻率范圍（MHz）發(fā)射功率（e.r.p）840-844.5920.5-924.52W840-845920-925100mW表表2.1 中國中國800/900MHz頻段頻段RFID技術發(fā)射功率技術發(fā)射功率目前國際上與RFID相關的通信標準主要有:1、 ISO/IEC 18000標準（包括7個部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860960MHz, 2.45

6、GHz等頻段），ISO11785（低頻），ISO/IEC 14443標準（13.56MHz），ISO/IEC 15693標準(13.56MHz)。2、 EPC Global 標準（包括Class0, Class1和GEN2等三種協(xié)議,涉及HF和UHF兩種頻段）,DSRC標準（歐洲ETC標準，含5.8GHz）。目前電子標簽芯片的國際標準出現(xiàn)了融合的趨勢，ISO/IEC 15693標準已經(jīng)成為ISO180003標準的一部分，EPC GEN2標準也已經(jīng)啟動向ISO180006 Part C標準的轉化。 這些標準(組織)都在積極進入中國,在國內設立代理機構,網(wǎng)羅各自的企業(yè)利益群體,都希望能夠影響到國內

7、UHF頻段的RFID標準的制訂，為日后在廣大的中國市場的競爭中，贏得標準上的先機。表表2.1 在不同載波頻段下在不同載波頻段下RFID系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較 工作頻率通信標準協(xié)議優(yōu)點缺點150KHz (低頻)ISO18000-2ISO11785標準CMOS工藝技術簡單可靠成熟，無頻率限制通信速度低，識別距離短(10cm)，天線尺寸大。13.56MHz (高頻)ISO18000-3ISO14443ISO15693與標準CMOS工藝兼容，技術可靠成熟，在交通智能卡等領域應用廣泛距離不夠遠(75cm),天線尺寸大，受金屬材料等影響大。433.92MHz 和860960MHz (超高頻)IS

8、O18000-7ISO18000-6EPC Global C0, C1,Gen2長距離定向識別，天線尺寸小，可繞射，無需可視距離，發(fā)展?jié)摿薮?。各國有不同的頻段管制，對人體有傷害，限制發(fā)射功率,受金屬和液體等材料影響較大2.455.8GHz (微波)ISO18000-4， DSRC除了UHF特性外，更高的帶寬和通信速率，更長識別距離，更小的天線尺寸。ISM頻段共享產(chǎn)品多，易受干擾，技術相對復雜，對人體有傷害，限制發(fā)射功率。2.1 RFID技術原理 1）在低頻段(100MHz以下)基于電感耦合(Inductive Coupling)； 2）在高頻段(400MHz以上)基于雷達探測目標的反向散射耦

9、(Backscatter Coupling)。如圖2.1所示。 圖圖2.1 RFID的工作原理的工作原理 圖圖2.2 RFID系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)結構圖1、RFID系統(tǒng)通常由天線、讀寫器、電子標簽及應用軟件組成。讀寫器控制射頻模塊控制天線發(fā)出射頻信號，電子標簽主動發(fā)送（有源標簽）或者憑借感應電流所獲得的能量（無源標簽）發(fā)送出芯片中的存儲信息，讀寫器解讀數(shù)據(jù)，送至應用軟件中心進行數(shù)據(jù)處理。 2、在一個RFID系統(tǒng)中，電子標簽一般占總投資的60%至70%。讀寫器和計算機系統(tǒng)的投資是一次性的，但電子標簽的數(shù)量且隨著時間的推移和應用的擴大，逐年會增加。2、電子標簽含有物品唯一標識體系的編碼，包括電子產(chǎn)品代碼

10、EPC、泛在識別號UCODE、車輛識別代碼VIN、國際證券標識號ISIN、以及IPv6等等。 3、其中，電子產(chǎn)品代碼(EPC)是全球產(chǎn)品代碼的一個分支，它包含著一系列的數(shù)據(jù)和信息，如產(chǎn)地，日期代碼和其他關鍵的供應信息。RFID系統(tǒng)系統(tǒng)讀讀 寫寫 器器讀寫器在RFID系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用：v讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻段；v讀寫器的功率直接影響射頻識別的距離。 讀寫器通常由天線、射頻模塊、讀寫模塊組成。功能：控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。閱讀器和電子標簽之間一般采用半雙工通信方

11、式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源電子標簽提供能量和時序。根據(jù)應用不同，讀寫器可以是手持式或固定式。電子標簽電子標簽v有源標簽，有電池供電，識別距離遠，但壽命有限、體積較大、成本高， 不適合在惡劣環(huán)境下工作。v無源標簽，內無電池，它利用波束供電技術將接收到的射頻能量為內部電路供電，UHF頻段無源標簽的有效識別距離可達10米，壽命長且對工作環(huán)境要求不高。 由外殼、天線、基片、集成電路、連接電路五部分組成，性能取決于標簽的天線、集成電路和封裝水平。每個標簽具有唯一的EPC編碼，附著在物體上標識目標對象，按電子標簽獲得能量的方法，一般可分為 ：電子標簽分類電子標簽分類在最新的EPC Globa

