专利名称：Rfid标签探询系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于读取RFID (射频识别)标签、特别地UHF (超高频)RFID标签的系统、方法及计算机程序代码。
背景技术：
RFID已在很多应用领域中被用于检测和识别物品，从而与其它技术相比，允许在更大的范围上读取相当大数量的数据。其中特别关注的是高频(UHF)无源RFID系统，其希望利用自身无需功率源的标签提供十米量级的读取范围。然而，这些设备通常只有在离读取器天线几米距离时才具有高的成功读取的可能性。这种性能典型地明显限制了它们在将本地天线用于探询的环境中的应用。为了能够成功读取无源UHF RFID标签，它应当接收足够的射频(RF)功率以激活其内部逻辑电路和以足够的信噪比(SNR)返回信号给读取器。这种要求设定了有关最大标签范围的限制。然而，由于信号的窄频 带特性，真实环境中的衰减效应在上行链路和下行链路方向的自由空间损耗上产生较大变化，并且会阻碍标签的成功读取，即使完全落在最大读取范围内。因此，为了在真实应用中完全部署这些无源UHF RFID标签，需要用于长距离条件下的强力的读取技术。数项研究已经开展以提高无源UHF RFID系统的性能。然而，标准的RFID系统目前不能防止出错(即，100%的成功读取率)。举例而言，DanielM. Doubkin的“The RF inRFID-passive UHF RFID in practice”提出多种改善SNR的方法该作者建议在普通的直接转换I/Q解调器的同相(I)或正交(Q)通道中加入90°相移来改善标签背散射信号的SNR，因为背散射信号的相位因与它与标签的距离有关而不可预测。进一步举例而言，Mojix(http ://www. mojix. com/)具有一种无源 UHFRFID 系统，该系统具有相控阵列的天线(即，天线位于彼此的近场区域内)。这样允许使用相控阵列技术，例如形成为使链路预算最大化的数字束。这使得能够实现改善的接收机灵敏度，以及在工业、科学和医学(ISM)频带(902MHz和928MHz)上提供射频(RF)信号以激活标签的发射机。细节可以例如在W02007/094868、W02008/118875和W02008/027650中找到。更多的背景技术可以在EP2146304和US2008/0024273中找到。EPC global UHF Class IGen 2RFID协议标准允许美国的跳频O7HSS)技术和英国的会话前侦听技术以克服多重及密集探询环境中的干涉[关于RFID空中接口的EPC通用规范的有效链接http: //www. epcglobalinc. org/standards/uhfclg2/uhfclg2 I20-standard-20080511. pdf 1「EPC global UHF Class IGen 2RFID 规范，Alien 的有效链接http://www. rfidproductnews. com/whitepapers/files/ATffp EPCGlobal ffEB. pdfI。需要改善的用于读取特别地UHF无源RFID标签、以及用于尤其在其中在共同空间区域中可存有多个标签的场合对这种标签进行定位的技术
发明内容
根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于读取一个或多个RFID标签的RFID标签读取系统，该系统包括RF发射机和RF接收机，与所述RF发射机和所述RF接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收天线，以及与至少所述RF接收机耦合的标签信号解码器，其中所述系统被构造成将从所述天线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号，其中所述RF接收机将所述合并的接收的RF信号作为输入；其中所述天线彼此之间的间隔足以使一个所述天线不落在另一所述天线的近场内，其中所述系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取所述标签的标签读取回合，所述标签读取回合包括从所述多个天线同时发射RF标签探询信号，以及从所述标签的一个或多个处接收信号，所述标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，所述标签能够发射标签数据，该数据包括用于由所述天线接收的标签ID，其中所述系统被构造成在所述标签盘点循环期间执行以下操作中的一个或多个改变同时从所述多个天线发射的所述标签探询信号的频率，以及/或者改变从所述天线之一发射的所述RF标签探询信号关于所述天线中的另一天线的相对相位。