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超高频射频识别系统测试关键问题的分析与研究

作 者: 侯周国
导 师: 何怡刚
学 校: 湖南大学
专 业: 电气工程
关键词: 射频识别 性能测试 链路模型 防冲突测试 RFID测试平台 超高频
分类号: TP391.44
类 型: 博士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


随着信息技术的发展,全球性的物联网(IOT)产业逐步形成。射频识别技术(RFID)是物联网的关键技术之一,是一种利用射频信号进行通信的非接触式自动识别技术,是继条形码技术之后最具影响力的信息识别读取技术。RFID技术是目前全球普遍关注的热点研究领域。超高频(UHF)射频识别标签具有体积小、识别快速、读写距离远、操作方便等优点,因而被各领域如不停车收费、物流管理、行包跟踪等广泛应用。但是产品的应用环境复杂,这对RFID系统工作的性能提出了更高的要求。针对RFID系统性能的研究与测试工作是RFID技术研究的热点,设计功能全面、操作简易的RFID测试系统是具有挑战性的研究课题之一由于射频识别技术的特殊性,对超高频射频识别技术的工作原理、性能及其测试理论与方法等方面进行了系统的分析。文中研究了RFID动态参数和介质因素对性能的影响、雷达散射截面、防冲突测试等关键问题,提出了系列针对超高频段的RFID产品的性能测试原理和测试方法。首先,从射频识别基本的原理开始,讨论了射频识别测试原理、相关协议以及测试硬件架构。根据RFID测试技术的现状,提出采用虚拟仪器技术和软件无线电技术(SDR),设计开发了UHF段RFID产品的测试平台。该平台具备对RFID系统的读取性能测试、空中接口一致性测试、电气性能测试以及第三方监测等功能,平台支持多协议,具有客户自定义标准测试的可扩展能力。该平台具备良好的可靠性、兼容性、稳定性,为RFID产品研发、设计和应用等提供参考依据、技术指导。其次,基于RFID技术通信原理和天线的反向散射理论,分析RFID通信参数变化对系统性能的影响,结合所研发的测试平台,提出了针对RFID产品性能的组合参数分析的测试方法。通过对ISO/IEC18000-6C协议所规定的通信参数的分析,深入讨论了Tari值、调制深度、脉冲占空比等对RFID链路功率的影响,采用组合参数测试,得出了RFID通信协议中的优化的特征参数组合。理论与测试表明:Tari值较小,占空比约为50%和较高的调制系数为参数的最优组合,此时标签天线获取功率最大,识别距离最远。再次,研究了电子标签的功率反射系数、传输系数、阻抗匹配、芯片灵敏度等对读取距离和读取率的影响,并测试多种不同材质下RFID系统的识别效果。研究测试了标签在不同运动速度、不同位置、不同贴附介质材料和天线极化情形下的RFID系统的识别性能,对标签的关键性能参数进行研究与评估。所得测试结果和分析表明,标签起点的选择,运动速度以及信号发送时机的选择,均导致一定区域内的读取性能受影响。标签与介质间的距离对系统的读取性能有增强或消弱的影响,同时金属将导致天线失谐;通用偶极子标签贴近金属和液体时,读取率很低甚至无法读取。最后,提出采用马尔科夫链模型来模拟RFID系统的防冲突性能,并量化系统的识别效率和识别速度。RFID防冲突过程的分解是一个随机过程,基于动态时隙参数的自适应Q值算法是较为通用的防冲突算法。RFID通信时序中,标签在每一帧中选择时隙满足二项分布随机过程。定义了标签数目和时隙参数Q的变化数据的组合状态(Q,n),在此基础上讨论并建立数据组合状态(Q,n)的转移过程的马尔科夫链模型,有效的模拟Q值调整过程,结合虚拟仪器技术实现对防冲突过程的效率测试。理论与测试表明:马尔科夫链模型对防冲突进行模拟结果和测试结果是吻合。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-13
插图索引  13-16
附表索引  16-17
第1章 绪论  17-32
  1.1 课题研究背景  17-18
  1.2 课题研究意义  18-21
  1.3 RFID测试技术研究发展及现状  21-30
    1.3.1 国外RFID测试研究工作现状  21-23
    1.3.2 国内RFID测试研究工作现状  23-24
    1.3.3 RFID测试的主要内容及挑战  24-27
    1.3.4 RFID技术相关标准  27-30
  1.4 主要研究工作  30-32
第2章 超高频射频识别技术及测试系统设计  32-62
  2.1 RFID系统的组成  32-36
    2.1.1 标签的结构及类型  33-35
    2.1.2 读写器结构及类型  35-36
  2.2 RFID系统测试技术  36-38
