超高頻RFID多天線識別系統(tǒng)研究與分析

李占彬

摘要：超高頻RFID單天線閱讀器在識別多標(biāo)簽的可靠性能差，識別區(qū)域存在盲點，標(biāo)簽不能被完全被識別識別。本文采用多天線識別模式，將與讀寫器相連的多個天線合理的部署在識別區(qū)域不同位置，以空間多樣性的方法較少識別盲區(qū)，提高RFID識別系統(tǒng)對標(biāo)簽識別的可靠性，并且建立了多天線布局模型，引入了多天線控制方案，并對識別系統(tǒng)的可靠性能進(jìn)行了評估。仿真結(jié)果分析表明：超高頻RFID識別系統(tǒng)的多天線工作模式對提高多標(biāo)簽識別的可靠性效果明顯。

關(guān)鍵詞：射頻識別（RFID）；多天線；多標(biāo)簽；可靠性系數(shù)；超高頻（UHF）

1概述

射頻識別技術(shù)是一種低功耗的短程無限通信技術(shù)，全稱是”Radio Frequency Identification（RFID）”。RFID識別系統(tǒng)至少包括兩個組成部分：射頻標(biāo)簽（Tag）和讀寫器（Reader/Writer或Interrogator）。射頻標(biāo)簽保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際的應(yīng)用中，電子標(biāo)簽被粘附在待識別的物體的表面。讀寫器可無接觸地讀取射頻標(biāo)簽中保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到識別物體信息的目的。進(jìn)一步結(jié)合計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對物體信息的采集、處理以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙芸毓δ?。工作頻率為超高頻的RFID識別系統(tǒng)以其標(biāo)簽識別能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率快的優(yōu)點應(yīng)用在生產(chǎn)線的自動化管理與倉儲管理等很多領(lǐng)域。

在大型超市倉儲管理應(yīng)用中，由于物品的包裝材料多樣性與物品數(shù)量的不確定，會出現(xiàn)有一些附著在物品包裝中的標(biāo)簽未被識別到的情況，即信號覆蓋范圍內(nèi)存在識別盲區(qū)的問題，這種現(xiàn)象的發(fā)生嚴(yán)重影響了RFID識別系統(tǒng)在倉儲管理應(yīng)用中的推廣。為了提高RFID識別系統(tǒng)的標(biāo)簽讀取率和識別可靠性，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，其中包括很多關(guān)于多讀寫器天線識別系統(tǒng)的應(yīng)用研究，通過在不同空間位置合理部署與讀寫器相連的多個天線，使每個天線的覆蓋區(qū)域互補(bǔ)，減少了RFID識別系統(tǒng)的讀寫盲區(qū)。本文從多天線的空間部署及多天線的優(yōu)化控制算法兩方面對重慶大學(xué)陳輝等提出的多天線方案進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高了RFID識別系統(tǒng)的標(biāo)簽讀取率與識別可靠性。

2RFID多天線識別系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.1天線部署位置分析

陳輝等研究人員建議的多天線布局如圖1所示。

將與讀寫器相連的四個天線分別部署在識別區(qū)域的上、下、左、右四個方位，天線啟動的順序為ANT1、ANT2、ANT3、ANT4。與讀寫器相連的四個天線的覆蓋范圍互補(bǔ)，減少了讀寫區(qū)域的識別盲區(qū)。不過在實際應(yīng)用中，RFID識別系統(tǒng)部署在通道中，下方的讀寫器天線部署困難，而如果去掉識別區(qū)域下方的天線，則會縮小系統(tǒng)對識別盲區(qū)的覆蓋效果。本文考慮到RFID識別系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，識別區(qū)域中的標(biāo)簽朝向是不確定的，將讀寫器天線部署在左上、左下、右上、右下四個方位的布局與讀寫器天線分布在上、下、左、右四個方位的布局效果是等價的，同時解決了實際應(yīng)用中讀寫器天線部署困難的問題。改進(jìn)后的多天線布局如圖2所示。

讀寫器天線與標(biāo)簽天線的相對位置對系統(tǒng)識別區(qū)域內(nèi)的盲點分布起著重要作用，在上圖的多天線布局方案中，ANTI天線的覆蓋區(qū)域內(nèi)的識別盲點不一定是其他三個讀寫器天線的盲點。因此可以說在系統(tǒng)識別區(qū)域周圍不同位置部署多個讀寫器天線，使得不同天線之間形成互補(bǔ)，這種讀寫器天線空間多樣性的方案可以有效地去除識別區(qū)域內(nèi)的盲點。

減少RFID識別系統(tǒng)盲點的方法很多，與頻率多樣性等其他方法相比，利用空間多樣性的方法可以達(dá)到更好的去除盲點的效果，因為在超高頻RFID工作頻段，不同頻率對應(yīng)的電磁波的波長差別不大，最終引起的盲點分布基本相同，消除盲點的效果不會很明顯。