12、l Gen2標準里，根據(jù)標簽的讀寫功能的不同，可分為四種 ：Class0：僅提供唯讀(Read Only)功能，在出廠時便將一組EPC(ElectronicProduct Code)碼寫入標簽中，屬于簡單被動式電子標簽。Class1：具備可寫入一次(Write Once)的功能，標簽在出廠時并未寫入任何資料，購買的廠商可利用RFID Reader 將物品的資料寫入標簽中，屬于簡單被動式電子標簽。例如Wal-Mart 要求供應商使用在貨物上的即是此類RFID 標簽。Class2：具備可重覆讀寫(Read/Write)功能，可將物品的生產(chǎn)與流通的資料逐一寫入標簽中，此類電子標簽適合用于物品流向的追

13、蹤管制，屬于被動式電子標簽。Class3：具有重覆讀寫功能且內含額外感應器的標簽，可偵測溫度、濕度、動向等的變化，并將變化的資料記錄在RFID標簽，內置電池以增加讀取距離。（屬于半被動）Class4：具備可發(fā)出訊號主動與其他標簽溝通，內置電池不須經(jīng)由Reader。RFID未來發(fā)展趨勢v超高頻RFID 是未來RFID的發(fā)展趨勢。vRFID系統(tǒng)小型化、低成本和天線結構簡單。 v讀寫器將向多功能、多接口、多制式、并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式、智能型方向發(fā)展。 v海量的RFID信息處理、傳輸和安全隱私保護機制。vRFID系統(tǒng)集成軟件向嵌入式、智能化、可重組方向發(fā)展。v構建RFID公共服務體系，與

14、紅外感應器，激光掃描儀，GPS定位系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)，電信網(wǎng)和傳感網(wǎng)等信息技術融合成為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。超高頻超高頻RFIDv超高頻RFID市場應用場景相當廣闊。具有識別距離遠、傳送數(shù)據(jù)速度快，可靠性和壽命高、耐受戶外惡劣環(huán)境等優(yōu)點。v可用于物流，電子票證，動物或資產(chǎn)追蹤管理，供應冷鏈，高速公路智能收費等領域。 v政府在2007年發(fā)布了關于發(fā)布800/900MHz頻段射頻識別(RFID)技術應用試行規(guī)定的通知。v超高頻RFID系統(tǒng)比較復雜，國內從事核心技術開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權的企業(yè)很少，是中國RFID產(chǎn)業(yè)最薄弱環(huán)節(jié)，國內外現(xiàn)有的超高頻RFID產(chǎn)品標準不一，穩(wěn)定性和兼容性不好。 v超高頻RFID進入一個高

15、速成長期。2010 年超高頻RFID 國內市場僅為10，但5年內它將成為RFID市場的主流，占到3/4左右。 RFID系統(tǒng)中有兩種類型的通信碰撞存在。 第一種：閱讀器碰撞是指多個閱讀器同時與一個標簽通信，致使標簽無法區(qū)分閱讀器的信號，導致碰撞的發(fā)生； 第二種：電子標簽碰撞是指多個標簽同時響應閱讀器的命令而發(fā)送信息，引起信號碰撞，使閱讀器無法識別標簽； 由于閱讀器能檢測碰撞并且閱讀器之間能相互通信，所以閱讀器碰撞能很容易得到解決。因而，射頻識別系統(tǒng)中的碰撞一般是指電子標簽碰撞。RFID系統(tǒng)反碰撞問題下圖是標簽碰撞示意圖：下圖是閱讀器碰撞示意圖： 當發(fā)生碰撞的時候，閱讀器不能正確讀取電子標簽中的數(shù)

16、據(jù)，造成通信的失敗。發(fā)生失敗的標簽將會重新發(fā)送，這樣會浪費時間，增加電子標簽與閱讀器的通信量，嚴重影響RFID系統(tǒng)的效率，限制著RFID的發(fā)展。 為了解決這些問題，就需要使用防碰撞技術。防碰撞研究主要解決如何快速和準確地從多個標簽中選出一個與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換，而其他的標簽同樣可以在接下來的防碰撞循環(huán)中被選出來與閱讀器通訊。多標簽讀寫算法多標簽讀寫算法在面臨快速多個標簽同時讀寫的應用場景下，多個標簽同時響應讀寫器的請求，由此產(chǎn)生無線信道爭用，亦稱為多標簽碰撞。根據(jù)實際需要，我們通常采用以下4種多址復用模式： 1、 空分多址（SDMA） 2、 頻分多址（FDMA） 3、 碼分多址（CDMA） 4

