Vol. 44 No. 2Apr. 2021
第44卷第2期2021年4月
电子器件
Chinese Journal of ElccLmn Devices
RFID Communication Modeling for Multiple Tag Antennas
Based on EPCglobal Standard *
CHEN Guanghua 1 * , ZHANG Yong 2
(1. Department of Communication Engineering , Sichuan Post and Telecommunication College , Chengdu Sichuan 610067 , China ；
2.School of Medical Information Engineering Chengdu University of TCM , Chengdu Sichuan 611137, China)
Abstract :The Multiple InpuL Single OuLpuL RFID communicaLion with multiple Lag anLennas i
s studied. Firstly, based on the EPCglobal standard of UHF RFID transmission , the transmission link model of RFID communication is
established , and two specifications of backscattering data encoding/decoding principles are discussed. Then , the channel model of RFID communication is proposed, and two kinds of channel structures based on the proposed channel model and their fading channel models related to RFID communication are discussed.Finally , the diversity technology and propagation model for RFID communication of multiple tag antennas are proposed. The simulation results show that the diversity gain is not only related to the channel model and the encoding scheme adopted , but
also to the correlation of forward/backward links and the spatial correlation of channels , namely , it decrease as the
adoption of more robust encoding scheme and the increase of spatial correlation between transmission channels and
increases as the increase of forward/backward link correlation.
Key words :radio frequency identification ； backscattering communication ； multiple input single output ; diversity ; correlation ； signal-to-noise ratio/Bit error rate
EEACC ：5270 doi : 10・3969/j ・issn .1005-9490・2021・02・034
基于EPCglobal 标准的多标签天线的RFID 通信建模* 陈光华1*，张勇2
(1.四川邮电职业技术学院通信工程系，四川成都610067；2.成都中医药大学医学信息工程学院，四川成都610075)
摘 要：针对采用多标签天线的多输入单输出RFID 通信进行了研究。首先，基于超高频RFID 传输的EPCglobal 标准，建立 了 RFID 通信的传输链路模型，并讨论了 2种规格的后向散射数据编码/解码原理；然后，提出了 RFID 通信的信道模型，并讨 论了基于所提出信道模型实现的2种信道结构及其与RFID 通信相关的衰落信道模型；最后，提出了实现多标签天线的RFID 通信的分集技术和传播模型。仿真结果表明，分集增益不仅与信道模型和采用的编码方案有关，而且与前/后向链路的相关 性及信道的空间相关性密切相关，即随着更鲁棒编码方案的采用和传输信道之间空间相关性的增大而减小，随着前/后向链
