密集阅读器环境下RFID系统识别性能开发探讨

　本文选自《现代电子技术》2014年第9期，版权归原作者和期刊所有。作为物联网重要应用之一的超高频（UHF）射频识别（RFID）技术被认为能作为电子条码，替代目前广泛使用的光学条形码，因而备受关注[1]。一次成功的识别要求阅读器激活无源标签，且正确解码标签的反向散射调制信号[2]。反向链路为级联的多径随机信道，标签信号微弱，极易受密集阅读器环境下同频信号的干扰。
　　Do?Yun Kim分析了阅读器空中接口的射频参数，通过公式推导和数值仿真，给出了多阅读器下识别距离的变化情况。
　　本文基于Nakagami?m信道和最大比合并算法，研究密集阅读器环境下多天线分集RFID系统的识别性能，推导识别距离的计算公式，并将符合ISO 18000?6C标准[9]射频参数的同道干扰仿真与计算式结果进行了对比验证。
　　1 密集阅读器环境分析及系统模型
　　UHF RFID系统的同信道干扰存在三种情形：
　　（1） 多个标签散射信号干扰阅读器解码；
　　（2） 其他阅读器信号干扰单个标签解码；
　　（3） 密集阅读器时彼此互相干扰。
　　情形1最常见，当阅读器同时识别多个标签时即出现，已有大量文献通过改进经典的ALOHA和树状搜索等算法解决此种干扰，并已在ISO18000?6C等主流国际标准中采用。UHF RFID系统采用无线功率传输和无源标签使得情形2几乎不会对系统识别性能产生影响，这是因为实际应用时阅读器均负责各自识别区域，标签接收的主阅读器信号功率远大于干扰阅读器的信号功率，否则根本不能被激活。情形3通常出现在超市和仓储等密集阅读器环境，主阅读器接收的标签反向散射调制信号极其微弱，其他阅读器将对主阅读器产生同频干扰，本文主要针对此情形，通过研究此种干扰对多天线RFID系统的反向识别距离（RIR）均值的影响，度量系统抗扰能力。
　　图1给出了双站天线类型的多天线分集UHF RFID系统模型[7]。
　　
　　图1 多天线分集UHF RFID系统模型（双站天线类型）
　　模型中
　　2 密集阅读器环境识别距离
　　文献[2?3]对UHF RFID系统的反向链路信噪比进行了研究，给出了阅读器接收信噪比可由式（1）计算：
　　[SNR（db，t）=βPtGtGrGtagMP20d-γfd-γbhf（t）2hb（t）2N0] （1）
　　式中：[β]表示阅读器接收与实际标签散射信号功率比值； [Pt，][Gt，][Gr]为阅读器发送功率及发送接收天线的增益；[Gtag]为标签天线增益；[M]为标签调制因子；[P0]为单位距离发送功率；[df，][db]为前向和反向链路距离；[γ]是Nakagami?m链路衰落因子，且自由空间有[γ=]2；[N0]表示加性高斯白噪声功率。[hf（t）]和[hb（t）]为时间信道参数，一般情况下，均可认为信道为平稳的，本文下述推导基于此假设。
　　假设二维平面上均匀分布着[MI]个干扰阅读器，对主阅读器产生了干扰，文献[8]给出了此时的干扰功率（[I0]）的计算式为：
　　[I0=PtβGtGrP0d-γminLDγ2-1d2max-d2mind2min-d2maxdmindmaxγ] （2）
　　式中：表示发射天线阵列权值向量，则由式（1）和（2），可得接收信号干扰噪声比（SINR）为：
　　 （3）
　　式中：[HI（k）]表示第[k]个干扰阅读器至主阅读器的信道矩阵，大小为[Mt×Mr。]
　　主阅读器识别距离即由SINR决定，下面基于Nakagami?m模型，推导其数学期望。实际应用时，人为的，主阅读器与干扰源间将不存在视距情形，可认为干扰信号经历了独立同分布的瑞丽衰落，故若令：
