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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。
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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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