詳細剖析RFID識別技術常見的應用場景案例

射頻識別(RFID)作為物聯網感知設備，被廣泛應用于物流、交通、電子支付、安全鑒別等領域。其中很多應用需要在高速運動中對標簽進行讀寫，例如ETC電子收費系統、電子車牌、列車電子標簽。這些系統都需要貼裝射頻識別標簽的車輛、列車在運動中和讀寫器應答。讀寫器-標簽系統對速度適應范圍越大，對交通影響越小，使用越方便，應用價值越大。然而在高速運動中，RFID讀寫器和標簽之間的通信信道在動態變化，導致標簽接收到的單個指令信號就帶有這種變化產生的信號畸變。如何評估標簽在高速運動情況下的響應能力，是標簽性能評估的重要內容。

有實驗室采用實物模擬的方法，架起一個直線導軌，把標簽放在導軌上的小車里，快速拉動小車，模擬快速移動的場景。這個方法比較簡單，但是顯然不能模擬全速運行車輛的速度，也難以控制周邊物體對射頻反射產生的不可控因素。

本文根據ISO 18046-3等相關國際標準和作者在通信測量的經驗介紹了兩種較先進的測試方法。

最大場強變化率測試

這個方法在ISO 18046-3標準里面8.9和8.10章節描述，測試的基本設想是，標簽和讀寫器距離變化的時候空氣中的傳輸損耗也發生變化。也就是說，距離縮短信號加強，距離拉遠信號減弱。那么標簽相對讀寫器運動速度就決定了信號強度的變化率。用自由空間射頻傳輸場強公式計算：

式中：P是發射功率，單位為W；G是發生天線增益；R是發生天線到標簽距離，單位為m。假設R以速度V變化，則：

假設發射功率2 W，天線增益為6 dBi，當標簽-讀寫器距離5 m，在相對速度150 km/h的時候，功率變化率達到-25.76 V/m/s。變化率是負數，表示遠離的運動導致場強下降，接近運動使場強升高。根據公式計算，在距離2 m、5 m、10 m，相對速度10 km/h、50 km/h、100 km/h、150 km/h、250 km/h、500 km/h的場強變化率如表1所示。

更簡單的評估是直接計算不同距離的場強。根據表2和表3所示，車輛在250 km/h速度下只要43 ms就可以從5 m接近到2 m，期間場強從3 V/m增強到了7.7 V/m。

對于目前常用的EPC UHF C1G2（等同于ISO18000-6C）標準，識讀應答時間典型在3 ms以內。 根據表1和表2推算，當標簽-讀寫器距離2 m，速度250 km/h接近時，場強變化在10%左右。然而，這是時間最短的應答之一。隨著指令周期長度增加，標簽對速度的適應性就容易變差。當識別系統需要安全鑒權或將收費或路徑信息寫入標簽時，應答時間會顯著增加，這種效應會更顯著。

本測試方法就是在射頻暗室環境下制造這樣的功率迅速變化條件，測試標簽應答性能的方案。

測試通常在暗室中進行，測試儀和被測標簽在標準測試距離上，先測量靈敏度場強。然后在靈敏度場強之上3~9 dB之間進行功率三角波掃描。標簽正常響應的最高三角波變化率就是測量結果。ISO18046稱為最大衰落率Max fade rate V/(m·s)。

功率傳遞函數模擬測試

功率變化率測試，標簽在多快場強變化下可以正常應答，是已知的；但是并沒有說明，它在多快車速下可以正常工作。原因在于，標簽-讀寫器天線相對位置夾角、距離和車速同時影響了場強變化率。其中，由于天線方向圖特性和車輛經過閱讀器過程中相對夾角的變化，導致標簽接收到的功率變化不是線性的。所以，有功率傳遞函數模擬測試方法。

這個方法來源于歐洲高速鐵路信標標準。鐵路信標是一種特殊的有源射頻識別系統。列車車頭和車尾各有一個信標閱讀器，當列車通過布設在鐵軌中間的信標時，天線讀取信標信號，從而對列車進行定位。

列車- 信標的相對速度可以從0 km/h變化到400多km/h。歐洲標準UNISIG 085子集規定了實驗室模擬的步驟。

首先測量在運動經過的標簽-閱讀器相對軌跡點各個位置上空間傳遞函數，以及場強對位移的曲線。在模擬測試的時候，將此曲線加載到信標信號幅度上，曲線加載的數據點可以根據測試模擬的列車速度計算。車速快曲線播放就快，反之就慢。這樣通過應答信號模擬器的動態幅度調制，避免了實物相對運動，從而可以模擬任何可能的列車速度，而實際上實驗設備沒有運動。

如圖2所示，系統測量或計算出不同相對位移位置下閱讀器信號到達標簽的場強，測試中根據需要模擬的速度制定位移-時間直線。圖中藍色曲線就是模擬的場強-位移關系，綠色和紅色直線段表示較慢和較快速度的位移-時間對應關系。將場強-位移通過位移-時間映射，就得到時間-場強曲線，如圖2中右側2根曲線。這個曲線加載到閱讀器發射功率包絡，就模擬了不同速度下標簽經過閱讀器的信號。這個時間-場強曲線就是一個時變功率傳遞函數。這個函數加載到RFID測試儀器發射端，就構成了功率傳遞函數模擬測試。

用這種方法，可以通過軟件設置模擬任何可能的甚至不可能的相對速度場景。

測試可以設定各種相對速度，在不同載波頻率和應答指令下，測試正常識別或寫入的最大相對速度。

測試系統實現

配合上述方法的測試系統除了常見射頻儀器要求以外，還必需具備信令交互、協議和性能測試、高速時變模擬功能。如圖3所示，背景是一套聚星儀器的RFID性能測試系統。儀器系統采用軟件無線電架構，在底層FPGA上面實現了協議狀態機、信令編碼解碼、信令調制解調，和信號包絡調理。這些模塊受上位機協議測量分析模塊控制，并且將信令和波形匯報給上位機測量分析模塊。所以不論ISO還是UNISIG的波形包絡都可以加載到信號上面，實現高速時變信號模擬。

聚星儀器的RFID測試儀基于高精度射頻儀器平臺構成，完全滿足國家和國際可溯源計量要求，避免了采用傳統儀器配合自制仿真器進行測試的方式，在測試項目的覆蓋程度和性能精度上都能夠達到更好的水準。同時，軟件無線電構架也為測試系統提供了良好的擴展能力，可以快速適應RFID國際標準以及國家、地方、行業標準的變化?；贔PGA的基帶平臺具有卓越的實時性能和可擴展性，以滿足不斷演進的RFID協議，靈活的射頻層提供了高頻、超高頻以及微波頻率接口。

系統中聚星儀器還提供了射頻暗箱，給標簽-天線應答提供了不受干擾的模擬自由空間的條件。

結論

高速運動場景下RFID標簽性能的測試，可以通過模擬運動時變信道情況實現。ISO標準和UNISIG標準分別針對800/900 MHz超高頻標簽和鐵路信標給測試方法。這些方法都使得可以不用運動部件而模擬實際標簽接收到信號的動態過程，從而評估標簽在高速場景下的性能。