路相关性的增大而增大。
关键词：射频识别；后向散射通信；多输入单输出；分集；相关性；信噪比/误码率
中图分类号:TN919
文献标识码:A
文章编号：1005-9490( 2021) 02-0444-07
射频识别(Radio Frequency Identification ,RFID)[l]
通常用于存在严重衰落的高散射环境中，这使得分集
在这种通信场合中显得尤为重要；在RFID 技术中，通 信是通过后向散射[2-3]进行的，其中连续波 (Continuous Wave ，CW)发送到标签并由其发射器反
射，反射可以由发射器的接收功率驱动，因而无需电
源。这使得该项技术非常方便廉价，因为标签不但尺 寸小，而且可以大量生产。此外，它还可以提供几米
以上的非视线(None Line of Sight ，NLoS )通信。
无源RFID 标签的主要研究方向是提高读取精
度和工作范围。为了对RFID 传播进行建模，需要在
衰落信道的环境下进行。在这种情况下，可以采用具
项目来源：四川省教育厅自然科学一般项目(16ZB0114)收稿日期：2020-07-15
修改日期：2020-09-02
第2期陈光华，张勇：基于EPCglobal标准的多标签天线的RFID通信建模445
有莱斯分布(Rician-Distribution,RD)的衰落信道，但对于后向散射链路来说，这种模型只能提供粗糙的建模精度。因此,Wang等［4呻引入了并矢后向散射信道，这种信道考虑了前向和后向链路的RFID通
信特性，这意味着更严重的衰落，且这种深度衰落显著地降低了系统的性能；余开等［5］研究了前向与后向相关信道对系统识别性能的影响。将信道分为独立、相关和完全相关3种情形，并基于广义莱斯衰落信道模型，推导出了识别率的解析计算式，给出了任意相关系数和多种信道条件下识别率统一的计算式。仿真实验表明，不同相关系数、信道条件、灵敏度和距离对识别率有影响;Yuechun等⑷表明，对于某些星座来说，即使阅读器和标签之间的距离不是很大，读取速率也是非常差的;EPCglobal通信系统［7_9］不支持任何前向纠错(Forward Error Correction,FEC)，当系统工作在嘈杂的衰落信道中时，这就成为一个严重的问题;Kalaivani等［10］、柳臻一等［11］针对基于空间-极化分集的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)超高频RFID系统进行了分析，建立了MIMO 超高频RFID系统信道模型，将OSTBC编码应用于MIMO超高频RFID系统中，并对其编码性能进行了研究分析。实验结果表明，多个天线的使用明显提高了系统性能;Zhang等［12］针对具有单输入多输出(Single Input Multiple Output,SIMO)和多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)2种情况的RFID 后向散射系统，研究了前向和后向散射链路之间的信道相关性对误符号率(Symbol Error Rate,SER)的影响，并在任意相关Nakagami-m衰落信道上比较了具有最大比合并(Maximum Ratio Combining,MRC)接收的SIMO和MISO RFID系统的性能，导出了M元相移键控(M-PSK)和正交幅度调制(M-QAM)的渐近SER的封闭表达式和上界。
研究在使用2个标签天线即多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)情形下的EPC-global传输
协议的性能。结果表明，由于RFID通信中信道星座的不利，采用EPCglobal协议信号的可能分集增益(信噪比)不仅与信道模型和采用的编码方案有关，而且与前/后向链路的相关性及信道的空间相关性密切相关。
1基于EPCglobal标准的RFID通信
所考虑的通信系统基于超高频RFID传输的EPCglobal标准［13］，图1所示为RFID传输链路示意图。在传输过程中，阅读器发出一个CW，在这个波上，标签的信息是脉冲间隔编码(Pulse Interval Encoded,PIE)，并通过幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)或相移键控(Phase Shift Keying,PSK)进行调制。
