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无源超高频射频识别系统链路性能分析与测量

作　者: 佘开
导　师: 何怡刚
学　校: 湖南大学
专　业: 电气工程
关键词: 射频识别雷达截面链路性能多天线测量传播模型
分类号: TP391.44
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

低频和高频射频识别(RFID)技术已比较成熟,由于物联网等概念的提出以及EPC Global等社会组织的大力推动,超高频RFID技术亦有愈来愈接近广泛应用的趋势,极可能替换目前广泛使用的条形码技术。相较于低频和高频RFID系统采用的变压器模型,超高频RFID系统使用雷达模型进行射频通信。超高频RFID系统要求可同时读取大量标签,且达到很高的读取率,而作为传播媒介的无线电波传播具有很强的随机性,使得如何实现系统对吞吐量及读取率的要求成为当前的研究重点。标签被成功识别要求阅读器至标签的前向链路信号功率足以激活标签,且标签反向散射调制信号可被阅读器正确解码。因此,研究超高频RFID系统通信链路,分析影响系统性能及读取可靠性的因素,并对其进行测量和建模变得尤为重要。本文介绍了超高频RFID系统在射频接口测试技术和通信链路电波传播方面的研究现状,分析了开发专用射频测试仪器和参数可调的物流领域模拟应用测试平台的需求,讨论了系统链路性能分析和建模的必要性。基于ISO18046和IS018047等RFID系统测试标准,分析了超高频RFID系统测试技术的具体内容和关键技术,并给出了RFID系统测试平台详细设计方案、采用的关键技术及协议一致性与第三方监听测试方面的测试实例。基于该测试平台,提出了UHF RFID入口应用的读取盲点和通信链路的测试方法,并对测试环境中影响电波传播的因素进行了分析,该测试方法可针对通信链路影响因素进行自动化的组合测试。超高频RFID系统通过采用无线功率传输和反向散射调制两项技术,简化了标签结构,降低了制造成本。标签射频接口的天线、整流器和调制器电路是实现这两项核心技术的重要部件,其参数直接影响系统前向激活链路和反向散射链路性能。标签雷达散射截面作为其射频接口的重要性能参数,可以刻画RFID系统前向链路的激活能力和反向链路的误码率大小。本文基于所研发的测试平台,对上述内容进行了分析,并给出了详细测试方法。针对超高频RFID系统在工作频率、带宽、通信速率及应用场景等方面的特性,本文从无线电波四种基本传播机制出发,研究了其链路特点。采用无线通信领域的小尺度和大尺度统计经验模型对通信链路进行建模,提出将特定环境下入口应用的链路测量数据拟合至对数正态模型的方法,得到了此情形下的模型参数和盲点估算方法。提出了综合考虑各种影响读取可靠性因素的完整链路预算模型,基于所开发的测试平台,给出了模型参数的测试方法,通过对一定应用场景下模型参数的测试,该模型能有效估算其标签识别范围。采用多天线分集接收和发送技术能提高超高频RFID系统抗多径衰落的能力并提高标签识别率。本文基于通用的多天线RFID系统模型,研究了其前向和反向链路的性能：提出了符合ISO18000-6C标准的多天线RFID系统信道估计方法。采用Nakagami-m分布建模多径信道,推导出了最大信噪比合并准则下,系统前向激活距离和反向识别距离的解析表达式。对多阅读器干扰和信道估计误差情形下,系统反向链路误码率和识别距离进行了研究。数值实验和实际测试结果证明了本文的推导和分析。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
插图索引  12-15
附表索引  15-16
第1章绪论  16-29
  1.1 研究背景  16-20
    1.1.1 RFID系统概述  17-18
    1.1.2 RFID技术发展现状  18-20
  1.2 选题意义  20-22
  1.3 研究现状  22-26
    1.3.1 射频接口的测试技术方面  22-24
    1.3.2 通信链路的电波传播方面  24-26
  1.4 本文内容安排  26-29
第2章 RFID测试系统开发及链路测量  29-62
  2.1 RFID测试技术  29-31
  2.2 UHF RFID相关标准概况  31-35
    2.2.1 ISO 18000-6C一致性标准  32-33
    2.2.2 ISO 18046和ISO 18047测试标准  33-35
  2.3 RFID测试系统开发  35-43
    2.3.1 测试系统采用的关键技术  36-37
    2.3.2 测试系统设计方案  37-41
    2.3.3 测试系统信号运算的实现  41-43
  2.4 测试实例  43-55
    2.4.1 测试环境及设备  44-46
    2.4.2 一致性测试  46-51
    2.4.3 监听测试  51-55
  2.5 UHF RFID入口应用的盲点与链路测量  55-61
    2.5.1 测试环境、设备及步骤  56-58
    2.5.2 测量结果及分析  58-61
  2.6 小结  61-62
第3章标签射频接口性能分析与测量  62-87
  3.1 标签射频接口  62-66
    3.1.1 天线  63
    3.1.2 解调器  63-64
    3.1.3 整流器  64-65
    3.1.4 反向散射调制器与匹配网络  65-66
  3.2 标签射频接口性能分析  66-73
    3.2.1 电压分析  67-70
    3.2.2 功率分析  70-71
    3.2.3 通信分析  71-73
  3.3 标签雷达截面分析与测试  73-86
    3.3.1 雷达反射截面  73-75
    3.3.2 标签差分雷达截面  75-77
    3.3.3 ARCS影响因素分析  77-80
    3.3.4 基于ARCS的反向链路误码率分析  80-82
    3.3.5 基于LabVIEW的ARCS测量实现  82-86
  3.4 小结  86-87
第4章无源超高频RFID系统链路预算模型  87-107
  4.1 UHF RFID电磁波传播特性  87-93
    4.1.1 电感耦合类型  87-88
    4.1.2 电磁反向散射耦合类型  88-93
  4.2 UHF RFID信道的统计模型与经验模型  93-100
    4.2.1 UHF RFID系统小尺度效应的统计模型  94-97
    4.2.2 UHF RFID系统大尺度经验模型  97-100
  4.3 基于改进的Friis公式的完整链路预算模型  100-106
    4.3.1 完整链路预算模型  100-102
    4.3.2 模型参数讨论  102-104
    4.3.3 模型参数测量  104-106
    4.3.4 实际识别范围  106
  4.4 小结  106-107
第5章多天线分集RFID系统链路分析与测量  107-122
  5.1 多天线RFID系统  107-110
    5.1.1 MIMO-RFID系统模型  108-109
    5.1.2 信道估计  109
    5.1.3 最大信噪比合并(MRC)  109-110
  5.2 前向激活距离  110-111
  5.3 反向读取距离  111-115
    5.3.1 接收信噪比  111
    5.3.2 单天线情形  111-112
    5.3.3 多天线情形  112-113
    5.3.4 反向识别距离影响因素分析  113-115
  5.4 实验研究及结果分析  115-121
    5.4.1 实验内容  115-116
    5.4.2 数值仿真结果及分析  116-120
    5.4.3 实测结果及分析  120-121
  5.5 小结  121-122
结论  122-124
参考文献  124-134
致谢  134-135
附录A 攻读学位期间发表的学术论文  135-136
附录B 攻读学位期间参与的科研课题  136

无源超高频射频识别系统链路性能分析与测量

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