汽车数字化标准信源系统识读距离仿真

孙伟华，何 蔚，徐 江，张 辉，张丰利

(公安部第三研究所 防伪事业部，上海 201204)

0 引言

RFID是一种非接触自动识别技术，RFID系统由读写器、天线和安装在识别目标上的电子标签构成，通过射频无线通信的方式实现对静止或移动物体或人员的远距离自动识别[1-2]。与传统的数据采集和识别技术相比较，RFID具有识别距离远、识别速度快、序列标识一致性等优点[3]。

目前RFID技术已应用于车辆识别领域，如：ETC不停车收费、小区停车监控、货运港口车辆管理等[4]。固定式龙门架采集基站是常用的RFID车辆信息采集基站。以下对采集基站射频识读距离进行了仿真计算，从而可对系统包括读写器天线安装高度、倾角设置，不同车型电子标签安装位置等的物理结构参数以及进行优化。

1 汽车数字化标准信源

全称为“汽车身份特征信息和管理基础信息的数字化标准信源”，其具有“汽车电子身份证”功能，俗称为“电子车牌”。其实质上为一种工作于UHF频段，且具有多项应用特性的无源陶基型汽车专用RFID电子标签，此标签与汽车挡风玻璃“固联一体”，是紧贴挡风玻璃安装的[5]。

现行市场上国家批准销售的车辆共有上百个品牌几百种不同的型号，其挡风玻璃的倾角从21°～93°不等，挡风玻璃上沿高度距离地面从 1～3米以上不等。因此有必要对安装在不同车型、不同位置的标签分别进行测算，保证所有安装有“汽车数字化标准信源”的车都能正确被基站所识别。

2 固定式龙门架采集基站识读距离仿真

如图1所示，当前挡风玻璃上贴有无源RFID电子标签的车辆通过固定式龙门架采集基站时，随车辆向采集基站前行，天线与标签之间间距R、其与读写器天线的法线方向的夹角θa、与标签法线方向的夹角θt均发生变化。其满足：

图1 RFID固定式龙门架采集基站

对于图1中的RFID系统，在车辆前进的过程中，读写器天线与标签的相对位置和主辐射面的法线夹角不断变化，因此在前向链路中标签接收功率为：

其中 Greader(θa)为读写器天线H面上θa方向上的增益值，Gtag(θt) 为标签天线H面上的θt方向上的增益值。

无源标签由读写器天线发送的连续载波提供能量激活标签，要驱动标签芯片工作，需满足Pchip大于标签灵敏度阀值。

反向链路中，读写器端接收到无源标签反射回的功率为：

当满足Pback大于读写器天线的灵敏度阀值时，系统才能正确识读到标签。而一般情形下，RFID识别系统的识别距离主要受前向链路的影响[6]。因此可以标签接收到的功率值是否大于标签芯片灵敏度的阀值作为判断系统是否正常工作的依据。

假设读写器天线架高ha=5.5米，安装倾角α=25°，标签安装位置离地高ht=1.2米，汽车挡风玻璃倾角β=58°，读写器输出功率 PT=30 dBm(1W)，读写器天线增益12.5 dB，标签天线增益2.0 dB。

将式(2)、式(3)代入读写器天线、标签的 H 面远场图Greader(θa)、Gtag(θt)可得读写器天线与标签随车辆前进时互指向的增益值 Greader(d)、Gtag(d)，如图2所示。

图2 读写器天线与标签随车辆前进时互指向的增益值Greader(d)、Gtag(d)

再同式(1)代入式(4)。可得标签接收功率Ptag随车辆与采集基站间距d的变化，如图3所示。

假设标签天线与芯片阻抗匹配，即Ptag=Pchip。一般标签灵敏度为-30 dBm（50 μW），即标签芯片接收功率高于此阀值时，标签被激活，RFID系统可识别到标签。

由仿真结果中可知在车辆距龙门架 5.25米处标签接收功率达到峰值。龙门架前可识别距离范围为2.1～16米。即可测算出在车速180 km/h通过采集基站的情况下，可识读时间窗口为280 ms。

图3 标签接收功率Ptag随车辆与采集基站间距d的变化

在以上条件下改变读写器天线的安装倾角（20°、25°、30°），比较标签的接收功率，如图4所示。

图4 不同天线倾角下的标签接收功率

可见随着天线倾角的增大，最远识读距离减小，而最大峰值增大。

以下比较三种常见车型：小型车、货运卡车、客运大巴的识读距离，三种车型的参数如表1所示。

表1 三种常见车型倾角、高度

图5为读写器天线倾角30°的条件下，可见客运卡车的标签接收功率峰值最大，即通过辨识度最高；小型车可识读范围相对较小，通过辨识度最低。

图5 三种常见车型的标签接收功率比较

3 结语

对不同车型通过RFID固定式龙门架采集基站时的可识读距离做了理论计算，实际工程测试中RFID系统的识别距离还受到包括车体反射、地面反射、工作环境噪声因素、汽车挡风玻璃引起的标签失谐频偏等的外部环境影响以及标签内部电路对系统能量的损耗、芯片与天线间阻抗不完全匹配而引起的功率损耗的影响[7]。而识读距离的仿真计算结果依然是反应RFID车辆管理识别系统性能的一个有效标尺，为汽车数字化标准信系统采集基站的架设、读写器天线与电子标签的选择提供了参考依据。

[1] 叶里莎.RFID技术的应用[J].通信技术，2007，40(12)：267-271.

[2] 王睿，赵龒.RFID技术及其应用系统构架的研究[J].通信技术，2009,42(05)：116-118.

[3] 张华,魏臻.无线射频识别技术RFID及其应用[J].计算机安全，2007(07)：30-32.

[4] 李元忠.射频识别技术及其在交通领域的应用[J].电讯技术，2002(42)5-9.

[5] 赵郁亮,赵正德,杨立朝,等.汽车数字化标准信源在道路公安交通管理中的应用研究与实现[J].中国图像图形学报，2008(13)：1951-1954.

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[7] 李要伟,邓成.RFID标签激活距离的计算方法[J].实验技术与管理，2006(23)：31-33.