17、、 時分多址（TDMA）在 UHF RFID 無源標簽系統(tǒng)中，采用基于TDMA，Aloha 算法和基于二進制樹搜索算法。Aloha算法又分為：純Aloha法，時隙Aloha法，動態(tài)時隙Aloha法等。 空分多址法是根據(jù)閱讀器周圍標簽的位置的不同而進行區(qū)分不同標簽完成防碰撞算法的； 空分多址法的讀寫器使用相控陣天線，使天線的波束依次對準作用范圍內不同標簽來實現(xiàn)多路存取。 該方法中天線系統(tǒng)的結構設計十分復雜且實施成本很高，所以，這種方式不利于大規(guī)模普遍性使用，僅適用于某些特定場合。1、空分多址法（SDMA）下圖是空分多址法示意圖： 頻分多址法在區(qū)分閱讀器讀取范圍內的多個標簽時，是以通信頻率的不同而

18、對標簽進行防碰撞識別的，它把若干個使用不同通信頻率的傳輸通路同時提供給通信用戶使用； 在使用頻分多址法的 RFID 系統(tǒng)中，由于不同的標簽使用的是不同的通信頻率，閱讀器接收端需要設置多個接收器。每個接收器只識別各自對應不同通信頻率的標簽。 該方法造成閱讀器的設計復雜，成本很高，因此該方法也只適用與特定的場合。2、頻分多址法（FDMA）下圖是頻分多址法示意圖：3、碼分多址法（CDMA） 碼分多址法是把若干個使用不同碼的傳輸通路同時提供給通信用戶使用的技術。 碼分多址法中存在著很多的缺點:頻帶的利用率低、通道容量小、地址碼的選取困難且捕獲所需的時間長； 碼分多址法雖然在移動通信中應用非常廣泛，但目

19、前在射頻識別系統(tǒng)中尚未得到普遍應用。 時分多址法在 RFID 系統(tǒng)防碰撞領域應用是最廣泛的，它是把整個可供使用的通路容量按時間分配給多個用戶的技術，綜合考慮射頻識別系統(tǒng)的通信形式、功耗、系統(tǒng)復雜性和成本等因素，選擇TDMA 來解決 RFID 系統(tǒng)的碰撞問題是目前較為普遍的主流方法； 時分多址法可以分為基于概率的ALOHA算法和確定的Binary算法（二進制算法）。4、時分多址法（TDMA）四、ALOHA反碰撞算法1、純ALOHA算法 主要采用標簽先發(fā)言（Tag-Talk-First）的方式，即電子標簽一旦進入閱讀器的工作范圍獲得能量后，便向閱讀器主動發(fā)送自身的序列號。 在某個電子標簽向閱讀器發(fā)

20、送數(shù)據(jù)的過程中，如果有其它電子標簽也同時向該閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，此時閱讀器接收到的信號就會產(chǎn)生重疊，導致閱讀器無法正確識別和讀取數(shù)據(jù)。 閱讀器通過檢測并判斷接收到的信號是否發(fā)生碰撞，一旦發(fā)生碰撞，閱讀器則向標簽發(fā)送指令使電子標簽停止數(shù)據(jù)的傳送，電子標簽接到閱讀器的指令后，便隨機的延遲一段時間再重新發(fā)送數(shù)據(jù)。30下圖是純ALOHA算法模型圖： 由于各個標簽等待的時間是隨機的，因此一定程度上避開了標簽數(shù)據(jù)的碰撞，閱讀器就能夠有效地在不同的時間段上分別選取不同的電子標簽進行讀操作。顯然，碰撞的次數(shù)與通信業(yè)務量有關，通信量越大，碰撞的可能性也越大。 該算法主要特點是各個標簽發(fā)射時間不需要同步，是完全隨機的

21、，實現(xiàn)起來比較簡單，當標簽不多時它可以很好的工作，缺點就是數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中碰撞發(fā)生的概率很大。 在純ALOHA算法中，假設電子標簽在t時刻向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，與閱讀器的通信時間為To，則在t+To和t-To的時間內都不能有其他標簽發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說碰撞時間為2To。算法性能分析： 通常情況下，每秒鐘發(fā)送的信息幀的數(shù)目服從泊松分布，因此t秒鐘發(fā)送n個信息幀的概率為： 其中為每秒鐘平均發(fā)送的總的信息幀數(shù)，令輸入負載G為To時間內平均交換的數(shù)據(jù)包量，則G= To，令Pe是到達的標簽能成功完成通信的概率，也即在時間2To內沒有發(fā)送信息的概率， 令吞吐率S為有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)，即To時間內與閱讀器成功完成

