用于涉车涉驾的RFID前端系统研究.pdf

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1、 155 2011 年第 04 期，第 44 卷 通 信 技 术 Vol.44，No.04,2011 总第 232 期 Communications Technology No.232,Totally 用于涉车涉驾的 RFID 前端系统研究 邵 轲 ， 高 鹏， 徐 旭， 徐基仁 （公安部第三研究所，上海 201204；北京标准信源科技有限公司，北京 100102） 【摘 要】【摘 要】对用于涉车涉驾的 RFID 前端系统进行研究，主要是研究 RFID 前端系统的运行技术，讨论如何实现“一通百 通”和“一对一百万”这两个前端系统运行的关键目标。从 RFID 系统与其他无线通信系统的电磁兼容性和

2、基站微波视场的 一致性上，分析如何实现“一通百通” ；从标签及其配装结果一致性的角度，分析如何实现“一对一百万” ，并给出了相应的 解决方案和测试方法。 【关键词】【关键词】涉车涉驾；RFID；前端系统；一通百通；一对一百万 【中图分类号】【中图分类号】TP274 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1002-0802(2011)04-0155-03 Study on Operation Technology of RFID Front-end System Study on Operation Technology of RFID Front-end System for

3、 Vehicle-driver for Vehicle-driver SHAO Ke ， GAO Peng， XU Xu， XU Ji-ren (The Third Research Institute, Ministry of Public Security, Shanghai 201204, China; Beijing Standard Infosource Technology Ltd., Co., Beijing 100102, China) 【Abstract】【Abstract】The operation technology of RFID front-end system f

4、or vehicle-driver is presented in this paper. “One to one hundred” and “one to one million” are two key objectives for front-end system operation. Then, the electromagnetic compatibility between RFID system with other wireless communication systems and the microwave field of base stations are analyz

5、ed for realization of “one to one hundred”, while the consistency of tag and the results of tag installation are analyzed for realization of “one to one million”. Finally the corresponding solutions and testing methods are given. 【Key words】【Key words】vehicle-driver; RFID; front-end system; one to o

6、ne hundred; one to one million 0 引言 “汽车数字化标准信源系统”1- 2依靠分布式基站集群 应对海量多运行状态的车辆，由信源层、基站集群层、信 息传输网络层、运行管控服务层四个层次组成。射频识别 (RFID)前端系统属于信源层和基站集群层，其运行需要满 足“一通百通”和“一对一百万”的要求。 “一通百通”是 指“汽车数字化标准信源”能在一个基站被正确识别就也 能在本系统范围内所有基站被正确识别； “一对一百万”是 指一个基站能正确识别一个“汽车数字化标准信源”就也 能识别在本系统范围内所有的“汽车数字化标准信源” 。这 两个问题的解决是“汽车数字化标准信源系统

7、”能否大规 模推广应用的关键。 研究了用于涉车涉驾的 RFID 前端系统，主要讨论如何 实现“一通百通”和“一对一百万”这两个目标。 1 一通百通 1.1 电磁兼容性 1.1 电磁兼容性 超高频 RFID 系统以射频信号实现信息传播，射频信号 进入空间会对其他无线网络的通信质量和传输可靠性产生 影响；而对 RFID 系统来说，其他通信网络的射频信号也会 引入干扰，引起误码率升高，从而影响数据读写的准确 性。为了保证 RFID 系统能够有效地运转，且不对同频段和 相邻频段的其他无线通信系统产生可分辨的干扰，必须进 行干扰的评估与协调。 2007年 4月，信息产业部将 RFID技术的具体使用频率

8、规定为 840845 MHz 和 920925 MHz3。这两个频段分 别是与无绳电话和立体声广播业务共用的，因这两个频段 的使用场景较少会与 RFID 的应用场景发生交叉，所以存在 收稿日期收稿日期：2010-10-29。 作者简介：作者简介：邵 轲（1981-） ，男，博士，主要研究方向射频集成电路 设计；高 鹏（1974-） ，男，主要研究方向信息与电子科 学；徐 旭（1981-） ，男，主要研究方向 RFID 系统开发； 徐基仁（1948-） ，男，特聘研究员，主要研究方向为涉车 涉驾 RFID 系统规划与设计。 156 频率占用而产生干扰的可能性比较小。从中国的实际情况 看，在这两个

9、频段上，最主要的无线通信技术应为 GSM 和 CDMA 移动通信系统。已有研究证实，RFID 系统信号会对 GSM 手机的通信性能产生影响4- 5。因此对 RFID 和 GSM 系统共存情况下的网络兼容性进行研究，以及在此研究基 础上，通过改进技术或制定相应的修改办法，改进两个系 统共存时的兼容性，对实现“一通百通”是十分重要的。 在实际 RFID 系统基站设计中，主要通过全电波暗室测 试来解决电磁兼容性的问题。图 1 是测试装置的结构框图。 在转台上放置 GSM 手机，距离手机 3 m 处架设 RFID 读写 器和天线，手机通过架设在暗室中的另外一个天线与连接 在暗室外的基站模拟器进行通信。

