陳 江,鄒傳云,何 毅,胥 磊,趙 旋
(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010)
無芯片RFID多標(biāo)簽防碰撞研究*
陳 江,鄒傳云,何 毅,胥 磊,趙 旋
(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010)
針對無芯片 RFID多標(biāo)簽難以準(zhǔn)確識別的問題,提出一種改進型矩陣束算法(Matrix Pencil Method,MPM)解決其碰撞問題。標(biāo)簽散射場信號存在早時和后時響應(yīng),散射場信號極點在早時響應(yīng)期間處于不穩(wěn)定狀態(tài),但在后時響應(yīng)期間趨于穩(wěn)定。算法利用散射場信號這一特性,在多標(biāo)簽散射場信號中應(yīng)用改進型矩陣束算法,根據(jù)后時響應(yīng)開啟時間和極點穩(wěn)定程度的不同來區(qū)分各個標(biāo)簽。實驗中采用多個方形開槽結(jié)構(gòu)標(biāo)簽來建立模型。仿真結(jié)果表明,該算法能夠區(qū)分各個無芯片RFID標(biāo)簽,基本滿足了對多標(biāo)簽檢測準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面的要求。
無芯片 RFID;防碰撞;矩陣束算法(MPM);電子標(biāo)簽;散射場
射頻識別技術(shù)(RFID)能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間無接觸式信息傳遞,即閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)交互。目前廣泛采用無源有芯或者有源有芯電子標(biāo)簽,但其成本較高,無芯片RFID標(biāo)簽應(yīng)運而生。因目前RFID防碰撞算法主要針對有芯片標(biāo)簽[1-3],均基于閱讀器主動控制標(biāo)簽休眠,而無芯片 RFID標(biāo)簽內(nèi)無 IC芯片,只是擁有特定材質(zhì)有限大小的結(jié)構(gòu),因此大部分RFID防碰撞算法在無芯片 RFID的應(yīng)用中失效。本文利用Carl E.Baum提出的極點展開法 (the Singularity Expansion Method,SEM)[4-5]來研究標(biāo)簽散射場特性[6-8],進一步應(yīng)用改進型矩陣束算法解決多個標(biāo)簽防碰撞問題,分析算法在無芯片RFID多標(biāo)簽識別中的有效性。
1.1 散射電磁場的SEM建模
1971年 Carl E.Baum將傳統(tǒng)電路理論中用留數(shù)定理求解瞬態(tài)響應(yīng)的方法推廣到瞬態(tài)電磁場問題處理中,提出了 SEM,其理論表明電磁波照射金屬導(dǎo)體時,瞬態(tài)響應(yīng)后期可以被看成一系列衰減復(fù)指數(shù)和的形式:
其中 es(t)為后向散射的時域信號,M 為極點個數(shù),Ri是信號的留數(shù),si為信號的復(fù)極點,一般取 si=αi+jwi(αi取負數(shù),稱為阻尼因子或衰減因子;wi取正數(shù),為自然諧振角頻率)。由于散射信號是實數(shù),所以極點總是以共軛對的形式存在。
同樣,多標(biāo)簽散射場也具有相同特性,若查詢信號頻帶覆蓋了多個標(biāo)簽的自然諧振頻率,由標(biāo)簽感應(yīng)產(chǎn)生的后向散射回波信號電場 es時域表示為:
經(jīng)拉普拉斯變換至復(fù)頻域為:
式(2)和(3)中,r和 t分別表示檢測回波信號的位置和時間,M為所查詢標(biāo)簽個數(shù),em(Em)為第m個標(biāo)簽的早時響應(yīng),U(t)為單位階躍函數(shù),tm和 Nm分別為第m個標(biāo)簽的后時響應(yīng)開啟時間和極點共軛對數(shù)目,第m個標(biāo)簽的第 n個復(fù)極點和留數(shù)分別為 sm,n和 Rm,n。
在復(fù)頻域中,信號的特征通過極點和留數(shù)來表征,而極點和留數(shù)的大小只與金屬導(dǎo)體的形狀有關(guān),與激勵源無關(guān)。所以標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與極點呈現(xiàn)出一一對應(yīng)關(guān)系,標(biāo)簽的檢測與識別的關(guān)鍵技術(shù)之一是從es(t)中提取信號的極點。
1.2 改進矩陣束算法(MPM)
目前,極點提取算法有多種,比如 Prony方法、矩陣束算法[9-12]、短時矩陣束算法[13]等。實際情況中,Prony算法抗噪性能差,矩陣束算法采用內(nèi)積形式研究極點提取問題,使抗噪能力有所提高。
在多標(biāo)簽防碰撞算法中,對傳統(tǒng)矩陣束算法進行以下改進:如圖1所示,在散射場時域信號 es(r,t)中加一寬度為 Tw的虛擬窗口,窗口每次滑動 Δt,同時應(yīng)用一次矩陣束算法(MPM)計算極點和留數(shù),直到窗口內(nèi)無數(shù)據(jù)。由于早時響應(yīng)的存在,早時期間極點處于不穩(wěn)定狀態(tài),而后時響應(yīng)期間極點會保持穩(wěn)定,根據(jù)穩(wěn)定的極點識別出標(biāo)簽。
圖1 改進型矩陣束算法原理
2.1 防碰撞標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的建立
為了研究無芯片 RFID多標(biāo)簽防碰撞相關(guān)問題,利用方形開槽結(jié)構(gòu)標(biāo)簽建立仿真模型,如圖2所示(尺寸單位:mm)。槽的長度決定諧振頻率和衰減因子,標(biāo)簽 1尺寸:L=45,H=10,L1=27,L2=30,L3=33,w=0.2;標(biāo)簽 2尺寸:L=30,H=10,L1=18,L2=20,L3=24,w=0.2。
圖2 方形開槽無芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)