22、通信的標簽數(shù)量；則S=GPe;所以算法性能分析： 從上圖中可以看出當輸入負載 G 在0，0.5區(qū)間上時，隨著數(shù)據(jù)包交換量 G 的增加，吞吐率也在不斷增加，但是傳輸通路中的大部分時間是空閑的，沒有得到充分利用； 當輸入負載G=0.5時，S達到最大值，為18.4%； 當輸入負載 G 大于 0.5 時，吞吐率明顯下降，多個標簽之間的沖突立即增加。該算法 80%以上的通路容量都沒有被利用。2、Slotted ALOHA算法： 為提高RFID系統(tǒng)的吞吐率，可以把時間劃分為多段等長的時隙，時隙的長度由系統(tǒng)時鐘確定，并且規(guī)定電子標簽只能在每個時隙的開始時才能向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這就是Slotted ALOH

23、A算法； 根據(jù)上述規(guī)定可得，數(shù)據(jù)幀要么成功發(fā)送，要么完全碰撞，避免了純ALOHA算法中部分碰撞的發(fā)生，使碰撞周期變?yōu)門o； 它是純ALOHA算法的簡單改進，也屬于時分多址法，它的缺點是需要同步時鐘的控制；下圖是Slotted ALOHA 算法示意圖：算法性能分析 由于該算法中沖突時間變?yōu)門o，所以可得時隙ALOHA算法的吞吐率為： 在上式中對G求導可得：當G=1時，S取到最大值，為36.8%。 因此，通過規(guī)定電子標簽發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間，可使系統(tǒng)的吞吐率增加一倍。 該算法與純ALOHA算法一樣，當電子標簽發(fā)生碰撞后，碰撞標簽仍需要經(jīng)過隨機的時隙延遲后才分散重發(fā)，要識別閱讀器射頻工作范圍內的所有標簽

24、，閱讀器需要準備足夠的時隙，但是如此做法大大降低了系統(tǒng)的性能，增加了識別電子標簽的時延。下圖是純ALOHA算法和Slotted ALOHA 算法吞吐率對比圖：3、Frame Slotted ALOHA算法（FSA） ALOHA 的另一種改進算法是幀時隙 ALOHA 算法（FSA）。 它是在Slotted ALOHA 算法的基礎上把 N 個相同的時隙組成一幀，且在整個電子標簽識別過程中，幀的大小是固定的，幀中的每個時隙足夠一個電子標簽與閱讀器進行完通信，該算法也稱為固定幀時隙 ALOHA 算法。 該算法比較適用于傳輸信息量較大的場合，和Slotted ALOHA 算法一樣，幀時隙 ALOHA 算

25、法同樣需要一個同步開銷。FSA算法步驟如下： 首先由閱讀器把幀長度 N 發(fā)送給電子標簽，電子標簽則產(chǎn)生1，N之間的隨機數(shù)，接下來各電子標簽選擇相應的時隙，與閱讀器進行通信； 如果當前時隙與電子標簽隨機產(chǎn)生的數(shù)相同，電子標簽則響應閱讀器的命令，若不同，標簽則繼續(xù)等待。 假如當前時隙內僅有一個電子標簽響應，閱讀器就讀取該標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀取完了以后就使該標簽處于“無聲”狀態(tài)。 如果當前時隙內有多個標簽響應，則該時隙內的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)了碰撞，此時閱讀器會通知該時隙內的標簽，讓它們在下一輪幀循環(huán)中重新產(chǎn)生隨機數(shù)參與通信。 逐幀循環(huán)，直到識別出所有電子標簽為止。FSA算法性能分析： 則系統(tǒng)效率= 一幀中識別

26、出來的標簽的數(shù)目/幀長度 = 一幀結束后，成功時隙數(shù)（只有一個標簽響應的時隙數(shù)）、空閑時隙數(shù)（沒有標簽響應的時隙數(shù)）、碰撞時隙數(shù)（有兩個或兩個以上標簽響應的時隙數(shù)）的期望分別為： ;)11 ()0()11 () 1 (a,1,0,/1 ,01/1 ,nN,1nNnNnNknNnnNnNnaaNaNNPNaNnPNFSA算法性能分析： 為了使得系統(tǒng)效率最優(yōu)，讓 對n求導，使得 由上式可知：當知道n的大小時，就可以求出使系統(tǒng)效率最大時相應的幀長度值，從而動態(tài)的改變幀長度的大小。nNka,4、Dynamic FSA 算法 該算法根據(jù)上一讀寫周期中統(tǒng)計的成功識別的時隙數(shù)、發(fā)生碰撞的時隙數(shù)、空閑時隙數(shù)信息來調整下一讀寫周期的幀長度。具體調整方法有兩種。 第一種：根據(jù)統(tǒng)計信息，當