阅读器读取范围内的任何标签都将通过使用FM0或Miller子载波编码和ASK调制反射输入的CW来发回它的信息；由于标签对噪声的灵敏度较高，因此仅考虑标签对阅读器的后向散射响应。然而，前向和后向衰落值由于其在传输过程中的依赖性也被考虑在内；下面对图1中标记区域标签信息的编码和解码进行讨论。
EPCglobal标准包括2种规格的后向散射数据编码。对于2种编码来说，是将一个比特扩展到一个码片序列中，该序列被定义为若干个1/0组合的序列，更多的码片意味着一个更鲁棒(抗干扰)但也更耗时的码组。最简单的就是FM0编码，它是由描述2个符号的边缘突变和1个零比特符号的中间边缘变化来区
分的。因此，1个比特可以是有2个码片值的FM0编码。图2所示为这种编码方案的状态图。
ASK(OOK)
图1RFID传输链路示意图
图2FM0编码状态图
对于Miller-M子载波编码来说，相移发生在2个零符号的边缘上，而且在1个符号的中间也存在相移。在这种情况下，相移意味着信号幅度不会从一个周期到另一个周期发生变化，图3所示为这种编码方案的状态图，这里没有考虑子载波；在实际中,M表示用于编码1个比特所用的周期数，其中每个符号需要发送t=2MT(M e{2,4,8}),T是一个
图3Miller编码状态图
446电子器件第44卷
码片的时间周期。M=8表示最鲁棒的但也是最耗时的传输模式。对于编码值的传输来说，数据是用每个码片持续时间T的值采样的。
解码是通过噪声比特流与可能符号的相关性来完成的。对于该计算，接收到的ASK信号被移位，因此高、低幅值电平具有相同的绝对值和不同的符号。此外，引入阈值A t，其中每个接收到的大于阈值的码片值都设置为此阈值，即：
I A I=I A t I I A l>A t(1)式中：这些码片由于非常严重的衰落而达到很高的幅值。深度衰落等效于高噪声，会极大地改变传输系统的幅值，从而对系统的性能有轻微的负面影响。
2信道模型
信道可以通过采用归一化功率的特定衰落系数的发送符号的加权来建模，并通过一个加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道发送。于是，信道方程为：
厂=s+a・n(2)式中：发射符号s乘以一个复信道因子h，并通过一个复AWGN信道发送。n的实部①和虚部叫都是随机高斯数，且不相关，即：
(n r-N(0,b2/2)
ln l-N(0,b2/2)(3)式中Q2表示复高斯噪声的方差/功率[14],a是表示信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的一个因子:
a=P/1010(4)式中:P表示平均信号功率,SNR是以dB为单位的信噪比。在h中考虑信道的衰落，这一系数可以看作是AWGN噪声中的一个因素，或者是减小AWGN 噪声的一个因素。下面重点讨论基于上述信道模型的2种信道结构。
2.1Rician信道
RFID通信是在丰富的散射环境中进行的，在这种环境中，视线(Line of Sight,LoS)路径通常是可用的，
为此采用Rician信道模型。这种模型的信道因子h有2部分，实值视线部分和表示信号散射部分的复值NLoS部分，这部分由一个复高斯随机数h r a y 来表示，其特征与具有零均值和归一化功率的高斯噪声的随机数相同。这两部分之间的关系为：
h=JP lo S+丿P NLoS.h ray(5)
式中:P lo S=K/(K+1)和 P NLoS=1/(K+1)可以用Rician因子K=P l”s/P nl”s来描述,K表征了LoS的功率与NLoS的功率分量之间的关系。
随机变量h的包络服从Rician分布且可定义为K的函数[|5]:
/(I h I)=2I hI-(1+K)-exp(-I h I2)-(1+K)-K)-
I0(2IhI•K(K+1))(6)式中：I o为第一类零阶修正Bessel函数。对于K=0, Rician分布就变成一个瑞利分布，对于K—8，分布变成一个在I h I=1的Dirac分布，等价于一个AWGN 信道。对于变量K来说，这种分布行为如图4所示。
图4不同K值的Rician分布数I hl的包络
2.2并矢后向散射信道
尽管Rician信道对于LoS衰落信道来说是一种合适的模型，但它仅限于单向信道。由于来自于标签的RFID通信是通过后向散射完成的，因此存在可用的前向和后向链路。在这种情形下，Rican信道只能被看作是RFID通信的一个粗略的模型。为了得到更精确的描述，应当考虑并矢后向散射信道。
这种信道可以描述为具有前向和后向链路的双向信道,2个衰落系数为hf和h。对于每个链路的总衰落来说，可以由这2个衰落系数相乘得到：