2.2多天線控制算法分析

RFID識別系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，一般要求識別系統(tǒng)既能夠無遺漏地對識別區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行識別，又會要求盡快地完成整個識別過程。在多天線識別系統(tǒng)中，每個天線的識別過程所用的時間為一個基本天線盤存周期。在以識別系統(tǒng)允許的最大標(biāo)簽數(shù)量對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試時，識別系統(tǒng)能夠滿足對無標(biāo)簽漏讀的要求，不過對于實際應(yīng)用中的很多時候，需要識別的標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)允許的最大標(biāo)簽數(shù)量，此時就會出現(xiàn)一種情況，第一個天線的基本盤存過程結(jié)束就已經(jīng)將識別區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽識別完成了，那么其余三個天線的盤存過程耗費的時間就是沒有必要的，造成了系統(tǒng)資源的浪費，本文針對這種情況對多天線的控制方式進(jìn)行改進(jìn)，以此提高識別系統(tǒng)的效率。

多天線控制算法的關(guān)鍵點在于確定天線的開啟順序。由于在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)識別區(qū)域中的標(biāo)簽朝向是不確定的，所以第一個啟動的天線可以隨機(jī)，本文設(shè)定ANTI為首先開啟的天線。確定第二個開啟的天線是難點，本文從讀寫器天線與標(biāo)簽天線的相對位置的分析來確定第二個開啟的天線。電子科技大學(xué)的李鵬等人對單個讀寫器天線與標(biāo)簽天線相對位置對識別率的影響進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明了在相對位置由平行到垂直的過程中，標(biāo)簽識別率逐漸下降，標(biāo)簽平面平行于讀寫器天線平面時識別率最高，而標(biāo)簽平面垂直于讀寫器天線平面時識別率最低。據(jù)此可以確定ANT2或ANT3天線作為第二個開啟的天線最為合適，因為與ANT1天線平面垂直的標(biāo)簽相對于ANT2和ANT3天線是平行的，保證了與ANT1天線垂直的標(biāo)簽?zāi)茉诘诙€天線的盤存過程中獲得較高的讀取率，本文設(shè)定ANT2天線作為第二個開啟的天線。第三個與第四個天線開啟的順序參考對第二個天線開啟順序的確定過程，最后，本文確定的四個天線的開啟順序為ANT1、ANT2、ANT3、ANT4。在每個讀寫器天線的基本盤存周期結(jié)束時，將此讀寫器天線盤存過程結(jié)束后系統(tǒng)所識別的標(biāo)簽集合與該天線盤存之前系統(tǒng)識別的標(biāo)簽集合進(jìn)行比較，如果有新的標(biāo)簽被識別，則說明可能還存在標(biāo)簽被識別系統(tǒng)漏讀了，為了降低系統(tǒng)存在未被識別標(biāo)簽的可能性，需要繼續(xù)開啟下一個讀寫器天線進(jìn)行對標(biāo)簽的識讀；如果該讀寫器天線盤存周期結(jié)束后，沒有新的標(biāo)簽被識別，將這種沒有新標(biāo)簽加入的情況作為系統(tǒng)整個識別過程的結(jié)束點。將系統(tǒng)盤存結(jié)束時前后識別標(biāo)簽的集合進(jìn)行比較，它們的交集所含標(biāo)簽數(shù)量越大，表明識別系統(tǒng)漏讀的可能性越低。多天線控制算法的流程圖如圖3所示。流程圖中A標(biāo)示的變量表示的是單個讀寫器天線識別的標(biāo)簽集合。

多天線控制算法對天線開啟順序的確定是在標(biāo)簽朝向隨機(jī)的理想模型上確定的，而在實際應(yīng)用中，標(biāo)簽的朝向可能向某個方向或某幾個方向集中，所以在實際應(yīng)用中統(tǒng)計標(biāo)簽的朝向規(guī)律并據(jù)此確定天線開啟順序也是提高識別系統(tǒng)效率的重要方面。本文建議在實際應(yīng)用中對每一個天線進(jìn)行權(quán)重的分配，初始的權(quán)重為0，在識別系統(tǒng)完成對標(biāo)簽的盤存后，比較開啟的天線所識別的標(biāo)簽數(shù)量，對識別標(biāo)簽數(shù)量最大的讀寫器天線權(quán)重進(jìn)行加1，在識別系統(tǒng)下次盤存過程初始化讀寫器天線開啟順序時，以讀寫器天線的權(quán)重大小來確定開啟順序，如果權(quán)重相同，則按照理想模型進(jìn)行確定。

3超高頻RFID多天線識別系統(tǒng)性能分析

3.1RFID識別系統(tǒng)可靠性評估參數(shù)