在一些实施例中，通过将来自采用空间分集(即天线彼此间隔成不包括相控阵列)的系统中的天线的RF信号合并，以及通过使发射频率和相对相位中的一个或两个抖动，能够在盘点循环期间读取更多的标签。与直觉相反，该系统的运行速度也更快，因为存在更少的冲突(尽管人们可能会认为如果存在更多标签将会出现更多冲突)。稍后将提供有关这点的证据。在一些实施例中，频率/相位以相对较快的时标发生变化，例如在小于I秒、IOOms或IOms的时期内。与切换天线相比，将来自多个天线的RF信号合并使得冲突数量减少。在系统的一些优选实施方式中，RFID标签被构造成按照有关在公共空间区域读取多个无源RFID标签的协议工作，例如EPC Gen 2协议(出处同上)。在这种协议中，可以对标签总数进行估算，并且估算值只入不舍成为接下来的2的幂数，由此限定用于标签使用的发射槽的数量。该数量被发送给标签，使得标签能够选择槽，并在其中实施发射，且一旦被读则保持沉默(最终重新唤醒)。(在EPC Gen2中对术语“盘点回合”作了定义；该定义显然以参考的方式被结合) 。在标签读取回合期间，我们指的是上述标签在可用时间槽内被读取，且在一些实施例中，频率和/或相对相位则在执行另一标签读取回合之前发生改变。这是因为一定比例(例如大约一半)的标签在读取回合中被读取；在一些优选实施例中，对于标签可用的槽的数量被更新成接下来的2的幂数，其高出剩余的待读取的标签总数(注意，这可能是估算值，因为标签的总数可能是未知的)。在一些实施例中，该程序被重复进行，例如直至不再有标签可以被读取，或者重复给定或预定的持续时间，或者无限期地重复(因为标签最终重新唤醒)。该程序的一些优选实施方式在标签盘点循环期间改变发射信号的相对相位。在这种方法中，某一天线处的发射信号的相位可以被定义成参考值，关于该参考值来确定其它天线处的相位。在一些实施例中，系统还可以被构造成在将RF信号合并之前调节发射功率或接收天线增益，以优化合并的接收的RF信号，例如以便最大化信噪比或者最小化位或包的错误率。在一些优选实施例中，不同于切换式天线系统，系统具有至少三个空间位置不同的天线，这样使得性能得到改善。在一些实施例中，RFID标签为无源UHF(300MHz-3000MHz)RFID标签，其优选工作在小于IGHz的频率上，且优选地，这些天线彼此间隔至少I米、2米、5米、10米或20米。在上述系统的实施例中，读/写性能得到很大改进，使用范围增大，且标签读取SNR(信噪比)得到改善-特别在一些实施例中，已发现能够近似100%地读取由天线连接线限定的区域内的标签，以及基本消除零陷效应。在相关方面，提供了一种用于读取一个或多个RFID标签的RFID标签读取系统的使用方法，该系统包括RF发射机和RF接收机，与所述RF发射机和所述RF接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收天线，以及与至少所述RF接收机耦合的标签信号解码器，其中所述系统被构造成将从所述天线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号，其中所述RF接收机将所述合并的接收的RF信号作为输入；其中所述天线彼此之间的间隔足以使一个所述天线不落在另一所述天线的近场内，其中所述系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取所述标签的标签读取回合，所述标签读取回合包括从所述多个天线同时发射RF标签探询信号，以及从所述标签的一个或多个处接收信号，所述标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，所述标签能够发射标签数据，该数据包括用于由所述天线接收的标签ID，所述方法包括在所述标签盘点循环期间改变以下参数的一个或两个从所述天线之一发射的所述RF标签探询信号关于所述天线中的另一天线的相对相位，以及同时从所述多个天线发射的所述标签探询信号的频率。本发明还提供了用于例如在通用计 算系统或数字信号处理器(DSP)上实现上述系统和方法的处理器控制代码。该代码可以被提供在载体上，诸如光盘、CD或DVD-ROM、编程的存储器，诸如只读存储器(硬件)。