10、通过调整基站模拟器的 输出功率来控制手机放置点的 GSM 网络信号强度。打开超 高频(UHF) RFID 读写器，通过调节读写器的发射功率，控 制其带外发射落在 GSM 通信信道内的功率，观察其对 GSM手机通信链路的影响6。 图 1 测试装置结构 测试结果表明，当 RFID 设备的带外发射在 100 kHz 的 信道带宽下，满足在 GSM 下行频段和上行频段中的功率谱 密度分别小于-47 dBm和-36 dBm时，基本能够保证在距离 RFID 设备 3 m 的情况下，一般网络覆盖条件下的 GSM 手 机基本上不受干扰。通常 UHF RFID 读写器的作用距离大 于 3 m，因此在满足功率谱密

11、度条件下，RFID 系统不会对 GSM手机通信产生干扰。 另一方面，随着 GSM 信号强度的增大，RFID 系统的 误码率也会不断升高。因此，在 RFID 系统基站选址时必须 尽可能远离 GSM 系统的相关设备，两者的天线不能正对。 RFID 系统读写器工作时应尽量选用跳频模式，提高抗干扰 的能力。目前，在 840845 MHz 频段中国没有规划任何无 线电业务，RFID 系统如果选用这个频段，将使其与相邻频 段的其他无线通信系统间的干扰减至最小。 1.2 1.2 微波视场一致性微波视场一致性 在涉车涉驾应用中，RFID 前端系统对车辆的识别率至 关重要，基站的设计要考虑到不同车辆、不同通行速

12、度、 车辆跟驰、车辆并驰、临道干扰等多种情况。为了能在跨 行业、多样复杂的应用环境（特别是外场开放环境、道路 高速运行环境）下，面向高度离散的海量 RFID 标签，实现 对“汽车数字化标准信源”的各种基础服务技术平台，需 要多种基站型谱来实现。而这些基站的微波视场的一致 性，是保证“一通百通”的关键。该问题主要通过在开放 型外场应用测试来解决。 微波视场是指微波经天线辐射到空间的电磁波覆盖范 围。按照 RFID 天线的设计原理，理想的微波视场应该是一 个纺锤形，由于微波在空间的辐射受环境电磁干扰、地面 反射、车体反射、人体反射和吸收、空气吸收等因素的影 响，真实的微波视场边界不平滑，中间可能出

13、现断层和空 洞。测试采用装卡位置在水平面上形成的微波视场截面为 测试结论并进行分析，通过单位时间内对标签的识别次数 反映测试点场强强度和稳定度，通过路面各点的测试结果 在 1.0 m1.0 m精度的坐标网格上形成的镜像，反映微波视 场分布情况，为基站建设提供参考。 理想微波视场、真实微波视场和微波视场网格的对比 如图 2 所示。图 2 中 A 点即天线安装位置的投影，A 点以 上对来车方向的部分即微波视场，其颜色的深浅表示该位 置的微波强度。D 点的位置是微波视场的最远端，E 到 F 的 距离是微波视场的最大横宽，B 到 C 之间的空白区域和 G 点的位置分别是微波视场的断层和空洞。 根据对微

14、波视场截面的分析，可以通过调节天线角 度、天线安装高度、读写器的发射功率等手段，来调节基 站微波工作区的形成状态，也可对最大读写距离、识别率 等参数指标进行测试，从而形成一个全系统工作基站所需 的“标准微波工作区” ，并用严格的工程工艺来保障它的实 现，且可对它进行量化指标的检测，从而从基站层面来满 足系统要求，实现“一通百通”这个目标。 (a)理想微波视场 (b)真实微波视场 (c)微波视场网格 图 2 三种微波视场对比 2 一对一百万 “一对一百万”本质上是指标签及其配装结果的一致 性问题，包括标签芯片、芯片封装、标签天线匹配性能、 制作标签基材的差异，以及标签配装环境差异等因素，在 设计

15、时需要综合考虑。 2.1 2.1 标签差异的来源标签差异的来源 标签芯片的差异主要由芯片生产时的工艺偏差造成。 芯片存在三种工艺角 TT、FF、SS，其中 FF 和 SS都是不希 望遇到的。目前，工艺偏差都是标准的正态分布曲线，符 合 6 规则，即处于 TT 工艺角的芯片占总比例的 99.74%。 另外，在设计中都会考虑到另两个工艺角的影响，一般会 157 留有足够的设计余量。因此，芯片的差异对标签的一致性 影响不大。 UHF RFID 标签芯片工作在 840845 MHz 和 920925 MHz 两个频段，属于超高频的范畴，因此对寄生参数非常 敏感。芯片作接合（bonding）时金线上的寄

