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1、RFID测试与定位,二、,RFID定位技术概述,一、,RFID 测试技术,三、,RFID无线定位方法,二、,RFID定位技术概述,一、,RFID 测试技术,三、,RFID无线定位方法,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（1）RFID系统测试必不可少 世界各发达国家和国际跨国公司对RFID技术非常重视，都在加速推动RFID技术的研发和应用进程，而RFID系统测试则是RFID技术研发和应用实施过程中的重要技术保障。由于RFID系统应用的现场环境大多比较复杂，如需经历反复击打、高温或低温、油污影响等传统条码无法胜任的场合，因此，必须要考虑到RFID设备的故障率问题。通常在设备上线调试之初
2、，我们一般把设备（包括电子标签、读写器、网络和软件）不能正常处理信号的概率保守地设为5%左右。因此，在投资和实施RFID解决方案之前，按照测试方法和流程进行一定的测试及仿真试验是必要的。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（2）RFID系统测试研究现状 鉴于RFID测试的重要性，国际上一些RFID的推动者如HP、IBM、Sun及Microsoft等公司已开始在世界各地建立相应的测试实验室,开展相关的研究和实验。IBM在欧洲成立了测试和互操作性实验室用来指导并提供RFID技术，这个实验中心将测试RFID芯片、数据识别器和相关的应用软件以验证它们之间的相互配合情况；Sun则在整合了硬件
3、、软件和服务后推出了多层的Sun EPC网络架构，并在全球各地部署了多个RFID测试中心；韩国提出了“测试床建设计划”(Test-bed Building Plan)，建立RFID/USN综合测试中心。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（2）RFID系统测试研究现状 鉴于RFID测试的重要性，国际上一些RFID的推动者如HP、IBM、Sun及Microsoft等公司已开始在世界各地建立相应的测试实验室,开展相关的研究和实验。IBM在欧洲成立了测试和互操作性实验室用来指导并提供RFID技术，这个实验中心将测试RFID芯片、数据识别器和相关的应用软件以验证它们之间的相互配合情况；Su
4、n则在整合了硬件、软件和服务后推出了多层的Sun EPC网络架构，并在全球各地部署了多个RFID测试中心；韩国提出了“测试床建设计划”(Test-bed Building Plan)，建立RFID/USN综合测试中心。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（3）RFID系统测试的主要内容 RFID系统测试可以分成以下几类：功能测试、性能测试、安全性测试、一致性测试。由于典型的RFID系统包括RFID标签、RFID阅读器和RFID后台系统三部分。1）RFID系统功能测试RFID标签功能测试：包括标签解调方式和返回时间测试，标签反应时间测试，标签反向散射测试，标签返回准确率测试，标签返回
5、速率测试等；阅读器功能测试：阅读器调制方式测试，阅读器解调方式和返回时间测试，阅读器指令测试等；RFID后台系统功能测试：包括RFID中间件系统功能测试和RFID应用系统功能测试。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（3）RFID系统测试的主要内容2）RFID系统性能测试RFID标签性能测试 包括工作距离测试，标签天线方向性测试，标签最小工作场强测试，标签返回信号强度测试，抗噪声测试，频带宽度测试，各种环境下标签读取率测试，标签读取速度测试等。RFID阅读器性能测试 包括识别速率测试，灵敏度测试，发射频谱测试等。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（3）RFID系统测试