用于实现本发明实施例的代码(和/或数据)可以包括采用诸如C语言这样的常规编程语言(编译或汇编)的源、目标或可执行代码，或者汇编码，用于建立或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA (现场可编辑门阵列)的代码，或者有关硬件描述语言的代码，所述描述语言诸如是Veri log (商标)或VHDL (极高速集成电路硬件描述语言)。本领域技术人员将认识到，这种代码和/或数据可以分布在彼此联通的多个耦合部件之间。这些天线可以通过同轴、光纤射频传输技术或经由任何其它合适的传输介质来馈电。在需要长距离(即超过100m)传输的场合，进出天线或天线单元的RF信号可能通过光纤射频传输装置/方法进行传播。类似地，在短途传输中，可优选同轴电缆或双扭线(即CAT-5/6)。在一些实施例中，所述发射/接收天线中的一个或多个可以包括漏泄馈线。因此还提供一种用于使用对一个或多个RFID标签进行读取的RFID标签读取漏泄馈线系统的系统/方法。在一些实施例中，该漏泄馈线系统包括RF漏泄馈线发射机和RF漏泄馈线接收机，与所述RF漏泄馈线发射机和所述RF漏泄馈线接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收漏泄馈线，以及与至少所述RF漏泄馈线接收机耦合的标签信号解码器。该系统被构造成将从所述漏泄馈线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号。RF漏泄馈线接收机将合并的接收的RF信号作为输入，漏泄馈线彼此之间的间隔足以使一个所述漏泄馈线不落在另一所述漏泄馈线的近场内。在一些实施例中，该系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取标签的标签读取回合，标签读取回合包括从多个漏泄馈线同时发射RF标签探询信号，以及从标签中的一个或多个处接收信号。标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，标签能够发射标签数据，该数据包括用于由漏泄馈线接收的标签ID。该系统/方法包括在标签盘点循环期间改变以下参数的一个或两个(的装置)从漏泄馈线之一发射的RF标签探询信号关于漏泄馈线中的另一馈线的相对相位，以及同时从多个漏泄馈线发射的标签探询信号的频率。
现在将参考以下附图以举例的方式进一步描述本发明的这些和其它方面图1，与符号读取器相结合的三天线分布式天线系统(DAS)。图2，关于三天线DAS的标签上的功率与相对于天线的距离的曲线。图3，2射线模型红线代表直接路径，蓝线代表从地板反射的路径。图4，20mX 20m区域上的天线设置。蓝色十字代表天线位置，红色十字代表网格点，在这些点上计算功率。图5，关于三天线DAS的标签上的功率与距离的曲线。它显示零陷如何随频率移动。红色和蓝色分别代表860MHz和920MHz。图6，关于三天线DAS的标签上的功率与距离的曲线。它显示零陷如何随相位移动。红色和蓝色分别代表各个天线的相位角0，0，0和8，0，JI。图7，利用2射线模型时信号功率上的空间变化图。绿色代表高于-15dBm的功率水平，红色代表低于-15dBm的功率水平(其代表零陷)。红色位置的数量为55. 7%。图8，在各个天线依次相移(180° )时信号功率上的空间变化图。绿色代表高于-15dBm的功率水平，红色代表低于-15dBm的功率水平(其代表零陷)。借助相位分集，红色位置的数量现在增加至77%。图9,有关频率抖动的实验装置。图10，天线设置。以(x，y)坐标的形式标出天线的位置(单位为米)。红色十字表示测量位置。图11，在频率选择恰当的情况下，返回信号强度随着关于三天线的距离的变化。红色数字表示Tx频率，在这些频率上零陷消失。图12，关于具有恰当选择的频率的三天线和三天线DAS系统的经实验测得的返回信号功率的累积概率分布。图13，有关相位抖动的实验装置。图14，关于三天线DAS、经优化(相位抖动)的三天线DAS及切换式三天线系统的经实验测得的返回信号功率指示(RSSI)的经验累积概率分布。图15，关于三天线DAS、下行链路及上行链路上具有功率分集的三天线DAS的经实验测得的返回信号功率指示(RSSI)的经验累积概率分布。图16，用于改进无源RFID覆盖范围的实验装置。图17，天线设置。以(x，y)坐标的形式标出天线的位置(单位为米)。红色十字表示测量位置。图18，关于三天线DAS和经优化 的三天线DAS的经实验测得的返回信号功率的累积概率分布。