16、生电感、寄生 电容会造成芯片输入阻抗的改变，影响与天线的匹配性能。 标签天线的设计主要考虑两种匹配，即与芯片阻抗的匹 配和与被标识对象（不同车辆）的匹配，其中与被标识对象 匹配的难度最大，这是因为目前国内准予销售的各种类型汽 车间存在巨大的差异，给天线的设计带来很大的难度。 另外，标签制作基材采用陶瓷材料，其介电常数和物 理特性的变化也会造成标签性能的下降。因此，标签的制 造工艺需要尽可能优化，以降低标签间的性能差异。 因为标签是作为“汽车数字化标准信源”使用的，必 须面向汽车特性进行特殊设计，才能支持对各种型谱的汽 车上“普适应用” ；必须面向道路交通应用环境进行特定的 设计，才能支持在原态

17、交通应用环境下的可靠识别。在标 签的设计时要充分考虑这些情况并要能完全应对。 2.2 标签配装结果的一致性 2.2 标签配装结果的一致性 标签配装结果的一致性直接决定了“汽车数字化标准信 源”在系统中的工作效能，是标签系统生命力的体现，在配 装过程中需要考虑五个因素：标签在节点工作时与读写器 天线的夹角；标签离天线的高度；标签靠近天线中线的 距离；车身形状对标签的影响；车辆通过环境影响或工 作微波场景的变化。其中，车辆通过环境影响或工作微波场 景的变化属于不可预测的因素。目前国内数百品牌上千型号 的汽车，其风挡玻璃倾度、高度、车身形状、大小存在巨大 的差异，给标签配装带来了很大的挑战。 由于“

18、汽车数字化标准信源系统”的数据采集基站大 多数都是固定的，读写器和天线已经定向、定功率，如果 装载在车辆上的标签的位置在微波视场的集中地带，那么 读取和写入效果就会非常好。因此，设置验卡基站对车辆 上安装的标签进行效果测试，通过不断的测试找到每辆车 的标签最佳位置（即读取成功率达到系统要求以上）然后 进行固定，从而解决标签配装的一致性问题。 2.3 一致性的测试方法 2.3 一致性的测试方法 标签配装前，对标签一致性的测试包含两个方面：一 个是标签空口协议的一致性，另一个是标签电气性能的一 致性6。 空口协议一致性测试需要使用两个天线，一个天线连接 测试读写器，用于读写器信号的发送和接收，使被

19、测标签保 持通信状态；另一个天线连接频谱分析仪，用来接收被测标 签的响应信号并进行分析。两个天线间需要进行特殊设计来 减少彼此间的信号耦合，例如在两个天线间放置吸波材料来 隔离无线信号。测试装置如图 3 所示。图 3 中两个天线的主 波瓣轴线的交叉角应小于 15，被测标签应置于轴线的交 点上，保证标签与两个天线的距离相等，以使标签响应信号 到达读写器和频谱分析仪接收天线的信号幅度和延迟保持相 等，标签应朝向最佳场强接收方向放置。 图 3 标签测试装置 标签电气性能一致性测试中通常将响应率和衰减作为评 价标签基本性能的特征。测试装置与图 3 类似，但只需要读 写器和一个与其连接的天线即可。将标签

20、放置在天线的最佳 方向上，以固定步长值测试标签被读到的次数与读写器发送 的读取标签的命令的次数之比（即响应率） ，不断减小读写 器的发射功率（即衰减逐渐增加） ，直到响应率为 0。标签 的响应率与衰减的对应情况代表该标签的电气性能。 标签配装时，遵循“汽车数字化标准信源”的安装技 术规范，并通过验卡基站检测标签在不同被标识对象上的 配装效果，保证“汽车数字化标准信源”在系统中的工作 效能。另外，抓拍摄像机会在标签配装后对车辆进行抓拍 留案，把车辆的图像信息保存在数据库中，作为图像数据 方便后续查验。 3 结语 研究了用于涉车涉驾的 RFID 前端系统运行技术。在分 析影响“一通百通”和“一对一

21、百万”这两个目标实现的 各种因素后，给出了基站建设和标签设计与配装的具体解 决方法和测试方案，提出保证基站电磁兼容性、基站微波 视场一致性和标签及其配装的一致性是实现“一通百通” 和“一对一百万”的关键。 参考文献参考文献 1 黄银龙,张辉,徐旭,等.车辆管理 RFID 电子标签内存规划研究J. 通信技术, 2010,43(02):141-142.145. 2 赵郁亮, 黄银龙, 徐旭, 等. ISO 18000-6B 在 RFID 涉车涉驾安全 监管中内存规划的研究J. 通信技术, 2010,43(12):132-134. 3 信息产业部.信部无2007205 号文件: 关于发布 800/900 频段射 频识别(RFID)技术应用试行规定的通知R. 北京:信息产业部, 2007. 4 HONG Weijun, KAN Runtian, LI Shufang. Electromagnetic Compatibility of UHF-RFID to GSMC.Qingda:IEEE,2007:63-66. 5 洪卫军, 李书芳. UHF 频段 RFID 系统与其它无线网络的电磁兼容 性研究J. 中兴通讯技术, 2007(04): 11-13. 6 刘岩. RFID 通信测试技术及应用M. 北京: 人民邮电出版社, 2010.