6、的主要内容2）RFID系统性能测试RFID系统通信链路性能测试 测试不同参数（改变标签的移动速度、附着材质、数量、环境、方向、操作数据大小以及多标签的空间组合方案等）的系统通信距离、系统通信速率。RFID标签及阅读器空中接口测试 针对标签和阅读器相互通信的测试，以确定RFID标签与阅读器的通信参数如工作频率，工作场强，数据速率和编码、调制参数、帧结构、通讯时序等测试。RFID后台系统性能测试 包括RFID中间件系统性能测试和RFID应用系统性能测试。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（3）RFID系统测试的主要内容3）RFID系统安全性测试RFID标签安全性测试 主要对标签上存储
7、器、采用的加密机制、标签上不同信息区进行测试。阅读器的安全性测试 主要对阅读器上存储器、采用的加密机制、使用的系统软件进行测试。RFID标签和阅读器通信链路安全性测试 包括标签的访问控制、安全审计测试；标签内容操作（如读，写，复制，删除，修改等）安全性；标签和阅读器之间空中接口通信协议安全测试。RFID后台系统安全性测试 包括RFlD中间件与阅读器之间的通信过程安全性测试、RFID中间件系统自身的安全性测试、RFID应用系统安全性测试。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（3）RFID系统测试的主要内容4）RFID系统一致性测试 RFID系统一致性测试主要是测试待测目标是否符合某项
8、国内或国际标准（例如ISO/IEC 18047系列标准）定义的空中接口协议，包括标签空中接口一致性测试、阅读器空中接口一致性测试。,一、RFID测试技术,RFID系统测试技术概述（4）RFID系统测试环境RFID系统测试环境应包含以下几个主要方面：1）测试场地：由于RFID产品性能参数不同，其读取范围也从几厘米到几十米、上百米不等，需要有多样的测试场地。2）测试设备：针对RFID标签及阅读器的数据采集设备，如场强仪、测速仪等；专业的数据分析设备，如实时频谱分析仪、矢量网络分析仪、射频阻抗/频谱/网络分析仪、精密LCR表、矢量信号发生器、EMI/EMC预兼容测试系统等。3）测试工具：RFID标签
9、测试系统、阅读器测试系统、射频设计与仿真软件系统、辅助分析工具等。4）辅助测试设施：如贴有标签的货箱、托盘、叉车、集装箱等。除此之外，在部分测试过程中还可能需要用到特殊设备，如要测试系统在无干扰环境下的表现就需要对外界信号进行屏蔽，这就需要屏蔽室、电波暗室或RFID终端系统模拟实验室等。,一、RFID测试技术,2.系统测试流程 研究RFID测试技术，最重要的是研究RFID系统测试的流程、规范及其方法。根据国内外最新研究进展，我们总结了测试流程及方法的总体结构图，如右图所示。,一、RFID测试技术,3.系统测试的规范 测试中需要对标签测试、读写器测试、空中接口一致性测试、协议一致性测试、中间件测
10、试等进行规范。1）对于标准符合性测试 测试待测目标是否符合某项国内或国际标准（例如ISO18000标准）定义的空中接口协议。2）对于可互操作性测试 测试待测设备与其他设备的协同工作能力。,一、RFID测试技术,3.系统测试的规范 3）对于性能测试 对于性能测试具体内容有RFID标签测试、RFID读写器测试和RFID系统测试。RFID标签测试包括工作距离测试、标签天线方向性测试、标签最小工作场强测试、标签返回信号强度测试、抗噪声测试、频带宽度测试、各种环境下标签读取率测试、标签读取速度测试等；RFID读写器测试包括灵敏度测试，发射频谱测试等；RFID系统测试包括电子标签和读写器，测试不同参数（改
11、变标签的移动速度、附着材质、数量、环境、方向、操作数据小、以及多标签的空间组合方案等）的系统通信距离、系统通信速率。,一、RFID测试技术,4.RFID系统测试的步骤 测试过程并不是自由的，对于不同产品的测试报告，其可比性是建立在相同的测试条件和测试程序基础上的。因此，应该有一套完整的测试规范来控制整个测试过程。针对RFID系统的测试应首先从应用出发，根据影响读取率的因素逐一进行测试，如速度、介质、环境、标签方向、干扰等，通过这样的测试，才能了解产品在实际应用过程中的表现，从中得出有用的结论，指导产品的使用。举例来说，针对RFID标签读取率的静态测试流程如下:（1）布置测试环境（2）记录环境数