图19，与Alien 8800RFID读取器相结合的双天线DAS。图20，在2m的高度上，在IOmX 4m的区域中按照25cm的网格间距放置140个Al ienHiggs2 标签。图21，关于普通的切换式天线系统和经完全优化的DAS系统的经实验测得的返回信号功率的累积概率分布。图22 =Gen 2协议的示意图；盘点主要通过计数和Q因子进行控制。在每个循环开始时，标签选择命令唤醒所有标签，然后进行具有Q个槽的计数读取尝试。图23，关于普通的切换式天线和经优化的DAS RFID系统的被读取标签数与时间的曲线。普通的切换式天线系统-2X68. 6 = 137. 2ms且精度为79% (140个标签中读取111个标签)=809个标签/秒。经优化的DAS = 119. 52ms且精度为100% (140个标签中读取140个标签)。注意，DAS读取111个标签只花费93. 42ms = I, 188个标签/秒。图24，它表明，与普通的多天线系统相比，经优化的DAS系统中的冲突数量减少了。图25，在采用Intel R1000读取器开发工具的RF前端中结合相位抖动技术。图26，它显示控制电压上的随机变化，即随机相位抖动。这通过使用C/C++语言的随机数发生器来实现。图27，作为原理论证的一部分，已经开发了基于Intel R1000的DASRFID系统。图28，在2m的高度上，在IOmX 4m的区域中按照50cm的网格间距放置80个AlienHiggs2 标签。图29a_29g分别示出了 关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的被读取标签数与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DASRFID系统的RN16超时数与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的接收的RN16数量与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的良好的EPC读取数与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的被读取标签数与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的RN16超时数与时间的曲线；关于普通RFID系统和经优化的DASRFID系统的接收的RN16数量与时间的曲线；以及关于普通RFID系统和经优化的DAS RFID系统的良好的EPC读取数与时间的曲线。图30，天线间距为20m的六边形结构。使用2射线模型时信号功率上的空间变化图。黄色代表高于-15dBm的功率水平，红色代表低于-15dBm的功率水平(其代表零陷)。蓝色十字指示天线位置。红色位置的数量为70%。图31 :示出了关于切换式天线和分布式天线系统(DAS)的功率水平(dBm)与标签位置(距离单位为米)的关系,标签通讯系统在860MHz和900MHz上，表明与单天线(切换式天线系统)相比，频率抖动对多天线(DAS)具有较强影响。图32 :示出了关于双天线DAS和切换式双天线的在860和950MHz之间进行频率抖动的效果(其中在860MHz和950MHz之间随机选取频率)，其表明与单天线(切换式天线系统)相比，频率抖动对多天线(DAS)具有较强影响。
具体实施例方式多光纤馈电的天线可以改善RFID系统的覆盖范围[S. Sabesan, M. Crisp,R. Penty,1. White, “Demonstration of Improved Passive UHF RFID Coverage usingOptically-Fed Distributed Mult1-Antenna System，，， IEEE International Conferenceon RFID, April 2009]。我们现在证明如何能够通过操纵从多个天线(它们被置于彼此的近场之外)到RIFD标签的读/写信号的相差和载波频率来提高覆盖范围。因此，我们要描述工作于分布式天线系统(DAS)之上的读/写系统。尽管可以采用同轴系统或使用其它传输介质的系统，但是我们的工作主要集中于使用光纤射频传输(RoF)系统来发射和接收从天线单元(AUs)到RFID标签的信号。如图1所示，由于空间分集，与利用单个全向和定向天线的无源RFID系统相比，使用数个天线减少了因零陷引起的误差。然而，在简单的模拟环境中，(由地面、屋顶和墙壁等反射引起的)多路径效应和DAS中的不同天线的信号之间的破坏性干涉引起深度衰落，如图2中所示。