多天线UHF RFID系统的性能分析

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(61300180)

多天线UHF RFID系统的性能分析*

李巨虎张海燕

(北京林业大学 信息学院, 北京 100083)

摘要：超高频(UHF)射频识别(RFID)系统的性能受到多径信道的制约,为提高UHF RFID系统的可靠性,文中针对前向信道和后向信道都为莱斯分布的UHF RFID系统,给出了最大比合并(MRC)准则下系统信噪比的概率分布,导出了系统中断概率和误码率的理论表达式,并开发了多天线UHF RFID读写器的原型机,通过数值仿真和实际测试考察接收天线数、莱斯因子对系统性能的影响.实验结果表明,多天线技术能够有效地提高UHF RFID系统的性能,并且接收天线越多,系统的中断概率和误码率越低.

关键词：多天线超高频射频识别系统;最大比合并;信噪比;中断概率;误码率

收稿日期：2014-11-05

基金项目：* 北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(TD2014-01);国家自然科学基金资助项目(61300180)

作者简介：李巨虎(1978-),男,博士,讲师,主要从事射频识别、嵌入式硬件研究.E-mail: lijuhu@bjfu.edu.cn

文章编号：1000-565X(2015)05-0022-08

中图分类号：TP79

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.05.004

多天线技术在移动通信中得到了广泛的应用,对当前单天线的射频识别(RFID)系统有很大的启发，但RFID系统与移动通信系统的差别较大,很多研究成果不能直接应用,需要重新展开研究.

对多天线RFID系统的研究主要集中在国外.文献[1]中首先提出了多天线RFID系统的概念.文献[2]对多天线RFID系统在信道编码、发送端功率分配方面做了全面的分析.文献[3]研究了多天线RFID系统中发送功率在不同发送天线上的最佳分配问题.文献[4]在RFID系统中配置了多个天线以增加通信的可靠性.文献[5]对多天线RFID系统进行了研究,发现多天线技术可显著提高RFID系统的性能.但以上研究都是从实验角度出发,通过蒙特卡洛方法进行仿真,揭示了多天线RFID系统的信道特征,没有进行理论分析.文献[6-7]从理论上分析了多天线RFID系统中瑞利信道的相关性,给出了当信道存在相关性时系统的中断概率.文献[8]从理论上研究了多天线RFID系统在Nakagami-m信道中的性能.在多天线RFID系统中,经常根据实际需要采用正交空时分组编码(OSTBC),文献[9-10]给出了多天线RFID系统采用OSTBC时系统性能的仿真分析和具体的解码方法,但没有理论分析.文献[11]给出了多天线RFID系统的前向信道和后向信道都是瑞利分布且采用OSTBC时系统的误码率表达式,由于计算过程复杂,仅给出了系统误码率近似解,没有给出精确解.文献[12-13]给出了前向信道和后向信道是莱斯分布与Nakagami-m分布且标签端采用OSTBC时RFID系统的误码率表达式,但还是近似解.国内对多天线RFID系统的研究不多,主要是仲元昌等[14]对多天线RFID读写器在多标签识别方面进行了可靠性分析,吴圭亮等[15]实现了多天线RFID纱锭定位系统.

从以上研究进展可以看出,目前有关多天线RFID系统的理论研究较多,但很复杂,不能直接应用;有关实际应用的研究较少,没有成熟的原型机和实验测试,工程价值不大.为此,文中针对前向信道和后向信道都是莱斯分布且采用最大比合并(MRC)联合接收的多天线超高频(UHF)RFID系统,给出了系统误码率和中断概率的理论表达式,并开发了多天线UHF读写器的原型机,通过理论分析和实际测试考察了接收天线数、莱斯因子对系统性能的影响.