12、据（3）测试不同位置的读取率（4）分析测试数据,一、RFID测试技术,4.RFID系统测试的步骤 测试过程并不是自由的，对于不同产品的测试报告，其可比性是建立在相同的测试条件和测试程序基础上的。因此，应该有一套完整的测试规范来控制整个测试过程。针对RFID系统的测试应首先从应用出发，根据影响读取率的因素逐一进行测试，如速度、介质、环境、标签方向、干扰等，通过这样的测试，才能了解产品在实际应用过程中的表现，从中得出有用的结论，指导产品的使用。举例来说，针对RFID标签读取率的静态测试流程如下:（1）布置测试环境（2）记录环境数据（3）测试不同位置的读取率（4）分析测试数据,一、RFID测试技术,
13、5.RFID测试中心 RFID技术作为无线领域的核心技术之一，其吸引力正与日俱增，到2015年，全球RFID市场将增长到245亿美元。解决RFID项目所遇到问题的关键，就是需要研究开发一套先进的、能体现典型场景的技术测试软件和完整的示范应用框架。RFID测试中心于是应运而生。全球几大主要地区RFID测试中心：,二、,RFID定位技术概述,一、,RFID 测试技术,三、,RFID无线定位方法,二、RFID定位技术概述,定位管理被认为是无线射频识别技术(RFID)的一个重要发展方向，RFID技术在实现定位管理系统的灵活性、可维护性和可扩展性方面具有巨大的潜力。基于RFID的定位管理系统必须能够根据
14、不同应用的需求进行快速部署,并且能够快速有效地生成位置信息。,1.常见的定位技术 随着各个领域中对定位管理要求的显著突出，定位技术的研究也日趋成熟，其中GPS、Wi-Fi和RFID技术较为成熟。主要定位技术进行分析和比较：（1）GPS卫星定位技术 GPS是美国从20世纪70年代开始研制的系统，于1994年建成。GPS是一套具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。1）GPS卫星定位技术的原理 从整体上说，GPS主要由三大部分组成：空间部分、控制部分、用户部分。空间部分由卫星星座构成。系统由24颗位于高空的卫星群提供信息
15、。各个卫星以55等角均匀地分布在6个轨道面上，并以11小时58分的时间周期环绕地球运转。在每一颗卫星上都载有位置及时间信号。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术 客户端的GPS设备，在地球上任何地方都可以接收到至少5颗卫星的信号。控制部分由地面卫星控制中心进行管理。用户部分则追踪所有的GPS卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间，GARMIN GPS即属于此部份。2）GPS卫星定位技术的精度与应用分析 目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，虽然GPS定位系统发展的比较成熟，在民用领域中的应用也越来越广泛。但由于GPS定位原理的限制,GPS接收器至少要从3个卫星上
16、获取信号，然后根据信号画出三角坐标。在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，这时候GPS的接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（2）Wi-Fi定位技术 1）Wi-Fi定位技术的原理 Wi-Fi网络会像GPS卫星一样发出信号。Wi-Fi设备先是搜索信号，之后通过以前就识别出来的连接或者一系列可用连接来接驳到Wi-Fi网络。这个搜索过程和GPS接收器搜索卫星信号并无区别。不过，装有Wi-Fi设备的电脑搜索的是地面上的Wi-Fi无线网络的信号。2）Wi-Fi定位技术的精度在室外，由于
17、接入点不普及，以及接入点位置不明确，定位精度不理想。在室内，采用各种定位方式，对环境因素的适应性不同，一般可以达到3米到15米不等。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（2）Wi-Fi定位技术 3）Wi-Fi定位技术的应用分析 虽然比起GPS定位技术，Wi-Fi定位技术有一定的优势，这些优势在场馆建筑内的定位实现中更为明显。但Wi-Fi定位技术也有其局限性。由于AP所发送的无线信号的工作频率为2.4GHz，很容易受到环境因素的影响，无线信号会被环境中的一些元素所消减。因此，这些因素对于Wi-Fi定位精度有不可估计的影响。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（3）RFID定位
