CN104361244B - 一种无源超高频射频识别系统可靠性建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，包括如下步骤：根据阅读器发射功率和阅读器天线的增益及主瓣宽度等参数计算系统读取范围；计算系统链路功率衰减指数断点距离；根据阅读器及标签天线主瓣方向同轴放置时的测量值计算系统链路功率衰减模型；根据阅读器发射功率及系统链路功率衰减模型计算系统识别率。本发明解决了实际应用中采用遍历读取的方法获取系统识别率所需工作量较大的问题，给出了基于系统链路功率衰减模型的系统识别率估计方法，结合给出的系统读取范围计算方法，实现无源超高频射频识别系统的可靠性建模，精度高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于射频识别（Radio frequency identification，RFID）通信领域，涉及一种无源超高频（UHF）RFID系统可靠性建模方法，特别是涉及室内多径环境下的无源UHFRFID系统可靠性建模方法。
背景技术
无源UHF RFID系统利用雷达散射原理实现阅读器及标签间的信号传输，该技术在生产、物流及设备管理等领域已取得广泛应用。部署场景复杂的电磁环境，使得系统可靠性建模成为制约RFID技术应用及推广的重要因素，其研究工作可为RFID产品的研发及最优化快速部署提供理论指导及参考依据。
无源UHF RFID系统受阅读器天线最大发射功率、标签灵敏度及多径效应等因素制约，系统最大识别距离一般不超过10m。室内环境下墙壁、门窗、家具及其它室内设备均对系统性能产生较大影响。天线辐射电磁波在传播过程中遇到障碍物发生反射现象，使得系统链路功率衰减随阅读器天线至标签间距改变而快速变化。室内环境经验模型针对特定应用环境测量数据，并根据测量结果建立模型，所建立的模型可以广泛应用于相似的传播环境中。
现有无源UHF RFID系统可靠性建模方法采用系统最大读取距离、系统最大读取范围及系统识别率等参数中的某项作为评估指标，以实现系统可靠性建模。基于系统最大读取距离的可靠性建模方法仅考虑了标签能够被识别的最远距离，不能反映系统可靠性随阅读器及标签相对位置改变而产生的变化。基于系统最大读取范围的可靠性建模方法考虑了阅读器及标签的相对位置关系，但不能反映系统最大读取范围内的盲区对系统可靠性的影响。基于系统识别率的系统可靠性建模方法考虑了系统读取范围内的盲区，但需遍历系统内全部标签，所需工作量较大，且不能描述系统读取范围。
发明内容
为解决现有无源UHF RFID系统可靠性建模方法存在的上述技术问题，本发明提供一种工作量较小，且能描述系统读取范围的无源UHF RFID系统可靠性建模方法。
本发明的基本思想是，基于阅读器发射最大功率及阅读器天线特性参数，提出本发明之系统读取范围估计方法；基于Friis传输方程及线性回归方法，提出本发明之无源UHF RFID系统链路功率衰减建模方法，进而得到系统识别率；采用系统读取范围及识别率作为评估指标，提出本发明之无源UHF RFID系统可靠性建模方法。
一种无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，包括如下步骤：根据阅读器发射功率、阅读器天线方向图和主瓣宽度、标签灵敏度及系统工作频率计算无源超高频射频识别系统的读取范围；计算系统链路功率衰减指数断点距离；根据阅读器及标签天线主瓣方向同轴放置时的测量值计算系统链路功率衰减模型；计算无源超高频射频识别系统的识别率。
所述无源超高频射频识别系统读取范围适用于阅读器采用圆极化面天线情形。假设三维笛卡尔坐标系下，阅读器天线所在位置坐标为（x，y，z）=（0，0，0），且阅读器天线向方向辐射电磁波，xy及xz平面的阅读器天线主瓣宽度分别为，，系统最大识别距离为，则所述无源UHF RFID系统读取范围边界条件表达式为
；
其中，，，为系统读取范围椭球体半轴长，其计算表达式为
；
所述系统链路功率衰减指数断点距离的表达式为
；
其中，，，和分别为阅读器天线及标签的距地高度，为波长，下标，分别表示阅读器和标签。
所述系统链路功率衰减模型表达式为
；
其中，为阅读器天线至标签的水平间距，，为系统链路功率衰减指数，随机变量服从正态分布，即有，为的标准差，为系统链路功率衰减指数断点距离。
无源超高频射频识别系统距离阅读器天线距离为处的识别率表达式为
；
其中，为标签灵敏度，为阅读器天线发射电磁波至处的功率估计值，为误差函数。
所述阅读器天线发射电磁波至处的功率估计值表达式为
；
其中，为系统链路功率衰减模型，为阅读器发射功率。
在计算系统读取范围的同时，利用系统链路功率衰减模型估计系统识别率，得出能够完整反映系统性能的可靠性建模方法。
本发明解决了实际应用中采用遍历读取的方法获取系统识别率所需工作量较大的问题，给出了基于系统链路功率衰减模型的系统识别率估计方法，结合给出的系统读取范围计算方法，实现无源超高频射频识别系统的可靠性建模，精度高，适用范围广。
附图说明
图1为无源UHF RFID系统读取范围示意图；
图2为无源UHF RFID阅读器及标签天线第一菲涅尔区受地面阻隔示意图。
图中，TX—阅读器天线，BT—标签。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明之无源UHF RFID系统可靠性建模方法的具体工作原理如下：
假设阅读器及标签天线增益分别为，，其中，为阅读器及标签天线增益在以天线为坐标原点的球坐标系下的方向角，下标，分别表示阅读器及标签，阅读器发射功率为，标签灵敏度为，下标表示灵敏度，则由Friis传输方程可得系统最大识别距离为
（1），
目前，商用无源UHF RFID系统中，阅读器一般采用圆极化面天线，因此系统读取范围可采用椭球模型进行建模，如图1所示。假设三维笛卡尔坐标系下，阅读器天线TX所在位置坐标为（x，y，z）=（0，0，0），且阅读器天线TX向方向辐射电磁波，xy及xz平面的阅读器天线主瓣宽度分别为，，系统最大识别距离为，则无源UHF RFID系统读取范围边界条件为