1系统模型

无源UHF RFID系统中标签不带电池,读写器发送的电磁波遇到标签时,一部分被标签吸收用来对标签供电,另一部分被标签调制反射回读写器,读写器根据反射信号读取标签上的数据.多天线读写器利用多个接收天线,对多个接收信号进行最大比合并接收,以提高系统性能.读数据时发射天线的电磁波不携带数据,多发射天线和单发射天线区别不大,文中仅研究单发射天线的情况.

如果多天线UHF RFID系统中读写器有1个发送天线和N个接收天线,标签有1个天线,那么可以表示为1×1×N的UHF RFID系统，其结构如图1所示.

图1多天线UHF RFID系统结构图

Fig.1Structure of multi-antenna UHF RFID system

读写器读数据时,读写器天线发射未调制载波,遇到标签天线进行散射时,读写器第i个接收天线上的信号可表示为[16]

(1)

标签将电磁波反向散射到读写器接收天线,因反向散射信号功率谱远高于链路带宽,故用β表示读写器接收与散射信号功率比:

(2)

式中,φ(f)为散射信号功率谱,W为接收滤波器带宽.

根据式(1),读写器第i个接收天线上信噪比(SNR)可以表示为

(3)

(4)

(5)

对多个天线接收到的信号采用最大比合并接收,则整个系统的信噪比为

(6)

根据得到的系统信噪比,如果知道其概率密度,就可以计算系统的误码率.

2信噪比γMRC的矩生成函数

分析系统性能的常规方法是求出系统信噪比γMRC的概率分布,根据γMRC的概率分布求得系统的误码率和中断概率.这种方法物理概念清楚,计算复杂.另一种方法是计算信噪比γMRC的矩生成函数(MGF)，即MγMRC(s)=E[exp(-sγMRC)],根据矩生成函数的拉普拉斯反变换来计算系统的中断概率,根据误码率和矩生成函数的关系

来计算系统的差错率.文中采用矩生成函数的方法来分析系统的性能.

(7)

式(7)的计算比较复杂,直接积分得不到结果.文中利用贝塞尔函数的展开式[18]

(8)

则式(7)可简化为

fαβ(z)=(Kf+1)(Kb+1)e-Kf-Kb·

(9)

利用等式[18]

(10)

其中，Kv(·)为虚宗量贝塞尔函数，则式(9)化简为

(11)

得到αβ的概率密度函数后,γi的概率密度函数可以表示为

(12)

其中,

(13)

则信噪比γi的矩生成函数为

(14)

利用以下等式[18]

(15)

(16)

其中W-μ,v(·)为Whittaker函数.式(16)是无穷级数的形式,但收敛速度很快,计算20多项后残留误差就很小了.

根据Mγi(s)可以得到MγMRC(s),

(17)

3系统性能分析

系统的性能体现在读写器从标签读取数据时系统的中断概率和误码率.根据文献[19],系统的中断概率与矩生成函数的关系可表示为

(18)

联合式(16)-(18),根据文献[20-21]中计算拉普拉斯反变换的数值方法,可以得到多天线UHF读写器采用MRC接收时系统的中断概率.

当调制方式为二进制幅移键控(ASK)时,根据系统误码率与矩生成函数的关系[17],可以得到系统的误码率(BER)为

(19)

4数值仿真

根据ISO18000-6C标准,选取参数值(载波频率为840～845MHz/920～925MHz,信道带宽为250kHz,最大发射功率为1W,读写器接收与散射信号功率比β=0.88,读写器发射(接收)天线增益GT=GR=6dBi,标签天线增益GTAG=1dBi,路径损耗L=10-2,标签调制因子M=0.85),与文献[22]类似对UHF RFID系统进行数值仿真,比较接收天线数不同时系统的中断概率和误码率,仿真结果如图2、3所示.

图2　系统中断概率与接收端天线数的关系

Fig.2Relationship between outage probability of system and number of reader receiver antennas

从图2可知,在同样的信噪比下有两个接收天线的系统中断概率明显小于仅有一个接收天线的系统,接收天线数越多,这种改善趋势越明显,但改善的程度越来越小.这与理论分析结果一致,多个接收天线可以空间分集接收多径分量,但接收天线多到一定程度时对空间分集接收的影响不大.