我们利用以下事实，即RFID标签在一定的载波频率范围内工作，且该范围(尽管较小)足以使得频率抖动能够让零陷离开特定位置，且同时通过控制各天线的发射幅度，剩余零陷的深度可被减小。与使用常规手段相比，通过使用这种组合方法能够在更大距离上实现基本无误差的读写及增强的返回信号强度(RSSI)。举例而言，以20m间隔放置三个天线，并且利用简单的2射线模型(图3)计算沿图4中示出的红十字的功率。它清楚表明，零陷随频率和相位抖动而移动，正如图5和6中分别示出的那样。因此，如果在数种频率和相位配置下实施标签探询程序，则任意给定位置上的标签将在这些组合之一中不会遇到零陷。由于标签通常处于未知环境中的未知位置上，因此可以通过详尽的搜索找到在标签处形成建设性干涉的幅度和频率的“正确”组合。图7以5cm的网格间隔示出了从发射功率均为+33dBm的三个天线处接收到的信号的功率。然后假定标签的阈值功率为_15dBm且该标签阈值功率为限制因素，利用它来判断是否能实现成功读取。如图8所示，显示借助相位抖动技术已使读取位置的数量从
55.7%增长至77%。相 位抖动技术在此实现了以下模拟，即所有DAS天线均达到相位匹配，且彼此之间偏差180度；然后对从这四种情况中得到的最大返回功率进行了绘图。频率抖动我们已经论证了通过使用多个发射天线和多个接收天线对接收的信号强度的改进和零陷数量的减少。然而，优选应进一步减少零陷数量以使RFID更为可靠。在此，应用了一种新颖的频率抖动技术以基本消除零陷的影响。通过改变RFID的载波频率，可以使零陷发生移动，且因此可以减少它们的平均瞬时效应。如图9中所示，在这项实验中，为了同时发射两种不同的频率，采用了两个信号发生器，一个信号发生器发射通用标签频段(从860MHz-960MHz)内的RFID载波信号，其向AUl和AU2馈电，另一信号发生器发射相同频段的信号，其向AU3馈电。对于无源RFID，英国法规允许将865. 5MHz和867. 5MHz之间的2MHz频带分成10个200kHz的通道；美国法规允许902MHz和928MHz之间的25MHz频带。图10示出了 10mX4m的实验室内的天线位置。这些天线的位置被选择成在杂乱房间的约束条件下实现覆盖范围的重叠。在这项和后面的实验中，按照IOcm的间隔沿着远离AUl的直线测量背散射信号功率。当遇到零陷时，改变载波频率以将零陷移至另一位置或将其消除。图11中示出了在频率选择适当的情况下，返回信号强度随着关于三天线的距离的变化。红色数字表示使零陷消失的Tx频率(MHz)。最佳的频率选择将读取位置的数量提高至95%，如图12中所示。提高的原因是RFID信号在不同频率下具有不同的多路径效应和增益。因此，在最佳的频率下，路径损失被降低；从而减小了衰减的几率。因此，频率的变化提供了改善系统性能的潜能。本领域技术人员将认识到，我们描述的频率抖动技术改善了无源RFID的覆盖范围，且不同于之前提及的EPC Class IGen 2RFID协议的HlSS (跳频)技术。相位抖动相位和功率控制被示出为多天线系统(图13)中的性能提供改善。通过在各天线信号之间提供相移，同时关于参考信号在0°和360°之间以24°的步阶改变相位，能够改善无源RFID的覆盖范围。通过将从各天线处接收到的信号合并且给来自各个天线的信号施加不同的增益以优化合并的接收信号的SNR，能够进一步改善覆盖范围；例如，通过在OdB至30dB之间以IOdB或更小的步阶改变各个天线单元(AU)的上行链路的增益。作为这些创新点的结果，我们已经论证了借助相位控制，利用三个发射天线及重叠单元可以使普通的DAS RFID系统的零陷数量从29%降至2%，如图14中所示。与普通的切换式多天线RFID系统相比，检测到的来自标签的信号强度也被观察到平均增大了约10dB。然而，当将三天线DAS系统与更为普通的在天线之间进行切换并选择最高SNR的多天线RFID系统进行比较 时，可以看到性能上的退化。通过图14中的⑶F曲线说明了这一点。可以看到，普通的切换式三天线系统具有14%的零陷，而三天线DAS系统具有29%的零陷。DAS系统中零陷数量的增长可以通过DAS中不同天线的信号之间的破坏性干涉(其引起衰减)来解释。然而，利用相位抖动技术优化DAS能基本消除衰减效应(取时间平均值时)，且由此能够提供明显优于普通的切换式多天线系统的优势，如图14中所示。这种改进已经利用R&S(Rohde&SchwarZ)SMIQ信号发生器和作为RFID读取器的R&S FSQ频谱分析仪(如图13中所示)进行了论证。通过在下行链路中分割天线信号和在上行链路中合并天线信号来形成这种三天线DAS系统。