18、技术 无源标签的定位原理：在使用无源标签进行定位的时候，常常使用辅助标签来提高定位的精度。辅助标签的部署和使用如下图所示。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（3）RFID定位技术 根据场所的具体情况，按需要均匀的部署辅助标签和读写器。一般可以通过两种途径来表示辅助标签离读写器的距离远近。第一种方法是使用可以通过调节能量层来调节读写距离的读写器，每一个辅助标签在何能量层上被读写器读取到，这一能量层数据就表示出这个辅助标签离读写器的距离的远近。能量层数据越小，辅助标签离读写器越近；能量层数据越大，辅助标签离读写器越远。第二种方法是根据读写器发送信号至读取到标签信息之间的延迟来表示辅助标
19、签离读写器的距离的远近。延迟时间越短，辅助标签离读写器的距离越近；延迟时间越长，辅助标签离读写器的距离越远。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（3）RFID定位技术 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下三种：第一种方式是标签定时回报方式：可以在电子标签设定定时回报，将识别号码定时传回读写器。,二、RFID定位技术概述,a.定时回报 b.主动搜索 c.指位器,1.常见的定位技术（3）RFID定位技术 第二种方式是读写器主动搜索方式：利用读写器主动去搜寻覆盖范围内的电子标签。如上图b所示，上图中紫色区域为读写器的读取范围，当携带标签的人员进入该区域，读写器就可以获得该人
20、员的标签信息，人员的位置信息就被记录下来。一般，这种定位方式的定位精度是由读写器的读取范围来决定的。当需要调整定位精度的时候，可以通过多个读写器协同工作，然后根据一定的算法，获得人员的位置信息。,二、RFID定位技术概述,1.常见的定位技术（3）RFID定位技术 第三种方式是指位器方式：在一个读写器的读取范围内，可以部署多个指位器，各指位器有自己不同的覆盖范围。当半有源标签进入了某一个指位器的范围内，此标签即被该指位器激活，并将自身的标签信息和指位器的信息同时发送给读写器。每一个指位器的范围为2-30m可调。因此我们可以根据实际情况要求的定位精度来部署指位器，调节指位器来满足实际需求。在上图c
21、中，一个读写器的读取范围内部署了4个指位器，形成了4个圆形的覆盖区域。当一个携带有半有源标签的人员进入LC2所覆盖的范围内，此标签被激活，并将标签信息和LC2的信息发送给Reader。所以，我们就可以知道该人员的当前位置处于LC2的覆盖范围中。,二、RFID定位技术概述,二、,RFID定位技术概述,一、,RFID 测试技术,三、,RFID无线定位方法,工作在UHF频段的RFID系统可以借鉴比较成熟的无线定位方法。与传统的无线定位方法一样，按照定位方式的不同，RFID定位方法可分为三大类:时间信息定位(TOA和TDOA)、信号强度信息定位(RSSI)和到达角度定位(AOA)。,三、RFID无线定
22、位方法,1.利用到达时间信息的定位方法 在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分为到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)。(1)TOA定位方法 由于己知电磁波在自由空间的传播速度c(3l08m/s)，若阅读器测得电磁波从标签到阅读器的传播时间tl、t2、t3，则标签到各阅读器的距离即为Ri=cti(i=1，2，3)。且系统已知阅读器的位置坐标(xi，yi)，根据几何原理，标签一定位于以阅读器i所在位置为圆心，Ri为半径的圆周上，即标签位置(x0，y0)与阅读器位置(xi，yi)之间满足如下关系:,三、RFID无线定位方法,1.