从图3可以看出,系统误码率随着读写器接收天线数的增大而降低.如信噪比为15dBm时,接收天线数为1的系统误码率为10-1,而接收天线数为4的系统误码率为6×10-3.

图3　系统误码率与接收端天线数的关系

Fig.3Relationship between system BER and number of reader receiver antennas

5实验测试

为了更深入研究,文中实现了一款多天线UHF读写器.市场上单天线的UHF读写器较多,大多由UHF RFID专用芯片来实现,数据的基带处理和射频处理都在专用芯片中完成,无法干预.多天线UHF读写器对基带数据要分集接收,专用芯片无法完成,因此文中的多天线UHF读写器不使用专用芯片,采用FPGA来实现.该多天线读写器的整体结构如图4所示.

图4多天线UHF RFID读写器的系统结构

Fig.4System structure of multi-antenna UHF RFID reader

5.1读写器的硬件实现

多天线读写器分为基带板和射频板两部分.读写器的发射部分采用零中频结构,接收部分采用中频结构.基带板由CPU、FPGA、ADC和DAC共4个模块构成.CPU的功能是通过网络和计算机进行数据交换.FPGA的功能是对CPU发送的数据进行编码、调制、滤波输出到DAC;对ADC的数据进行相位同步,根据信噪比合并、解调、解码等.所有基带和中频处理都在FPGA中完成,FPGA相当于DSP的RAM.基带DAC的功能是把FPGA输出的I、Q信号进行模数转换,文中选用的AD9717包括两路125MSPS的14位DAC.基带ADC的功能是把射频板传送来的差分中频信号IFx_N和IFx_P进行数模转换,文中选用的AD6645是80MSPS的14位ADC.

射频板的系统结构如图5所示,发射部分采用零中频结构.基带板输出的数字基带I、Q两路信号经过ADRF6701进行上变频并叠加,最终输出RF_N和RF_P差分射频信号,再经Balun滤波器变为单端信号,最后经SPA2118功率放大输出到发送天线.天线接收射频信号,经SPA2118的功率放大后再经Balun滤波器变为RFx_N和RFx_P差分射频信号,最后经ADRF6601下变频为差分中频信号IFx_N和IFx_P输出到基带板,其中心频率为13.56MHz.

图5射频板的系统结构

Fig.5System structure of RF board

为了检测发送(接收)信号功率的强弱,在发送(接收)天线处使用ADL5501进行功率检测,ADL5501根据功率大小将信号转化为电压信号PD0、PD1和PD2,输出到基带板.

5.2读写器的软件实现

读写器的软件实现包括CPU上的软件实现和FPGA上的固件实现两部分.为了使PC更好地控制该读写器,需要在PC端开发用户界面,这里不介绍.

CPU的软件任务是完成ISO18000-6C的协议.FPGA作为CPU的外设,是最重要的部分,完成发送数据的编码、调制、滤波和输出,多路接收数据的相位调整、功率估计、联合接收、解调、解码等.根据ISO18000-6C标准,读写器和标签的空中接口如表1所示.

根据表1,FPGA固件分为发射模块和接收模块,如图6所示.发送模块实现较为简单,CPU把数据写入RAM,进行PIE编码和ASK调制,生成I和Q两路信号,通过滤波器输出到DAC.

表1　ISO18000-6C空中接口

图6　UHF读写器发送模块和接收模块的结构

Fig.6Structures of transmitter module and receiver module of multi-antenna UHF RFID reader

多天线UHF读写器最核心的是接收模块,多个接收信号的相位不同,需要进行相位调整,然后合并.本设计使用成熟的多路信号同频同相调整方法,标签和读写器都是静止的,没有多普勒频移,只进行相位调整.从图6(b)可以看出,数字中频IFx经过数字下变频,变为Bx_I和Bx_Q信号,每路下变频采用不同相位的本振信号,经过下变频后得到同相位的基带信号,然后根据功率估计进行MRC合并,输出到解调模块.另外,两路基带信号还要输入到鉴相器得到相位差,再输出到频率控制字模块,对两个数字压控振荡器的本振信号进行相位调整.