　　 （4）
　　式（3）中SINR的分母可写为：
　　[z=I0y+N0] （5）
　　由式（3）求得反向识别距离[db]均值的计算式为：
　　[Edb=k12γ?Ehf2hb212γ?Ez-12γ] （6）
　　其中：
　　 （7）
　　[y]服从gamma分布，且参数为（1，[MI]），即：
　　[y～Γ1，MI] （8）
　　概率密度函数（pdf）为 ：
　　[fyy=yMI-1ΓMIe-y] （9）
　　则式（3）中分母的pdf函数为：
　　[fzz=z-N0MI-1I0MIΓMIe-z-N0I0] （10）
　　故可采用数值方式求得SINR计算式中分母[z]的数学期望。若存在干扰，则其功率将远大于白噪声功率，则[z≈I0y]，则[z]的期望值解析表达式为：
　　[Ez-12γ=ΓMI-12γI012γΓMI] （11）
　　将式（1）代入式（6）得反向识别距离[db]的均值计算式为：
　　[Edb=k12γ?ΓMt+12γΓMr+12γΓMtΓMr?ΓMI-12γI012γΓMI] （12）
　　3 数值实验
　　本实验对多天线RFID系统反向识别距离均值随阵列子天线数目[Mt（Mr）、]干扰阅读器数目[MI]和链路衰落因子γ等参数的影响，进行仿真研究。仿真参数根据国家无线电管理委员会相关规定[9]和ISO18000?6C标准[10]选取，见表1。
　　表1 数值仿真参数
　　
　　主阅读器与其他干扰阅读器的分布图如图2所示，图中共[MI]个干扰阅读器，第[i]个和第[j]个阅读器至被扰阅读器有最大最小距离，其他间距取均匀分布于区间[[dmin，dmax]]的数，阅读器间链路为Nakagami?m随机多径信道。
　　
　　图2 仿真阅读器分布图
　　对第一论文网专业提供论文写作、写作论文的服务，欢迎光临比单天线系统，图3给出了不同Nakagami参数[m]值，多天线分集系统反向识别距离（RIR）随子天线数目[Mr]（假设[Mr=Mt]）变化的情况。实验表明：仿真结果与计算值保持一致；所采用子天线数目越多，所获得增益越大；且多径越严重，RIR增益越明显。特别地，当[m=]20 dB，且子天线数为5时，能获得1.33倍的RIR增益。
　　
　　图3 RIR均值增益随子天线数目变化曲线
　　瑞丽信道（[m=]0 dB）下，RIR均值随干扰阅读器数目变化的曲线如图4所示。仿真结果表明：当干扰源数量增加时，RIR均值将逐渐减小，特别地，20个干扰阅读器时，RIR均值减小至0干扰的65%；对于不同的阵列天线数目[Mr，]RIR均值减小同等比例，说明与天线数[Mr]无关，仅与干扰源数目有关，可知对于多天线RFID系统，增加阵列天线数并不能对抗多阅读器干扰。
　　
　　图4 RIR均值随干扰阅读器数目变化曲线（[m=]0 dB）
　　图5给出了[Mr=]3时，仿真值与计算值之差的变化情况。由图可知，除干扰源数[MI=]0外，该差值是随着干扰源数量的增大而减小的，这说明仿真越来越接近均匀分布的密集阅读器环境。仿真结果与理论计算值保持一致。
　　
　　图5 误差随干扰源变化情况
　　4 结 论
　　本文推导出密集阅读器干扰和Nakagami?m多径信道下，采用最大比合并算法的多天线RFID系统反向识别距离均值的计算公式。仿真和理论计算式均表明：当阅读器子天线达到5个时，就能获得较单天线时1.33倍的距离增益；当干扰阅读器达到20个时，识别距离降为65%，且在瑞利信道下，通过增加阵列天线子天线数目并不能缩小识别距离减小的幅度，其主要与干扰源数目有关。下一步的研究工作包括建立测试系统，对典型2×2的RFID系统进行实际链路性能测试。