RFID复习
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一. RFID概述
1.1 RFID 定义
RFID: Raido Frequence Identification,射频识别
一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预
由电子标签(tag)、阅读器(Reader)、应用系统构成
1.2 自动识别技术比较
码、指纹准确度高,码快,“技术”速度一般,码简单
RFID: 非接触式快速识别,精确高效识别,低成本低功耗,具备一定计算和存储能力
1.3 RFID主要特点
非接触式快速识别
永久存储一定量数据
进行简单的逻辑处理
反射信号强度收距离等因素影响明显
成本低廉,可以大量部署
1.6 RFID与物联网
- 将“智能”嵌入到物理对象中
- 让物理对象能唯一地被识别
- 低成本通信
- “被动智能”,为“物-物相连”提供根本保障
二. RFID系统组件原理
2.1 RFID系统组件
硬件:阅读器(信号处理与控制、射频模块)、射频标签(天线、芯片)、网络基础设施
软件:驱动、RFID中间件、企业应用软件
2.2.1 阅读器功能
- 供能:提供能量
- 通信:阅读器~射频标签、阅读器~应用层
- 安全性保证
- 自组网:多天线管理,中间件接口,连接外设等
2.2.2 阅读器分类
按工作频率:工作频率越高,识别距离越远,数据 传输速率越高,信号衰减越厉害,对障碍物越 敏感
低频、高频:**<1m、<=27.125mhz**
超高频、特高频:**>1m、>=433mhz**
2.2.3 阅读器组成
由信号处理与控制模块和射频模块组成
信号处理与控制模块:又称基带控制模块,包含微处理器、数字信号处理芯片
射频模块:又称高频接口模块,包含发射器、接收器两个信号通道
2.2.4 射频模块
- 电感耦合型射频模块
低频、高频RFID系统通过阅读器和射频标签之间的电感耦合工作。该工作方式的射频标签一般是无源的,通过电感耦合给标签提供能量。
- 电磁反向散射耦合型射频模块
远距离超高频RFID系统利用阅读器与射频标签之间的电磁反向散耦合原理工作的,类似于雷达的工作原理。
该系统中,为了给射频标签提供工作能量,阅读器必须不断 地发送射频信号。
阅读器发送信号和标签返回信号频率相同、强度不同。为了区分,超高频的射频模块 可分为:源模块、发送模块和接受模块。
2.3.1 标签功能
射频标签的最主要功能就是能够存储一定量的数据, 并以非接触的方式将存储的数据发送给阅读器。
- 存储数据
- 能量获取
- 非接触式读写
- 安全加密、碰撞退让等
2.3.2 标签分类
- 按封装形式:
- 卡片型
- 标签型
- 植入型
- 配件型
- 按能量来源:
- 有源标签:主动、依靠自身电源
- 无源标签:依靠反射阅读器发射的载波信号来获取能量
- 半无源标签:电路板上集成电池,但作为辅助备用
- 按工作频率:
- 低频
- 高频
- 超高频
- 特高频
三. RFID无线通信原理
3.1 射频频谱与电磁信号传输
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量
将各种无线信号调制到不同频率的载波信号中传输
3.2 信号的电压与能量
变化电场可以通过电压或电流 的时间函数来描述其变化方式
$ V(t) = v_0cos(\omega t) $
能量大小用功率表示,按照正弦规律变化的电场,可以用微积分计算一个周期的电流能量, 再除以时间
$ P = IV = \frac{V^2}{R} $
$ P_{av} = \frac{v_0^2}{R} $
信号处理问题中,相对变化更值得关注。 **用分贝(dB)代替瓦特(W)**:
$ G_{dB} = 10lg\frac{P_2}{P_1} $
分贝是相对的,描述具体功率时需要加入参考功率,常用的是1毫瓦特(mW),此处分贝大小为dBm
$ dBm = 10lg(\frac{P}{1\times10^{-3}}) $
3.3 阅读器信号的调制与复用
对RFID阅读器信号的调制一般执行的是**数位调变(Digitally Modulated)**。
**通断键控(On-Off Keying, OOK)**,对“1” 保持高功率,“0”保持低功率。
脉冲间隔编码(PIE):
“1”:输出长时间的高功率跟随短暂的低功率
“0”:输出短暂高功率跟随短暂低功率
3.5 链路预算
