RFID射频若干问题研究

论文摘要

射频部分是影响UHF RFID系统性能的关键之一,本文以UHF RFID信号的产生、处理、发射和传输为主线,分别对它的编码-调制、射频前端、天线、信道,以及天线阵和阅读器碰撞等方面进行分析和研究。UHF RFID的非对称工作原理决定了阅读器和标签的编码-调制方式,本文通过比较第一代和第二代UHF RFID标准的信号编码-调制方式的差异,探讨两代标准发展的历程。由于编码-调制方式决定射频前端,在UHF RFID系统中,射频前端需要对Tx/Rx进行分离,其分离器可采用环形器和方向耦合器。由于这两种器件隔离度的非理想性,在接收端或多或少都会引入来自发射端的干扰,这些干扰的主要成份是阅读器本振（LO）的相位噪声,它影响了对标签微弱反射信号的检测,是主要干扰源,本文从射频前端I/Q两路信号处理入手,对其信干比进行分析,指出阅读器设计需注意的地方。MoM（Method of Moment）是计算电磁学的一种,本论文通过MoM方法,把标签和阅读器的天线表面分割成若干小面元,计算负载调制不同状态下,标签天线小面元上表面电流,从而得到标签天线表面整体感应电流,由此计算标签天线的散射场,从底层对UHF RFID的反向散射原理进行了解析。通过标签天线的MoM建模,本文讨论了标签天线的RCS（Radar Cross Section）计算和分析方法。UHF RFID主要应用于室内,本文通过射线跟踪法和统计信道理论对RFID信道进行建模。射线跟踪法可对室内传输环境精确建模,本文分析了直射、反射和衍射等多种情况下,UHF RFID的信号在室内传输的差异,并给出综合以上因素的射线跟踪法RFID信道模型。另外,本文通过建立并矢量反向散射信道模型,对UHF RFID室内信道的统计特性进行分析,该模型将UHF RFID通信信道划分为两个子信道:一是从阅读器到标签的下行信道,二是从标签到阅读器的上行信道,这两个随机子信道的串联形成了并矢量反向散射信道。并矢量反向散射信道与传统的单信道相比,存在更严重的小尺度衰落,本文引入MIMO方法处理信道的小尺度衰落问题,通过联合空间-极化分集方法减少前向和后向信道的相关性,并提出一种能大幅提升系统性能,却不需大幅提高标签成本的多天线UHF RFID方案。UHF RFID的信号在空间信道中传播,不可避免会发生碰撞。阅读器碰撞是碰撞的一种,在同一地点多台阅读器同时工作,它们的频率相互干扰,导致无法在原来的识读区域中正确识读标签,降低了阅读器识读性能。一般阅读器防碰撞方法多基于时分复用、频分复用等,本文引入一种新的空分复用阅读器防碰撞方法,该方法利用天线阵方向性增益的变化,将零陷方向对准干扰方向,以减少阅读器频率相互干扰。天线阵的方向性比一般天线的方向性大得多,而且可以调节天线阵的方向角指向和方向角宽度,为空间分集提供了基础。本文提出两种UHF RFID天线阵的实现方法:波束切换天线阵和自适应天线阵,使用退火算法（SA）和LMS算法实现了基于天线阵的自适应阅读器防碰撞方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 UHF RFID 标准的发展
• 1.2.2 RFID 的射频和天线
• 1.2.3 RFID 的碰撞与信道
• 1.3 论文的组织结构
• 第二章 UHF RFID 信号和射频前端
• 2.1 UHF RFID 空中接口的信号编码-调制方式
• 2.1.1 EPCglobal Class 0 Gen 1 标准的编码和调制方式
• 2.1.2 EPCglobal Class 1 Gen 1 标准的编码和调制方式
• 2.1.3 ISO18000-6A/B 标准的编码和调制方式
• 2.1.4 第二代UHF RFID 标准：EPCglobal Class1 Gen2 和ISO18000-6C
• 2.2 RFID 阅读器射频前端
• 2.2.1 阅读器的射频前端结构
• 2.2.2 射频前端噪声特性分析
• 2.2.3 发射/接收分离器
• 2.3 小结
• 第三章 UHF RFID 的天线
• 3.1 标签天线的RCS
• 3.2 标签天线模型
• 3.2.1 基于矩量法（MoM）的天线分析
• 3.2.2 标签天线建模
• 3.3 基于MoM 法的阅读器天线建模
• 3.3.1 阅读器天线
• 3.3.2 阅读器MoM 建模
• 3.4 小结
• 第四章 RFID 的室内信道研究
• 4.1 基于Ray Tracing 方法RFID 室内信道建模
• 4.1.1 直射传播
• 4.1.2 反射传播
• 4.1.3 衍射传播
• 4.1.4 RFID 的射线跟踪法建模
• 4.2 基于MIMO 的RFID 室内信道研究
• 4.2.1 RFID 系统的MIMO 信道
• 4.2.2 空间－极化联合分集方法
• 4.2.3 一种基于联合分集技术的新型RFID 系统
• 4.3 小结
• 第五章 阅读器碰撞与天线阵
• 5.1 阅读器碰撞问题
• 5.1.1 阅读器之间的频率干扰
• 5.1.2 阅读器碰撞的频分复用解决方法
• 5.1.3 阅读器碰撞的时分复用解决方法
• 5.2 方向性天线对阅读器碰撞的影响
• 5.2.1 天线的方向性
• 5.2.2 天线阵
• 5.3 基于固定波束形成网络的的阅读器天线阵
• 5.4 基于自适应调零天线阵的阅读器防碰撞
• 5.4.1 自适应波束形成
• 5.4.2 零陷法阅读器防碰撞
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