我们然后论证通过使用相位抖动技术对DAS的优化。通过每次从一个天线处发射和接收信号且随后从所有三个天线中获得最好的接收信号强度的方式对普通的切换式三天线系统进行测试。图15示出了当借助作用于三天线DAS系统上的功率抖动将三天线中的零陷数量从24%降至20%时，对来自其它接收天线的干涉形成抑制的、上行链路中的功率控制提高了接收信号强度指示(RSSI)。在所提出的光学UHF RFID系统中，上行链路和下行链路的增益以IOdB的步阶从OdB变化至30dB。原理上的证明(与频率抖动相结合的天线分集)已经利用场中的单个标签对改善的无源RFID的覆盖范围进行了原理上的论证；该系统在图16中示出。信号发生器和分析仪已被选来说明这种改进。设计了一款Labview程序来使两个天线之间的相差在0° -360°之间以24°的步阶自动变化，同时频率以IMHz的步阶从860MHz变化至960MHz。这项论证在20mX6m的区域上进行,如图17所示。与频率抖动技术相结合的天线分集被示出使成功读取的可能性从67%提高到100%，如图18所示。这项结果是在各天线处的EIRP为+30dBm的情况下取得的。多个无源RFID标签的覆盖范围的改进
在先前的段落中已经示出了单个标签的覆盖范围的改进。在此表明在多个标签上也能够取得类似的改进。如图19中所示，在该项实验中使用了与Alien 8800RFID读取器相结合的双天线。如图20中所示，在2m的高度上，在10mX4m的区域中按照25cm的网格间距放置140个Alien Higgs2标签。从各个AU中发射+32dBm的有效各向同性辐射功率(EIRP)，并且测量合并的经优化的标签返回信号RSSI。利用Labview程序，天线之间的相差在0° -360°之间以24°的间隔随机抖动，同时频率以200kHz的步阶从865. 7MHz变化至867. 5MHz。如图21中所示，与频率抖动技术相结合的天线分集被示出在完全优化的DAS中，标签读取精确度从79% (111个标签)提升至100% (140个标签)，其优于普通的切换式多天线系统。多个无源标签的读取率/速度的提高对低级别读取器访问能力的缺乏使得成品RFID读取器阻碍了 DAS优化算法和标签查询循环的集成。利用有关成功占据槽(具有有效的标签读数)、空闲槽及冲突(其引起补偿-如果存在过多冲突，则增加可用时间槽的数量，读取器检测冲突)数量的概率模型调查读取率。来自优化DAS读取多个标签的能力的早期测量结果的数据被用于模拟确定在各种状态下的优化DAS及普通系统的视野中存在多少独特的未盘点的标签。DAS与普通的RFID进行比较，其中所述普通的RFID在天线之间进行切换，执行盘点循环。Alien RFID 8800读取器利用两个主要参数来调谐多个标签的读取。Q因子确定在Aloha算法中分配多少个槽(2q)。在盘点中，Q因子可以关于各个计数发生变化。DASRFID系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个读取标签的标签读取回合，标签读取回合具有由标签槽计数器中的Q位随机数确定的一组时间槽，在此期间，标签使其槽计数器递减，并且能够在 标签槽计数器为0时发射标签数据，其中包括用于由天线接收的标签ID。在盘点循环期间，已读取的标签具有盘点位组，因此它们不参与后续的循环，从而使盘点变快。在每个循环开始时，标签选择命令唤醒所有标签，并且将其盘点位设为零。然后进行计数读取尝试。每次读取尝试为竞争的标签分配2Q个槽。该数字(Q)被发送给标签，并且使标签将Q位随机数加载到它们的槽计数器中。然后要求标签递减其槽计数器的数值，并且让它在且只在槽计数器为0时实施发送。一旦已被成功读取，则指示它们在由会话标记持续时间设定的时期内保持沉默(最终重新唤醒)。成功读取的标签具有盘点位组，因此它们在未来的计数中不再争夺槽，直至开始新的循环。DAS优化设置关于各个计数发生变化(图 22)。对于切换式系统中的每个天线而言利用80个标签进行模拟，而对于DAS系统则采用140个标签。图23表明通过模拟，与普通的切换式天线RFID系统相比，在优化DAS系统中能够获得提高47%的标签读取率(从809个标签/秒到1188个标签/秒)。这是通过减少每次读取中的冲突数量(图24)来实现的，因为DAS优化技术允许我们围绕场移动零陷。因此，任何时候都只有特定数量的标签处于活动状态(图24中的峰点是可用时间槽数量2Nm现下降的地方)。从实验结果中得出每种DAS设置下活动标签的数量。然后将其用于在我们的分析模型中模拟优化DAS。