23、利用到达时间信息的定位方法联立方程式就可以求出标签的位置坐标(x0，y0)。,三、RFID无线定位方法,基于TOA定位,1.利用到达时间信息的定位方法 在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分为到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)。(2)TDOA定位方法 阅读器Reader1、Reader2与标签之间的距离差可以通过测量得出，即通过测组从两个阅读器同时发出的信号到达目标标签的时间差t21来确定。R21=c.t21其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据几何原理，在己知阅读器BS1、BS2和标签之间的距离差时，标签必定位于以两阅
24、读器Reader1和Reader2为焦点、与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线对上。当同时知道阅读器Reader1、Reader3与标签的距离差R31=c.t31时，可以得到另一组以两阅读器Reader1和Reader3为焦点、与该两个焦点距离差为R31的双曲线对上，如图下图所示。,三、RFID无线定位方法,1.利用到达时间信息的定位方法,三、RFID无线定位方法,TDOA双曲线定位方法,2.利用到达场强信息定位方法,三、RFID无线定位方法,根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路。如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据Friis传输理论空间任一点的接收功率或场强(功率正比于
25、场强的平方)仅与距离有关。自由空间传播模型为:,其中，Pt表示标签的发射功率，表示第i个阅读器接收到的功率，表示电磁波的波长，Gt，分别表示标签及第i个阅读器天线的增益，Di是标签到第i个阅读器的距离。在实际系统中，由于Pt，Gt，都是已知的，而只又可以测量得到，因此可以根据上面公式计算出标签到阅读器距离Di。,2.利用到达场强信息定位方法,三、RFID无线定位方法,基于场强的定位方法,上图中三个阅读器Reader1、Reader2、Reader3的位置坐标均已知，通过测量标签到达阅读器的电波功率可以由上页公式计算出三个阅读器到标签的距离D1、D2、D3。这样标签的位置就在分别以三个阅读器为圆
26、心，D1、D2、D3为半径的圆的交点处。,2.利用到达场强信息定位方法,三、RFID无线定位方法,根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。,(1)经验定位 采用经验定位时物体定位的全过程分为两个阶段:数据收集阶段和数据处理阶段。第一个阶段是离线状态阶段，即数据收集阶段。在系统覆盖的范围内取一些关键的位置作为参考点PN(N是参考点的总数)，然后把移动终端摆在这些位置确定的参考点上，系统中的三个阅读器分别接受到移动终端的发来的信号强度s1、s2、s3，三个阅读器接受到的信号强度和移动终端当前的所在的参考点的位置信息一并发往后台数据库。数据库为给参考点建立这样的数据记录(s1，
27、s2，s3，Pn)n从1取到N。可以看出这个过程是个学习积累经验的过程，参考点的数目和位置的选取会直接影响到物体定位的精度。,2.利用到达场强信息定位方法,三、RFID无线定位方法,根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。,(1)经验定位 第二阶段是数据处理阶段，即实时的物体定位过程。当移动终端处在某个位置时，系统中的三个阅读器将测得RF信号强度(s1，s2，s3)和当前时间t作为时间戳一起送往数据库，这个时间戳用于对移动的物体进行实时的追踪。数据库将送来的(s1，s2，s3)依次与每条记录(S1，S2，S3，Pn)做R=sqrt(S1-s1)*(S1-s1)+(S2-s
28、2)*(S2-s2)+(S3-s3)*(S3-s3)，找出R值最小的K条记录，这k位置的均值就是估算出来的物体位置。,2.利用到达场强信息定位方法,三、RFID无线定位方法,根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。,(2)信号传播模型定位 信号传播模型定位的目的是减少定位对经验数据的依赖。结合具体的应用环境在Rayleigh衰减模型、Rician分布模型等中选取一个或者设计一个新的信号传播模型，利用合适的信号传播模型为参考位置计算出理论上的信号强度。实时的定位过程与经验定位相似，不同之处是R值是由接受信号强度和按传播模型算得强度来计算的。虽然信号传播的定位精度不如经验定位
29、，但是不需要经验定位在离线阶段做的大量测量工作。,三、RFID无线定位方法,3.利用到达角信息定位方法(AOA),到达角(AOA-Angle of Arrival)定位方法是每一个阅读器都安装天线阵列，阅读器通过阵列天线测出从标签到2个以上阅读器的传输路径的到达方向(电波的入射角)来获得位置信息。,接收信号到达角的确定,三、RFID无线定位方法,3.利用到达角信息定位方法(AOA),如上页图所示，通常标签处于天线阵元的远区场，因此可近似地将标签的来波波前看作是平面波，则间隔位置为d的相邻阵元所接收到的来自同一标签的到达角为。的相位差为,其中表示空中传播的无线信号的波长。根据前面测量不同阵元接收信号的相差，可得到来波信号的到达角。根据两个阅读器接收到同一个标签Tag信号的到达角信息，可以利用几何知识计算出标签的位置。如图7-27所示，阅读器Reader1、Reader2测得的无线电波的到达角为1、2，标签位于分别经过阅读器Reader1、Reader2且以tan(1)、tan(2)为斜率的直线交点处。,THANK YOU,