RFID識別系統(tǒng)的多天線布局在對多標(biāo)簽進(jìn)行識別時，可以減少標(biāo)簽的漏讀現(xiàn)象，提高了RFID識別系統(tǒng)對多標(biāo)簽識別的可靠性，并且可以在多天線識別系統(tǒng)盤存過程中出現(xiàn)的參數(shù)中選擇出可以表明識別系統(tǒng)可靠性的參數(shù)，本文將這個參數(shù)定義為系統(tǒng)可靠性系數(shù)。

定義1：系統(tǒng)可靠性系數(shù)μ為系統(tǒng)盤存過程中所有開啟的天線均識別到的標(biāo)簽的個數(shù)N與系統(tǒng)識別到的標(biāo)簽總個數(shù)N之比。

公式（1）中，u e[0，1]，此參數(shù)反映出了在識別系統(tǒng)對標(biāo)簽盤存過程中受到不可靠性因素影響的情況，參數(shù)值越小表明識別系統(tǒng)受到不可靠性因素的影響越大，則系統(tǒng)的可靠性越低，反之識別系統(tǒng)的可靠性越高。當(dāng)U的值為1時，識別系統(tǒng)的可靠性最高，此時可以認(rèn)為整個盤存過程中沒有出現(xiàn)漏讀情況。

3.2 RFID識別系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置：待識別的標(biāo)簽數(shù)量為N=300，多天線個數(shù)已經(jīng)確定為M=4。在仿真參數(shù)確定后，本文進(jìn)行100次系統(tǒng)識別仿真，并進(jìn)行仿真結(jié)果分析。

首先分析單天線讀取率p與系統(tǒng)識別到的標(biāo)簽個數(shù)、啟動的天線個數(shù)之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖4所示。概率p是單個天線對標(biāo)簽的識別率，即待識別的每個標(biāo)簽?zāi)軌虮蛔R別到的概率，p的值越大，則所有開啟的天線識別到的標(biāo)簽集合的交集越大，識別系統(tǒng)受到的不可靠因素影響越小。

圖4（a）是系統(tǒng)識別到的標(biāo)簽總數(shù)隨單天線讀取率p的變化曲線，這個曲線顯示出了識別到的標(biāo)簽個數(shù)隨著p值的增大而增大，在p值大于0.6之后，系統(tǒng)實際識別到的標(biāo)簽總數(shù)接近待識別的標(biāo)簽個數(shù)300。圖4（b）是系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)隨單天線讀取率p的變化圖，此圖顯示出了系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)隨著p值的增大而減少。在圖4（b）中可以看到兩個關(guān)鍵點，在p值小于0.5時，系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)為4個，而當(dāng)p值大于0.9后，系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)為大多為兩個，由多天線控制算法的特點可知系統(tǒng)開啟的天線個數(shù)最少也要兩個，所以當(dāng)p值為1的時候天線的開啟個數(shù)也為兩個。圖4（c）是系統(tǒng)可靠性系數(shù)隨單天線讀取率p的變化曲線，這個曲線顯示出了系統(tǒng)可靠性系數(shù)u的值是隨著P值的增大而增大的，即P值越大，系統(tǒng)可靠性越高，在p值小于0.4左右的時候，系統(tǒng)可靠性系數(shù)接近于0。

識別系統(tǒng)開啟的天線個數(shù)與系統(tǒng)可靠性系數(shù)的關(guān)系如圖5所示.

圖5是識別系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)隨著系統(tǒng)可靠性系數(shù)u的變化圖。從圖中可以看出系統(tǒng)可靠性系數(shù)在小于0.6時，因為天線總個數(shù)為4個，系統(tǒng)實際開啟的天線個數(shù)為最大個數(shù)4，當(dāng)u值大于0.8時，識別系統(tǒng)開啟的天線個數(shù)開始出現(xiàn)較少的趨勢。

從以上對識別系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析可知，RFID多天線識別系統(tǒng)可以提高多標(biāo)簽識別的可靠性，多天線控制算法的引人提高了識別系統(tǒng)的效率，其中系統(tǒng)可靠性系數(shù)u提供了一個可以對識別系統(tǒng)可靠性能進(jìn)行評估的指標(biāo)。

4結(jié)論

超高頻RFID多天線識別系統(tǒng)采用空間多樣性減少RFID識別系統(tǒng)讀寫盲區(qū)的方法，提高了RFID識別系統(tǒng)的可靠性。多天線控制算法的引人又在系統(tǒng)效率方面進(jìn)行了提高，達(dá)到了快速可靠識別大量標(biāo)簽的目的，并提供了一個可以對識別系統(tǒng)的可靠性能進(jìn)行評估的參數(shù)，即系統(tǒng)可靠性系數(shù)。仿真結(jié)果表明了超高頻RFID多天線識別系統(tǒng)對提高多標(biāo)簽識別的可靠性能效果顯著，是多標(biāo)簽無漏識別技術(shù)研究和廣泛應(yīng)用的重要方面。