5.3实验结果与分析

为了测试多天线UHF读写器的性能,在开阔室内环境中进行实验,测试环境的实物图如图7所示(主要给出了读写器接收模块和标签).按照ISO18047-6的测试标准规定,使用谐振频率为915MHz的陶瓷天线,天线增益为2.15dBi,驻波比VSWR<1.5,收发天线相对于标签呈对称摆放,最大发送功率为30dBm.实验布置如图8所示.固定标签至发射/接收天线的距离为1m,发射功率Ps为从15dBm起以5dBm步长增至30dBm,考察接收天线数不同时系统误码率与发射功率的变化情况.UHF RFID读写器实物图如图9所示.

图7UHF RFID测试实物图

Fig.7Photo of real UHF RFID test bed

图8UHF RFID 测试平台的搭建

Fig.8UHF RFID test bed setup

实际测试的系统误码率与理论值比较如表2所示.从表中可以看出,理论值和实测值有一定的偏差,但结果保持在同一个数量级,并且变化趋势完全一致.产生偏差的原因是多方面的,如Kf、Kb、β和系统功率的估算存在误差.

图9UHF RFID读写器的实物图

Fig.9Photo of real UHF RFID reader

表2系统误码率的实际值与理论值比较

Table 2Comparison of system BER between the actual values and the theoretical values

Ps/dBmN误码率理论值实际值15129.923×10-12.530×10-35.231×10-21.992×10-320126.235×10-28.256×10-42.015×10-22.025×10-425121.384×10-21.345×10-46.231×10-34.455×10-530122.342×10-31.675×10-51.233×10-33.245×10-6

6结论

文中研究了读写器多个接收天线对RFID系统性能的影响,将UHF RFID系统建模为两个莱斯信道的级联,根据MRC接收推导出1×1×N多天线RFID系统的中断概率和误码率的表达式,并进行了数值仿真.为了深入研究,文中还实现了多天线的UHF读写器的原型机,并在原型机上进行了实际测试,结果表明：读写器的多个接收天线实现空间分集接收,可显著提升系统性能,接收天线越多,效果越好.但随着接收天线个数的增多,UHF RFID读写器的成本相应增加,体积有所增大,对多个接收天线上的信号进行相位调整、联合接收所需要的处理时间也相应增加,而且随着接收天线个数的增加,系统性能的改善越来越小,因此不能无限制地增加接收天线个数,需要在理论分析和实际实现之间进行均衡.实际系统中配备2根或4根接收天线即可.

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Performance Analysis of Multi-Antenna UHF RFID System

LiJu-huZhangHai-yan

(School of Information,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Abstract:The performances of UHF (Ultra-High Frequency) RFID (Radio Frequency Identification) systems are affected by multi-path channels. In order to improve the reliability of UHF RFID systems, this paper gives the probability distribution of SNR (Signal-to-Noise Ratio) under the MRC (Maximal Ratio Combining) combiner for the UHF RFID system with Rician distribution in both forward and backward channels, and presents the theoretical descriptions of both outage probability and bit error rate. Then, a prototype of multi-antenna UHF RFID reader is developed, and the system performance affected by receiving antenna number and Rician factor is investigated through numerical simulation and practical test. Experimental results show that multi-antenna technology improves the performance of UHF RFID systems effectively, and that the outage probability and bit error rate of UHF RFID systems both decrease as the receiving antenna number increases.

Key words: multi-antenna UHF RFID system;maximal ratio combining;signal to noise ratio;outage probability;bit error rate