  2.3 RFID测试标准及测试环境  38-40
    2.3.1 RFID系统的测试标准  38-40
    2.3.2 RFID系统的测试环境  40
  2.4 RFID测试平台的设计与开发  40-53
    2.4.1 虚拟仪器技术  41-43
    2.4.2 软件定义无线电技术  43-45
    2.4.3 RFID测试平台的功能设计  45-46
    2.4.4 RFID测试平台的架构  46-49
    2.4.5 RFID测试平台软硬件结构  49-52
    2.4.6 RFID测试平台的特点  52-53
  2.5 RFID测试系统平台的功能  53-61
    2.5.1 RFID协议一致性测试  53-57
    2.5.2 RFID产品性能测试  57-58
    2.5.3 电气性能参数的测试  58-59
    2.5.4 第三方监听测试  59-61
  2.6 小结  61-62
第3章 无源超高频RFID系统动态性能测试  62-78
  3.1 ISO/IEC 18000-6C介绍  62-65
    3.1.1 前向链路的PIE编码  63-64
    3.1.2 反向链路的FM0编码  64-65
  3.2 无线传播预测模型  65-66
  3.3 动态性能测试系统设计方案  66-68
  3.4 链路预测理论分析  68-72
  3.5 实验测试及结果  72-76
    3.5.1 标签灵敏度测试  73-74
    3.5.2 Tari对应答功率影响的测试  74-75
    3.5.3 脉冲宽度对应答功率影响的测试  75-76
    3.5.4 调制系数对应答功率影响的测试  76
  3.6 小结  76-78
第4章 超高频段射频标签应用性能分析与测试  78-106
  4.1 标签芯片的读灵敏度和读取距离  78-87
    4.1.1 标签电路等效原理  79-81
    4.1.2 功率传输系数对读取性能的影响  81-87
  4.2 标签的运动速度与读取率的研究  87-93
    4.2.1 理论分析  87-89
    4.2.2 速度对读取性能的影响  89-90
    4.2.3 标签位置对读取性能的影响  90-93
  4.3 介质对读取性能的影响分析  93-100
    4.3.1 金属目标对读取率的影响  94-97
    4.3.2 瓶装液体对读取性能的影响  97-98
    4.3.3 多种材质条件下的读取性能对比  98-100
  4.4 天线的极化方向对标签性能的影响  100-105
    4.4.1 理论分析  101-102
    4.4.2 测试分析  102-105
  4.5 小结  105-106
第5章 反向散射RFID防冲突算法性能测试  106-128
  5.1 引言  106-107
  5.2 RFID通信的冲突类型  107-108
    5.2.1 标签冲突  107
    5.2.2 读写器冲突  107-108
    5.2.3 读写器间频率干扰  108
  5.3 多标签防冲突算法  108-113
    5.3.1 ALOHA算法  109-111
    5.3.2 树形搜索防冲突算法  111-112
    5.3.3 读写器防冲突算法  112
    5.3.4 冲突算法性能比较总结  112-113
  5.4 基于动态帧时隙的ALOHA的自适应Q值算法  113-116
    5.4.1 标签盘存时序  114-115
    5.4.2 自适应Q值算法  115-116
  5.5 Q值算法性能分析及状态模型  116-123
    5.5.1 马尔科夫链  116-117
    5.5.2 性能模型的建立  117-118
    5.5.3 模型分析  118-120
    5.5.4 模型求解  120-121
    5.5.5 性能参数计算  121-123
  5.6 实验测试  123-127
  5.7 小结  127-128
第6章 总结与展望  128-130
  6.1 本文的主要工作  128-129
  6.2 未来工作的设想  129-130
参考文献  130-140
致谢  140-141
附录A 测试控制平台软硬件说明  141-148
附录B 攻读学位期间发表的学术论文  148-149
附录C 攻读学位期间参与的科研课题和获奖情况  149

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工) > 模式识别与装置 > 光模式识别及其装置
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