DAS优化技术作用于正好位于计数之上的循环(loop)(因此要针对每个DAS设置组合对Q因子进行调整)。这使得能够利用标签的盘点位来防止重新读取标签。原理论证证明已经对改进的读取速度/率的原理论证进行了证明。如图25中所示，开发了基于Intel R1000开发板的原型。R1000支持主机端应用(Intel收发机接口)。该收发机接口包括C/C++功能接口以与采用USB通讯的硬件模块进行通讯。当利用收发机接口实施盘点时，R1000以一连串数据包的形式经由USB接口将数据从Intel硬件返回给主机PC。当R1000返回指示盘点回合开始的盘点-回合-开始数据包时(如图25中所示)，利用由PC控制的压控移相器(如图26中所示)使相位随机变化。开发的三天线DAS RFID系统被构造成在UK RFID频带内发射信号，并且从各个天线处发射+30dBm的EIRP，如图27中所示。如图28中所示，在2m的高度上，在10mX4m的区域上按照50cm的网格间距放置80个Alien Higgs2标签。我们利用R1000开发板来实现固定和动态Q算法以读取多个标签。我们在此展示了基于这两种算法对标签读取的提高。基于R1000固定Q算法采用相位和频率抖动对读取率/速度的提高利用固定Q算法对如普通(其中三天线系统被用于同时发射信号)和优化三天线DAS RFID系统(其中将频率和相位抖动应用于三天线系统)般工作的系统进行盘点。如图29a中所示，普通天线系统的标签读取速度为38个标签/秒，而优化DAS RFID的速度为68个标签/秒。由此证实与普通系统相比，DAS RFID系统在读取率上有81%的提高。此外，如图29a中所示，利用DAS RF ID系统，在全部标签中有更大的比例保持了 > 110个标签/秒的初始读取率。标签读取率上的这种改进归功于以下事实由于DAS优化技术使零陷围绕场移动，因此利用该技术减少了各盘点回合内的冲突数量，提高了读取成功率。因此，任何时候都只有特定数量的标签处于活动状态。DAS优化技术作用于正好位于计数之上的循环(因此要针对每个DAS设置组合对Q因子进行调整)。这使得能够利用标签的盘点位来防止重新读取标签。图29b示出了关于普通RFID系统和优化DAS RFID系统的RN16超时数与时间的曲线。RN16超时是由冲突和空槽造成的。它清楚地表明，与普通RFID系统相比，DAS RFID遭遇更少的冲突和空槽。为全面比较，针对DAS RFID和普通系统，分别在图29c和29d中示出了接收的RN16数量和良好的EPC读取数(标签成功读取数)。这些结果清楚表明，在工作性能可优于普通RFID读取器的DAS RFID中，能够在标签总数较大的情况下获得高且持续的标签流量。基于R1000动态Q算法采用相位和频率抖动对读取率/速度的提高也利用动态Q算法对普通和优化RFID系统实施盘点。如图29e中所示，普通RFID系统呈现出71个标签/秒的标签读取率，优化DAS RFID提供84个标签/秒的读取率。因此，在标签读取速度上实现了 19%的提高。此外，利用DAS RFID系统，在全部标签中有更大的比例保持了> 140个标签/秒的初始读取率。图29f示出了关于普通RFID系统和优化DAS RFID系统的RN16超时数与时间的曲线。它再次表明，与普通RFID系统相比，DAS RFID遭遇更少的冲突和空槽。针对DAS RFID和普通系统，分别在图29g和29h中示出了接收的RN16数量和良好的EPC读取的数量。这些结果再次表明，在DAS RFID系统中能够获得高且持续的标签流量。论证者表明，在DAS RFID系统中获得提高的标签读取率的同时，在全部标签中有更大的比例保持了初始的标签读取率。这种改进归功于冲突数量的减少(动态聚合的结果)和读取成功率的改善(射频覆盖范围提高的结果)。期望借助获得更高集成度的针对读取器的下次开发，并且通过按照读取器协议配置标签以获取最大数据率，可以实现预想的> 1000个标签/秒的标签读取率。更高的集成度将通过对R1000读取器硬件进行编辑以提供对各个读取尝试的指示(从而实现与盘点回合内的各个读取尝试时的相位抖动的完美同步)来实现。多天线分布式天线(DAS)系统我们已经展示利用与频率抖动技术相结合的天线分集能够改善三天线DAS系统的无源RFID覆盖范围。因此存在形成利用6个三天线DAS形成六边形结构的多天线DAS系统的可能。如图30中所示，将六边形结构形成为实现花纹状单元。天线用蓝色十字示出。利用简单的2射线模型来模拟RFID的衰减。如图30中所示，按照5cm的网格间距计算从发射功率均为+30dBm的天线接收的信号功率。