實驗采用電磁仿真軟件FEKO 5.5分別對標(biāo)簽1標(biāo)簽2進行仿真,得到其在50 MHz~10GHz頻域散射場信號數(shù)據(jù),采樣數(shù)據(jù)點數(shù)均為 1 024。如圖3所示,標(biāo)簽 1散射場極點分布大約在 5.2GHz、5.9GHz、6.9GHz,標(biāo)簽 2散射場極點分布大約在 3.95GHz、4.2GHz、4.7GHz。最后將標(biāo)簽 1和標(biāo)簽 2同時進行仿真,并設(shè)置兩標(biāo)簽間隔距離為2m。
圖3 無芯片RFID標(biāo)簽散射場頻域信號
2.2 無芯片RFID標(biāo)簽防碰撞的實現(xiàn)
2.2.1 改進型矩陣束算法參數(shù)選擇
利用改進型矩陣束算法提取散射場信號極點時,需要選擇合適的窗口寬度 Tw和每次滑動的寬度 Δt。窗口寬度Tw的選擇可以根據(jù)采樣點數(shù)N和時間總長T來決定,即 Tw=T/N,此處 Tw取 0.04 ns較合適。經(jīng)過多次實驗,一般 Δt≤Tw時,極點提取的效果比較理想,此處 Δt取 0.01 ns。窗口寬度Tw和滑動寬度Δt的選取直接影響到極點提取的精度,也將會影響多標(biāo)簽識別的準(zhǔn)確性。
2.2.2 無芯片RFID多標(biāo)簽的識別
標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖2所示的標(biāo)簽 1和標(biāo)簽 2的混合散射場時域信號如圖4所示,應(yīng)用改進型矩陣束算法提取其極點,獲得極點的虛部與時間的關(guān)系(即諧振頻率與時間的關(guān)系),如圖5所示。
圖4 標(biāo)簽1和標(biāo)簽2混合散射場時域信號
圖5 諧振頻率與時間關(guān)系圖
從圖5中可以看出,早時響應(yīng)期間(t<Ton1和 7 ns<t<Ton2)散射場信號極點不穩(wěn)定,后時響應(yīng)期間極點趨于穩(wěn)定,同時從諧振頻率與時間關(guān)系圖中可以獲知:標(biāo)簽1的諧振頻率為 5.2GHz、5.9GHz、6.9GHz(圖中 Ton1<t<6 ns期間);標(biāo)簽 2的諧振頻率為 3.95GHz、4.2GHz、4.7GHz(圖中 t>Ton2期間)。由此可知,根據(jù)標(biāo)簽后時響應(yīng)開啟時間 Ton的不同,標(biāo)簽可以被準(zhǔn)確區(qū)分,解決了后時響應(yīng)開啟時間不同的多標(biāo)簽防碰撞問題。
本文將矩陣束算法進行改進并應(yīng)用于無芯片RFID多標(biāo)簽防碰撞的研究中,在研究防碰撞的同時找出了標(biāo)簽的后時響應(yīng)開啟時間,根據(jù)各個標(biāo)簽散射場后時響應(yīng)開啟時間的不同,從標(biāo)簽散射場的諧振頻率和時間關(guān)系中,準(zhǔn)確地識別各個標(biāo)簽。此種方法對無芯片標(biāo)簽的識別以及多標(biāo)簽防碰撞有一定參考價值。但是此種方法有一定局限性,即針對各個標(biāo)簽距離閱讀器距離幾乎相等(后向散射開啟時間近似相同)時,標(biāo)簽將無法被準(zhǔn)確識別。
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Study on anti-collision of chipless RFID tags
Chen Jiang,Zou Chuanyun,He Yi,Xu Lei,Zhao Xuan
(Department of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)
Aiming at the problem that chipless RFID multi-tag could not identify accurately,a new improved Matrix Pencil Method(MPM)is proposed to solve the collision problem.Due to the scattered field has the early-time and the late-time response,the poles are unstable during the early-time response and tend to be stable during the late-time response.The algorithm uses this characteristic of the scattered field to solve the multi-tag anti-collision problem.In this paper,the improved MPM is applied in the mixed scattered field and the tags can be identified exactly according to the turn-on time of the late-time response.The slotted square tags are used to research the availability of anti-collision algorithm.Simulation results show that the algorithm has a fairly high accuracy in identifying the chipless RFID tags and conforms to the requirements of the accuracy and stability in multi-tag detection.
chipless RFID;anti-collision;the Matrix Pencil Method(MPM);electronic tag;scattered field
TN911.6
A
1674-7720(2015)23-0062-03
陳江,鄒傳云,何毅,等.無芯片 RFID多標(biāo)簽防碰撞研究[J].微型機與應(yīng)用,2015,34(23):62-64.
2015-08-12)
陳江(1989-),通信作者,男,碩士研究生,主要研究方向:無線通信技術(shù)。E-mail:xiangxyq@foxmail.com。
國家自然科學(xué)基金(61075030)
鄒傳云(1960-),男,博士,教授,主要研究方向:短距離寬帶無線通信技術(shù),無線光通信,超寬帶無線電技術(shù)。