h=h f-h b(7)为了考虑前向和后向链路的统计相关性，引入链路相关性0WpW1，其中p=0表示统计独立的前向/后向链路衰落,p=1表示完全相关的前向/后向链路衰落，相当于hf=h b o对于具有链路衰落相关性0<p<1的信道特性来说,h/,ray和h b,ray可以通过2个不相关瑞利衰落系数h V1和h u2(具有零均值和相等的方差此=得到如下：
h/,ray=h U1
h b,ray=P'h U1+1-^2'h U2
P与衰落值的关系如下：
2C o V(Re(
h，ray),Re(h b,ray))
P=---------------------------------------
a r a b
=2C oV(血(❻吓)，血(伉问))
式中:Cov(•,•)是协方差算子和a b为衰落值的标准偏差。在下文中,oy=a b=1是有效的，同时在此假设下产生Rician衰落系数，在这种情况下，首先计
(8)
(9)
(10)
第2期陈光华，张勇：基于EPCglobal标准的多标签天线的RFID通信建模447
算瑞利数，然后用式(5)将瑞利数转换为Rician 数[16]；此外，在采用2个标签天线的传输过程中，对于前向/后向链路相关性，还考虑空间相关性Pspa['7], Pspa的定义与P的定义方法相同。考虑有1个阅读器和2个标签天线通过一个并矢后向散射信道上的MISO传输，则对于一个传输周期来说，衰落系数为：
仏l,ray=^Ui(11)
f c bi,r ay=P spa，/l U1+「pFg(12)
儿2,ray=Pspa%fl,ray+丿—Pspa%U3(13)仏2,ray=P•九2,ray+1_^2，(Pspa^b1,ray+1_P2pa'^U4)
(14)式中：仏”,…,h U4表示不相关的衰落系数。另一种计算仏ray的方法也是可以的，即兀冋和P与怎1,ray 和Pspa交换。对于单向信道中的相关链路(如Rician 信道中的MISO传播)来说，在计算过程中不考虑仏1和仏2。
为了区分并矢后向散射和单向信道的差别，要分别描述P=0和P=1时阅读器和标签天线之间的信道概
率密度函数(Probability Density Function, PDF)。在这种情况下，后向散射信道中的2个链路都具有瑞利分布衰落，其PDF为⑷:
2(p+2)/(P+1) /(“l)=w)・fc+1Kd-
2"("+1)z(2l h l](5)
r(1/(p+1))'Kp/(p+1)I(p+1)5b b丿(1)式中:r(•)为Gamma函数,K p/(p+1)(-)为第二类修正贝塞尔函数,p/(p+1)为阶。
PDF如图5所示。后向散射信号的随机数往往有较小的值(l h l<1)，这相当于在传输过程中更大的破坏性衰落。此外，由于前向信道和后向信道的高度相关性，深度衰落就更明显。
图5具有瑞利随机数的并矢后向散射分布的
包络与正态瑞利分布的比较
3发射分集技术及RFID传播建模3.1发射分集技术
为了获得发射分集，对2个发射天线应用Alamouti方案[18]，如图6所示。表1所示为这种传输的编码方
案，其中2个任意符号在一个定时周期t 内通过2个天线发送。在下一个时间段t+T，符号在2个天线上切换，此外，对2个符号取共轭，并对第一个符号反转。通过这种方法，可以在接收机中实现2个符号的合并。
S1
S：
I合并器
图6采用2个发射机和1个接收机的
Alamouti方案传输
表1发射分集编码方案
发射天线1发射天线2 t s o S1
t+T_S1:S o:
对于组合方案，假设在2个定时周期内衰落为常数，则有:
(16)
卩1(t)=
h1(t+T)
\h2(t)=h2(t+T)
基于这个假设和表1中的编码就可得到接收信号如下：
卩0_r(t)=h1
+h2*s1+”0
V1=r(t+T)=-h1-s f+h2-S q+n1
为了将这2个信号合并在一起，将「°和「1用衰落系数加权，然后相加得到：
po=h：•「o+h2°「：
Is,=h：.「(,_£•「：
根据式(18)，假设在接收机上有精确的信道估计，因此计算结果可以写为：
厂YS o+
h：-o+h2；<
(S|=ys1_h1・”：+h：・”o
式中:Y是一个标量因子，它与衰落系数的大小成正比。在组合之后，就可以提取数据对。在本文中，分集方案是在信号调制之前采用的，因此2个天线上的符号编码都是在码片级上进行的。在接收机上的信号组合之后，如第2节所描述那样对比特进行解
(17)
(18)
(19)
448电子器件第 44 卷
码。对于这种组合方案，假设发射天线完全同步，这 对于带有多个天线的标签来说是成立的。3.2 RFID 传播建模
根据EPCglobal 协议对RFID 传播进行建模。只
考虑从标签到阅读器的后向散射传输，因为与前向链
路相比，它对噪声的敏感性更高。对于后向散射传输 来说，采用扩频序列对数据进行编码，将扩频后的数
