超高频RFID多天线识别系统研究与分析

李占彬

摘要：超高频RFID单天线阅读器在识别多标签的可靠性能差，识别区域存在盲点，标签不能被完全被识别识别。本文采用多天线识别模式，将与读写器相连的多个天线合理的部署在识别区域不同位置，以空间多样性的方法较少识别盲区，提高RFID识别系统对标签识别的可靠性，并且建立了多天线布局模型，引入了多天线控制方案，并对识别系统的可靠性能进行了评估。仿真结果分析表明：超高频RFID识别系统的多天线工作模式對提高多标签识别的可靠性效果明显。

关键词：射频识别（RFID）；多天线；多标签；可靠性系数；超高频（UHF）

1概述

射频识别技术是一种低功耗的短程无限通信技术，全称是”Radio Frequency Identification（RFID）”。RFID识别系统至少包括两个组成部分：射频标签（Tag）和读写器（Reader/Writer或Interrogator）。射频标签保存有约定格式的电子数据，在实际的应用中，电子标签被粘附在待识别的物体的表面。读写器可无接触地读取射频标签中保存的电子数据，从而达到识别物体信息的目的。进一步结合计算机和网络实现对物体信息的采集、处理以及远程传输等管控功能。工作频率为超高频的RFID识别系统以其标签识别能力强、数据传输速率快的优点应用在生产线的自动化管理与仓储管理等很多领域。

在大型超市仓储管理应用中，由于物品的包装材料多样性与物品数量的不确定，会出现有一些附着在物品包装中的标签未被识别到的情况，即信号覆盖范围内存在识别盲区的问题，这种现象的发生严重影响了RFID识别系统在仓储管理应用中的推广。为了提高RFID识别系统的标签读取率和识别可靠性，国内外研究人员进行了大量的研究工作，其中包括很多关于多读写器天线识别系统的应用研究，通过在不同空间位置合理部署与读写器相连的多个天线，使每个天线的覆盖区域互补，减少了RFID识别系统的读写盲区。本文从多天线的空间部署及多天线的优化控制算法两方面对重庆大学陈辉等提出的多天线方案进行改进，进一步提高了RFID识别系统的标签读取率与识别可靠性。

2RFID多天线识别系统改进方案

2.1天线部署位置分析

陈辉等研究人员建议的多天线布局如图1所示。

将与读写器相连的四个天线分别部署在识别区域的上、下、左、右四个方位，天线启动的顺序为ANT1、ANT2、ANT3、ANT4。与读写器相连的四个天线的覆盖范围互补，减少了读写区域的识别盲区。不过在实际应用中，RFID识别系统部署在通道中，下方的读写器天线部署困难，而如果去掉识别区域下方的天线，则会缩小系统对识别盲区的覆盖效果。本文考虑到RFID识别系统在实际应用中，识别区域中的标签朝向是不确定的，将读写器天线部署在左上、左下、右上、右下四个方位的布局与读写器天线分布在上、下、左、右四个方位的布局效果是等价的，同时解决了实际应用中读写器天线部署困难的问题。改进后的多天线布局如图2所示。

读写器天线与标签天线的相对位置对系统识别区域内的盲点分布起着重要作用，在上图的多天线布局方案中，ANTI天线的覆盖区域内的识别盲点不一定是其他三个读写器天线的盲点。因此可以说在系统识别区域周围不同位置部署多个读写器天线，使得不同天线之间形成互补，这种读写器天线空间多样性的方案可以有效地去除识别区域内的盲点。

减少RFID识别系统盲点的方法很多，与频率多样性等其他方法相比，利用空间多样性的方法可以达到更好的去除盲点的效果，因为在超高频RFID工作频段，不同频率对应的电磁波的波长差别不大，最终引起的盲点分布基本相同，消除盲点的效果不会很明显。

2.2多天线控制算法分析

RFID识别系统在实际应用中，一般要求识别系统既能够无遗漏地对识别区域内的所有标签进行识别，又会要求尽快地完成整个识别过程。在多天线识别系统中，每个天线的识别过程所用的时间为一个基本天线盘存周期。在以识别系统允许的最大标签数量对系统性能进行测试时，识别系统能够满足对无标签漏读的要求，不过对于实际应用中的很多时候，需要识别的标签数量远远达不到系统允许的最大标签数量，此时就会出现一种情况，第一个天线的基本盘存过程结束就已经将识别区域内的所有标签识别完成了，那么其余三个天线的盘存过程耗费的时间就是没有必要的，造成了系统资源的浪费，本文针对这种情况对多天线的控制方式进行改进，以此提高识别系统的效率。