阅读器传输能量
路径损耗
标签激活能量
路径损耗:指在传输过程中,传输器实际发送的能量和接收器实际接受到的能量之间的差异。
标签实际接受到的能量,和区域内穿过标签的天线能量密度成正比。
这个区域被称为标签天线的有效孔径
对有效孔径是$ A_e $的天线而言,接受能量密度为$𝜌$的平面波时,接受能量为:
$P_t = \rho A_e$
在各向同性天线的实例中,距离𝑟处的能 量密度是传输能量$𝑃_{𝑇𝑋}$和球面的比值。 在标签处接受到的能量$𝑃_{RX}$为:
$𝑃_{RX} = P_{TX}\frac{A_e}{4\pi r^2} $
$A_e = \frac{\lambda^2}{4\pi} \approx 86cm^2$
$𝜆$为915MHz信号对应的波长
3.6 天线增益与极化对传输范围的影响
天线增益:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度
极化:指事物在一定条件下发生两极分化,使其性质相对于原来状态有所偏离的现象
无线通信传播可分为全向传播和定向传播
3.6.2 线性极化与圆极化
- 天线的极化
天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。
电场的方向就是天线极化方向
天线架设方向必须与极化方向相同,否则不能接收信号
天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化(投影形状)
- 多径(Multipath):障碍物反射信号,使得接收端接收到多个不同延迟的信号
四. 标签识别
4.1 RFID标签识别协议
针对阅读器之间的冲突问题,存在三种典型的防冲突协议:
- 基于时分多址(TDMA):ALOHA、二进制树
- 基于频分多址(FDMA)
- 基于载波侦听多路访问(CSMA)
标签之间不能相互的通信, 所有的冲突检测都需要借助于阅读器完成。从系统的复杂度以及 成本方面考虑,TDMA可用于检测RFID标签之间的冲突。
4.1.1 ALOHA防冲突算法
基于ALOHA的防冲突算法采用了回退的机制, 标签以概率的方法参与识别过程
- 纯ALOHA
特点:简单、公平,但信道利用率仅为18.4%,性能差
- 时隙ALOHA算法
S-ALOHA算法将纯ALOHA算法的时间分为若干时隙,每个时隙大于或等于标签标识符发送的时间长度,并且每个标签只能在时隙开始时刻发送标识符。由于系统进行了时间同步,S-ALOHA协议的信道利用率达到36.8%,是纯ALOHA的两倍
- 基于帧的时隙ALOHA
在时隙ALOHA的基础上,将若干个时隙组织为一帧,阅读器按照帧为单元进行识别
优点在于逻辑简单,电路设计简单,所需内存少,且在帧内只随机发送一次能够更进一步降低冲突的概率。 FSA成为RFID系统中最常用的一种基于ALOHA的防冲突算法
4.2 基于二进制树的防冲突算法
按照递归的方式将冲突的标签集合划分为两个子集,直到集合中只剩下一个标签为止
划分子集的算法:
➢ 随机二进制树算法:让标签随机选择所属的集合
➢ 查询二进制树算法:按照标签的标示符划分子集
- 随机二进制树算法
需要每个标签维持一个计数器(初始值为 0)。在每一个间隙开始时,如果标签的计数器为0则立即发送自己的标识符号,否则该时隙不响应。一般,标签被成功识别后将进入沉默状态,对以后时隙的阅读器命令均不响应
若该时隙为冲突时隙,参与相应的标签会从0或1中随机选择一个,将其加到自己的计数器上。
整个识别过程就像对二叉树进行中序遍历
- 查询二进制树算法
无状态协议,标签只需要根据阅读器广播的标示符前缀作比较。
阅读器维持一个二进制前缀(初始值为0)。每个间隙开始时,阅读器广播该二进制前缀,标签将自己的标签标识符前几位与此二进制前缀进行比较, 若相同则该标签发送标识符号。
整个识别过程就像根据标签的表示符号建立一棵查询二叉树。
4.3 防冲突算法的性能分析
- ALOHA
优点:算法简单、标签识别性能良好、结果可进行统计性分析
缺点:标签“饿死”、最坏情况时间趋于$+∞$
- 二进制树
优点:算法简单、不需要存储中间状态变量
缺点:标签识别时延受标签ID分布及长度影响
- 本文作者: Phquathi
- 本文链接: http://phquathi.github.io/pHq-blog/2024/05/20/RFID/
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