据进行ASK 调制，然后在信道上传输。作为对该协
议的扩展，第4节中描述的发射分集技术在数据调制 之前在有2个标签天线的传输情况下执行。随后，按
式（11）~式（14）计算信道相关性。
为了比较分集增益，我们给出特定信道的信噪
比（SNR ）上的误码率（BER ）。这里SNR 为一个发 射和调制符号的能量E s 与噪声功率谱密度N 的比
值。值得注意的是，在MISO 传输过程中，在每个天
线上使用一半的功率。假设后向散射比特的最大数
目是根据EPCglobal 协议传输的，这意味着对于 FM0或Miller 子载波编码来说，在这些序列的前面
有2个前导码的采用16比特的RN16和采用528 比特的EPC 分别有18位或22位。还假设如果准
确检测到至少95%的前导码，则可以正确检测分 组，检测到1个信息位出错即表示分组出错。
4仿真结果及分析
4.1分集特性
图7所示为单向瑞利衰落信道上不同后向散射 编码方案和采用1个（SISO ）标签天线或2个
（MISO ）标签天线和1个阅读器天线进行传输时的
BER 与SNR 的关系曲线。可以看到，每种编码方案
都存在分集增益，且分集增益随着码组的扩展减小 而增大，即随着更鲁棒的编码序列而降低。如对于
最鲁棒的Miller-8编码来说，在SISO 和MISO 传输
时，当BER=10-4时，获得的分集增益分别为13.3 dB
和7.3 dB，而对于Miller -2编码来说，在SISO 和 MISO 传输时，当BER = 10-4时，获得的分集增益分
别为36.4 dB 和21.2 dB ；较弱扩频序列的较好的分
集性能是由于在传输过程中编码性能较低， 所以对
于更脆弱的扩频序列来说，分集潜力更大；在通常的 超高频RFID 传输中，FM0和Miller-2码是最常见 的扩频序列，因为传输速度更快；图8所示为对于具
有LoS 路径的K =3的Rician 单向衰落信道得到的
不同后向散射编码方案和采用1个（SISO ）标签天
线或2个（MISO ）标签天线和1个读取器天线进行
传输时的BER 与SNR 的关系曲线，可以看到，在相
同的BER 值时，分集增益相比于图7的单向瑞利衰
落信道，分集增益减小了 1.0 dB~2.5 dB 。
10°
10 20 30 40 50
FMO SISO Miller-2 SISO 十 Miller-4 SISO -e- Miller-8 SISO
FMO MIMO Miller-2 MIMO ■ Miller-4 MIMO -•- Miller-8 MIMO
SWdB
图8 Rician 单向衰落信道中不同后向散射编码方案
在SISO/MISO 及1个阅读器天线传输时的
BER 与 SNR 的关系
图9所示为EPC 长度为528位、不同后向散射 编码方案以及在不相关前向和后向链路的并矢后向
散射信道中采用1个（SISO ）标签天线或2个 （MISO ）标签天线和1个阅读器天线传输时的BER
与SNR 的关系曲线，前向和后向两个链路都为K =
0.5的Rician 分布。从图9可以看到，完全不相关
（p =p spa = 0）的并矢后向散射信道的分集增益相比
于单向信道（图7的单向瑞利衰落信道和图8的
Rician 单向信道）有增加，如当BER= 10-2时，完全
不相关的并矢后向散射信道对于Miller -2编码来 说，在SISO 和MISO 情形下，获得的分集增益分别 为55 dB 和31 dB，而对于图7的单向瑞利衰落信道
和图8的Rician 单向信道，获得的分集增益分别为17.5 dB 和 10.9 dB （见图 7）和 11.2 dB 和 7.5 dB （见
10°
-e- FMO SISO -•- Miller-2 SISO
Miller-4 SISO -e- Miller-8 SISO
-tr-
FMO MIMO Miller-2 MIMO -■- Miller-4 MIMO -•- Miller-8 MIMO
SNR/dQ
图7单向瑞利衰落信道中不同后向散射编码方案FMO SISO Miller-2 SISO 十 Miller-4 SISO -e- Miller-8 SISO
FMO MIMO Miller-2 MIMO ■ Miller-4 MIMO -•- Miller-8 MIMO
SNR/dB
图9完全不相关的并矢后向散射信道中不同后向在SISO/MISO 及1个阅读器天线传输时的
散射编码方案在SISO/MISO 及1个阅读器天线
BER 与SNR 的关系
传输时的 BER 与 SNR 的关系
100
豫公网安备41160202000603
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