CN106250788A - 基于智能天线的无源超高频rfid***抑制多径干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法，该方法的步骤为：首先建立室内多径环境下阅读器与无源标签之间的通信模型，分析了多径干扰对于标签接收功率的影响；然后利用智能天线的定向特性减小多径方向上的信号能量，提升标签接收功率的稳定性，再通过波束切换增大读写区域。本方法能够有效地抑制多径干扰对标签接收功率的影响，提高无源超高频RFID***的标签识别率，对提升RFID***的性能具有极大的实际意义。

Description

基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。

背景技术

RFID是一种通过射频信号实现短距离信息交互的无线通信技术。RFID***中，阅读器首先在其读写区域内向无源标签发送问询信号；无源标签在接收到足够的能量后会激活自身的内部电路，然后将自身的数据发回给阅读器。近年来，无源超高频RFID***凭借其非接触、非视距、高精度以及低成本的优势被广泛应用于仓储物流、工业生产、智能交通等领域。

标签识别率是无源超高频RFID***的重要指标。由于大部分RFID***工作于室内环境，多径干扰极大地影响了标签接收功率，造成了在***识别区域内的一些标签没有获得足够的能量被激活，降低标签识别率。当前对于抑制多径干扰的研究热点主要集中在算法方面，由于阅读器通常采用波束较宽的单天线，导致***的抗干扰能力仍然较差，标签识别率仍比较低。智能天线被定义为利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同信号环境达到性能最优的天线。如今，智能天线广泛应用于通信领域，将智能天线技术应用到RFID***中可以有效地提高***的性能，是一个新的研究方向。因此，在RFID***中利用智能天线抑制多径干扰仍具有极大的实际意义。

综上，本发明结合了多径环境下阅读器与无源标签间的通信模型，提出了一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。

发明内容

本发明提出一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。基于该方法，能够抑制多径干扰对标签接收功率的影响，有效地提升***的标签识别效率。

1、一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法，包括下列步骤：

步骤1：分析了室内多径传播对无源标签接收功率的影响，通过理论推导建立了室内多径环境下阅读器与无源标签之间的通信模型；

步骤2：根据步骤1所建立的模型，提出基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。

所述步骤1中，室内多径环境下阅读器与无源标签之间的通信模型为：

$\begin{array}{c}{P}_{r\_tag}=P_{t\_reader}{G}_{tag}(1-|{\mathrm{\Γ}}_t{|}^2){\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\right)}^2\\ |G_{reader\_0}^{1/2}\frac{1}{d_0}\exp (-{\mathrm{jkd}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{reader\_i}^{1/2}{\mathrm{\Γ}}_i\frac{1}{d_i}\exp (-{\mathrm{jkd}}_i){|}^2\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，P_{r_tag}为无源标签接收功率，P_{t_reader}为阅读器发射功率，G_tag为无源标签天线增益，Γ_t为无源标签的反射系数，λ为信号波长，d₀为阅读器和无源标签间的直射距离，d_i为第i条多径的距离，Γ_i为第i条多径的反射系数，G_{reader_0}表示直射方向的阅读器天线增益，G_{reader_i}表示第i条多径方向的阅读器天线增益。

所述步骤2的方法为：

阅读器首先采用高定向性的波束切换型智能天线形成窄波束对当前读写区域内的无源标签进行读取，通过降低多径方向上的天线增益，减小在多径方向上的信号能量，提升无源标签接收功率的稳定性，然后通过波束切换读取下个区域内的标签，直至所有无源标签均被成功读取。

附图说明：

图1是无源超高频RFID***的多径传播示意图；

图2是波束切换型智能天线的工作原理图；

图3是单天线波束模型图；

图4是智能天线波束模型图；

图5是采用单天线和智能天线对标签接收功率的影响；

具体实施方式：

本发明的主旨是提出一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。基于该方法，能够抑制多径干扰对标签接收功率的影响，有效地提升***的标签识别效率。

下面结合附图1、附图2、附图3、附图4、附图5对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法具体包括下列步骤：

步骤1：分析了室内多径传播对无源标签接收功率的影响，通过理论推导建立了室内多径环境下阅读器与无源标签之间的通信模型；

步骤2：根据步骤1所建立的模型，提出基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。

所述步骤1具体如下：

在如图1所示的室内多径环境下，无源标签接收到的能量包括来自阅读器天线的直射信号和经墙面、地面等反射形成的多径信号，则无源标签接收能量为：

$P_{r\_tag}=P_{t\_reader}{G}_{reader}{G}_{tag}(1-|{\mathrm{\Γ}}_t{|}^2){\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\right)}^2|\frac{1}{d_0}\exp (-{\mathrm{jkd}}_0)+\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\Γ}}_i\frac{1}{d_i}\exp (-{\mathrm{jkd}}_i){|}^2---\left(1\right)$