（2），
其中，，，为系统读取范围椭球体半轴长，其计算表达式为
（3），
无源UHF RFID系统的读取范围即为公式（2）所示椭球面所包含的空间区域。
假设阅读器天线至标签水平间距为，阅读器天线发射电磁波至处的功率为，其下标表示阅读器，下标表示接收，，则定义系统链路功率衰减为
（4）；
其中，表示阅读器发射功率，其下标表示阅读器，下标表示发射。
根据惠更斯-菲涅尔原理，电磁波能量主要经由发射端至接收端的第一菲涅尔区传播。实际应用中，当阅读器天线TX及标签BT高度一定时，随着二者水平间距的增大，阅读器天线至标签第一菲涅尔区受地面阻隔，如图2所示。定义系统链路功率衰减指数断点距离为系统第一菲涅尔区不受地面阻隔的阅读器天线至标签最大水平间距。假设无源UHFRFID系统功率频率波长为，阅读器天线及标签距地高度分别为及，则有
（5），
其中，，及分别为阅读器天线及标签的距地高度。当时，系统第一菲涅尔区未受地面阻隔，系统链路功率衰减速率随增大的下降速率较慢；当时，系统第一菲涅尔区受地面阻隔，系统链路功率衰减速率随增大的下降速率较快，则系统链路功率衰减模型为
（6）；
其中，，为系统链路功率衰减指数，随机变量服从正态分布，记为，其中为的标准差。
，及由最小均方差准则获得。假设共有个测试点，其中第个测试点距离阅读器天线水平间距为，阅读器天线发射电磁波至处功率的测量值及估计值分别为及，则目标函数为
（7），
由可得，及。
由公式（6）可得，阅读器天线发射电磁波至处的功率估计值
（8），
则距离阅读器天线距离为处的系统识别率为
（9），
其中为误差函数，为标签灵敏度，为系统链路功率衰减模型的标准差。
本实施例在开阔室内环境进行。本实施例采用功率计测量标签接收功率。实施例中阅读器符合ISO/IEC 18000-6C标准。本实施例阅读器采用圆极化面天线，工作频率为865~870及902~908MHz，增益为8dBi，驻波比为1.18，系统工作频率为915MHz。
本实施例中，本发明无源UHF RFID系统可靠性建模方法具体步骤为：
步骤1：根据所采用阅读器天线说明书得到阅读器天线及标签增益。
步骤2：根据公式（2）计算系统读取范围。
步骤3：固定阅读器天线及标签，通过测量得到阅读器天线及标签的距地高度及；将阅读器及标签天线主瓣方向同轴正对放置。
步骤4：设置阅读器发射功率为，并发射读取指令。
步骤5：利用功率计测量阅读器天线发射电磁波至处的功率。
步骤6：以固定步进增大阅读器天线至标签水平间距，并在标签处于每一位置时重复步骤4，5，以测量变化时的值。
步骤7：根据公式（5）计算系统链路功率衰减指数断点距离。
步骤8：根据公式（8）计算阅读器天线发射电磁波至处功率值。
步骤9：根据公式（9）计算系统识别率。
Claims (5)
1.一种无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，包括如下步骤：根据阅读器发射功率、阅读器天线方向图和主瓣宽度、标签灵敏度及系统工作频率，计算无源超高频射频识别系统的读取范围；计算系统链路功率衰减指数断点距离；根据阅读器及标签天线主瓣方向同轴放置时的测量值计算系统链路功率衰减模型；计算无源超高频射频识别系统的识别率；
所述无源超高频射频识别系统的读取范围的表达式为
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其中，x，y，z为系统读取范围边界坐标，a，b，c为系统读取范围椭球体半轴长；
所述系统链路功率衰减指数断点距离的表达式为
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其中，S＝hr+ht，D＝hr-ht，hr和ht分别为阅读器天线及标签的距地高度，λ为系统工作频率波长，下标r，t分别表示阅读器及标签；
系统链路功率衰减指数断点距离dbreak为系统第一菲涅尔区不受地面阻隔的阅读器天线至标签最大水平间距。
2.根据权利要求1所述的无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，所述系统链路功率衰减模型表达式为
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其中，d为阅读器天线至标签的水平间距，n1，n2为系统链路功率衰减指数，随机变量Xσ服从正态分布，记为Xσ～N(0,σ2)，σ为Xσ的标准差，dbreak为系统链路功率衰减指数断点距离，所述系统链路功率衰减指数根据最小均方差准则获得。
3.根据权利要求2所述的无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，无源超高频射频识别系统的识别率表达式
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其中，Pt-sen为标签灵敏度，为阅读器天线发射电磁波至标签处的功率估计值，erf(*)为误差函数，σ为Xσ的标准差。
4.根据权利要求1所述的无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，所述无源超高频射频识别系统的读取范围的表达式中所涉及的参数的表达式为
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其中，dmax为系统最大读取距离，Φxy，Φxz为xy及xz平面下的阅读器天线主瓣宽度。
5.根据权利要求3所述的无源超高频射频识别系统可靠性建模方法，其特征在于，所述阅读器天线发射电磁波至标签处的功率估计值表达式为
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其中，Loss(d)为系统链路功率衰减模型，Pr-t为阅读器发射功率。
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