多天线控制算法的关键点在于确定天线的开启顺序。由于在实际应用中，系统识别区域中的标签朝向是不确定的，所以第一个启动的天线可以随机，本文设定ANTI为首先开启的天线。确定第二个开启的天线是难点，本文从读写器天线与标签天线的相对位置的分析来确定第二个开启的天线。电子科技大学的李鹏等人对单个读写器天线与标签天线相对位置对识别率的影响进行了实验，实验结果表明了在相对位置由平行到垂直的过程中，标签识别率逐渐下降，标签平面平行于读写器天线平面时识别率最高，而标签平面垂直于读写器天线平面时识别率最低。据此可以确定ANT2或ANT3天线作为第二个开启的天线最为合适，因为与ANT1天线平面垂直的标签相对于ANT2和ANT3天线是平行的，保证了与ANT1天线垂直的标签能在第二个天线的盘存过程中获得较高的读取率，本文设定ANT2天线作为第二个开启的天线。第三个与第四个天线开启的顺序参考对第二个天线开启顺序的确定过程，最后，本文确定的四个天线的开启顺序为ANT1、ANT2、ANT3、ANT4。在每个读写器天线的基本盘存周期结束时，将此读写器天线盘存过程结束后系统所识别的标签集合与该天线盘存之前系统识别的标签集合进行比较，如果有新的标签被识别，则说明可能还存在标签被识别系统漏读了，为了降低系统存在未被识别标签的可能性，需要继续开启下一个读写器天线进行对标签的识读；如果该读写器天线盘存周期结束后，没有新的标签被识别，将这种没有新标签加入的情况作为系统整个识别过程的结束点。将系统盘存结束时前后识别标签的集合进行比较，它们的交集所含标签数量越大，表明识别系统漏读的可能性越低。多天线控制算法的流程图如图3所示。流程图中A标示的变量表示的是单个读写器天线识别的标签集合。

多天线控制算法对天线开启顺序的确定是在标签朝向随机的理想模型上确定的，而在实际应用中，标签的朝向可能向某个方向或某几个方向集中，所以在实际应用中统计标签的朝向规律并据此确定天线开启顺序也是提高识别系统效率的重要方面。本文建议在实际应用中对每一个天线进行权重的分配，初始的权重为0，在识别系统完成对标签的盘存后，比较开启的天线所识别的标签数量，对识别标签数量最大的读写器天线权重进行加1，在识别系统下次盘存过程初始化读写器天线开启顺序时，以读写器天线的权重大小来确定开启顺序，如果权重相同，则按照理想模型进行确定。

3超高频RFID多天线识别系统性能分析

3.1RFID识别系统可靠性评估参数

RFID识别系统的多天线布局在对多标签进行识别时，可以减少标签的漏读现象，提高了RFID识别系统对多标签识别的可靠性，并且可以在多天线识别系统盘存过程中出现的参数中选择出可以表明识别系统可靠性的参数，本文将这个参数定义为系统可靠性系数。

定义1：系统可靠性系数μ为系统盘存过程中所有开启的天线均识别到的标签的个数N与系统识别到的标签总个数N之比。

公式（1）中，u e[0，1]，此参数反映出了在识别系统对标签盘存过程中受到不可靠性因素影响的情况，参数值越小表明识别系统受到不可靠性因素的影响越大，则系统的可靠性越低，反之识别系统的可靠性越高。当U的值为1时，识别系统的可靠性最高，此时可以认为整个盘存过程中没有出现漏读情况。

3.2 RFID识别系统仿真分析

系统仿真参数的设置：待识别的标签数量为N=300，多天线个数已经确定为M=4。在仿真参数确定后，本文进行100次系统识别仿真，并进行仿真结果分析。

首先分析單天线读取率p与系统识别到的标签个数、启动的天线个数之间的关系，仿真结果如图4所示。概率p是单个天线对标签的识别率，即待识别的每个标签能够被识别到的概率，p的值越大，则所有开启的天线识别到的标签集合的交集越大，识别系统受到的不可靠因素影响越小。

图4（a）是系统识别到的标签总数随单天线读取率p的变化曲线，这个曲线显示出了识别到的标签个数随着p值的增大而增大，在p值大于0.6之后，系统实际识别到的标签总数接近待识别的标签个数300。图4（b）是系统实际开启的天线个数随单天线读取率p的变化图，此图显示出了系统实际开启的天线个数随着p值的增大而减少。在图4（b）中可以看到两个关键点，在p值小于0.5时，系统实际开启的天线个数为4个，而当p值大于0.9后，系统实际开启的天线个数为大多为两个，由多天线控制算法的特点可知系统开启的天线个数最少也要两个，所以当p值为1的时候天线的开启个数也为两个。图4（c）是系统可靠性系数随单天线读取率p的变化曲线，这个曲线显示出了系统可靠性系数u的值是随着P值的增大而增大的，即P值越大，系统可靠性越高，在p值小于0.4左右的时候，系统可靠性系数接近于0。

识别系统开启的天线个数与系统可靠性系数的关系如图5所示.

图5是识别系统实际开启的天线个数随着系统可靠性系数u的变化图。从图中可以看出系统可靠性系数在小于0.6时，因为天线总个数为4个，系统实际开启的天线个数为最大个数4，当u值大于0.8时，识别系统开启的天线个数开始出现较少的趋势。

从以上对识别系统仿真结果的分析可知，RFID多天线识别系统可以提高多标签识别的可靠性，多天线控制算法的引人提高了识别系统的效率，其中系统可靠性系数u提供了一个可以对识别系统可靠性能进行评估的指标。

4结论

超高频RFID多天线识别系统采用空间多样性减少RFID识别系统读写盲区的方法，提高了RFID识别系统的可靠性。多天线控制算法的引人又在系统效率方面进行了提高，达到了快速可靠识别大量标签的目的，并提供了一个可以对识别系统的可靠性能进行评估的参数，即系统可靠性系数。仿真结果表明了超高频RFID多天线识别系统对提高多标签识别的可靠性能效果显著，是多标签无漏识别技术研究和广泛应用的重要方面。