式(1)中，P_{r_tag}为无源标签接收功率，P_{t_reader}为阅读器发射功率，G_reader为阅读器天线增益，定义P_{t_reader}G_reader为阅读器的等效全向辐射功率，记为EIRP，G_tag为无源标签天线增益，Γ_t为无源标签的反射系数，λ为信号波长，d_o为阅读器和无源标签间的直射距离，d_i为第i条多径的距离，Γ_i为第i条多径的反射系数，Γ_i可表示为：

${\mathrm{\Γ}}_i=\frac{cos\mathrm{\θ}-p\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2}\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}+p\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2}\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

式(2)中，θ为入射信号与反射面法线的夹角，ε_r表示相对介电常数，其数值与反射面的材料有关，p表示极化因子，对于水平极化，p＝1；对于垂直极化，p＝1/ε_r。式(1)表明了多径环境下全向阅读器天线对标签接收的能量影响，但在无源超高频RFID***中阅读器天线一般为定向天线，其增益随着方位角变化，因此修改式(1)为：

$\begin{array}{c}{P}_{r\_tag}=P_{t\_reader}{G}_{tag}(1-|{\mathrm{\Γ}}_t{|}^2){\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\right)}^2\\ |G_{reader\_0}^{1/2}\frac{1}{d_0}\exp (-{\mathrm{jkd}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{reader\_i}^{1/2}{\mathrm{\Γ}}_i\frac{1}{d_i}\exp (-{\mathrm{jkd}}_i){|}^2\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，G_{reader_0}表示直射方向的阅读器天线增益，G_{reader_i}表示第i条多径方向的阅读器天线增益。当无源标签接收能量P_{r_tag}达到标签激活门限值P_th时，标签激活自身内部电路，与阅读器进行通信。

所述步骤2具体如下：

以四波束为例，如图2所示，阅读器首先采用高定向性的波束切换型智能天线形成窄波束A对当前覆盖区域内的无源标签进行读取，通过降低多径方向上的天线增益，减小在多径方向上的信号能量，提升无源标签接收功率的稳定性，当区域内的标签均被读取完毕后，切换至波束B对当前覆盖区域内的无源标签进行读取，依次进行直至波束A、波束B、波束C、波束D所覆盖区域内所有无源标签均被读取完毕。

下面结合实例通过图3、图4、图5对上述实施方式进行说明。为了分析智能天线对多径干扰的抑制作用，实例中采用如图3所示的单天线波束模型和如图4所示的智能天线波束模型，无源标签逐渐向阅读器天线所对的墙面靠拢，仿真参数如下：EIRP为4W，室内环境长L为20m，宽W为10m，高H为4m，反射面为普通墙面，即ε_r为15，电磁波极化方式为水平极化，即p为1，G_tag为2dB，Γ_t为0.1，阅读器位置为(2，2.5，1.5)，无源标签初始位置为(3，2.5，1.5)。

如图5所示，在无源超高频RFID***的通信范围内(一般为1-10m)，对比于采用单天线，采用智能天线时标签接收功率更加接近理想情况，稳定性更强，能够激活更多的无源标签。以通信距离5m处为例，采用智能天线的情况下标签接收功率约为-8dBm，而采用单天线的情况下标签接收功率约为-18dBm，而一般无源标签激活门限值为-11dBm至-15dBm，因此采用智能天线的RFID***能够有效地激活5m附近的标签工作，极大地提升标签识别率。

实例表明，本发明所提出的一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法能够有效地抑制多径干扰对无源标签接收功率的影响，极大地提升标签识别率，对提高无源超高频RFID***的性能具有极大的实际意义。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (3)

1.一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法，包括下列步骤：

步骤1：分析了室内多径传播对无源标签接收功率的影响，通过理论推导建立了室内多径环境下阅读器与无源标签之间的通信模型；

步骤2：根据步骤1所建立的模型，提出基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法，其特征在于，步骤1中阅读器与无源标签之间的通信模型为：

$\begin{array}{c}{P}_{r\_tag}=P_{t\_reader}{G}_{tag}(1-|{\mathrm{\Γ}}_t{|}^2){\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\right)}^2\\ |G_{reader\_0}^{1/2}\frac{1}{d_0}\exp (-{\mathrm{jkd}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{reader\_i}^{1/2}{\mathrm{\Γ}}_i\frac{1}{d_i}\exp (-{\mathrm{jkd}}_i){|}^2\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，P_{r_tag}为无源标签接收功率，P_{t_reader}为阅读器发射功率，G_tag为无源标签天线增益，Γ_t为无源标签的反射系数，λ为信号波长，d₀为阅读器和无源标签间的直射距离，d_i为第i条多径的距离，Γ_i为第i条多径的反射系数，G_{reader_0}表示直射方向的阅读器天线增益，G_{reader_i}表示第i条多径方向的阅读器天线增益。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能天线的无源超高频RFID***抑制多径干扰的方法，其特征在于，步骤2中所述方法具体为：阅读器首先采用高定向性的波束切换型智能天线形成窄波束对当前读写区域内的无源标签进行读取，通过降低多径方向上的天线增益，减小在多径方向上的信号能量，提升无源标签接收功率的稳定性，然后通过波束切换读取下个区域内的标签，直至所有无源标签均被成功读取。