然后通过假设标签的阈值功率为_15dBm且该标签阈值功率为限制因素，利用它来确定在该位置上是否能够读取成功。通过使用天线分集和频率抖动技术能够减小衰减的时间平均效应。因此，可以形成多个六边形单元，且由此相信读取范围可以扩展至类似与无线局域网(WLAN)相当的值，于是可以借助公共基础设施获得无处不在的覆盖范围。预期在多天线DAS系统中需要读取大量的标签。因此可以将六边形结构分割成6个具有3个天线的单元，并且搜索、确保其它单元处于不同的频率抖动上。这可以通过利用单个天线同时发射2个或更多频率来实现。此外，如果标签密度较低，则可以同时扫描六边形中的所有6个三角形。因此，通道管理将是处理高容量标签的关键。因此，可以将频率重复使用、时间分集技术用于处理多天线DAS系统中的大量标签。应注意到，本发明的实施 例不仅提高了无源UHF RFID的覆盖范围，还能够为任何RF驱动的系统提供改善的性能。多天线分布式天线(DAS)系统中的天线和极化切换已证实，通过抖动相位和频率能够提高RFID的覆盖范围。然而，这种方法也可以与其它技术一同使用以进一步提高覆盖范围，这些其它技术诸如是极化切换(即，在特定位置上切换Tx和Rx天线的(垂直或圆)极化)，或者切换用于Tx和Rx的天线。这归功于以下事实由相位和频率抖动造成的形成建设性干涉的位置随着天线极化和辐射图而变化。多个天线上的频率抖动这涉及例如重复执行标签读取回合且随后改变频率的系统在从多个频率中随机选择使用频率的实施例中，频率抖动可以改变零陷的位置，从而将它们移离标签和促进成功读取。通过这种方式，一些实施例已经能够取得100%的读取成功率(实际零误差操作)，且由此提供改善的覆盖区域。对照于在普通的切换式天线系统上使用频率抖动，如果在构造成同时发射相同频率的多个天线上使用频率抖动，可以进一步提高覆盖范围。例如，图31示出了两天线多点传送(DAS)系统和切换式双天线系统的比较结果，其中天线间隔IOm放置。针对这两个系统示出了 860MHz和900MHz时标签上接收的信号强度(RSSI)，该信号强度为位置的函数；可以清楚地看到，在某些位置、特别是与两个发射天线的距离大致相等的位置上，与切换式天线系统相比，多点传送系统在标签位置上产生更强的频率相关的RSSI。在某些位置上功率得到提高的同时，一些位置上接收的功率变小，但是这种效应可以通过相位偏移(重复执行标签读取回合且随后改变相位)来克服。图32示出了当频率从860MHz抖动至950MHz时的类似结果，并且记录了最大的RSSI。形成这种效果的原因是改变多个天线(其同时实施发射)上的频率导致来自多个天线的信号既形成建设性干涉，又形成破坏性干涉，并且在形成建设性干涉的区域中，信号水平被提高。因此，与切换式天线系统相比，在多点传送天线系统上使用频率抖动(特别是与相位抖动相结合时)趋于在射频识别(RFID)覆盖范围上表现出进一步的改进。利用多个标签收发机在多个天线上同时进行频率抖动在同时发射射频(RF)信号的多个天线上使用频率抖动、特别是从多个频率中随机选取频率，可以改善RFID的覆盖范围。这归功于以下事实改变多个天线(其同时实施发射)上的频率导致来自多个天线的信号既形成建设性干涉，又形成破坏性干涉，并且在形成建设性干涉的区域中，信号水平被提高。因此，与切换式天线系统相比，在多点传送天线系统上使用频率抖动(特别是与相位抖动相结合时)趋于在射频识别(RFID)覆盖范围上表现出进一步的改进。现在描述与顺序频率抖动相比，多个天线上的同时频率抖动如何能够在DAS RFID系统中提高标签读取速度。这归功于上述低误差标签读取系统是基于改变多个天线上的频率和相位的。它利用多个发射频率来抖动零陷的位置。如果顺序抖动RFID信号的频率，则需要多个标签盘点回合/循环(包括一组时间槽以读取多个标签)。然而，如果并行发射多个频率(即，同时频率抖动)，则可以在更少的盘点回合/循环内读取所有标签。为了更快读取RFID标签，我们在上述DAS RFID系统中并行实施尽可能多的抖动操作。这种并行操作可以利用多个读取器/收发机IC(通向多个RF前端)来实现，所述IC能够实现在各个AU上同时传输多个频率，以及独立处理各载波频率上的返回标签信号。为改善标签读取率，多个频率以多点传送的方式同时通过所有天线，使得频率抖动能够同时进行，而非顺序进行。这种类型的结构对标签读取速度/率具有很大影响，从而形成高速感测系统。在RFID系统中能够实现这种同时频率抖动，因为RFID标签不被调谐成RFID频带中的特定频率，因此，背散射的调制将同时在多个频率上具有大致相同的效果。由于缺乏频率选择性，因此应注意确保相同的读取器对标签的命令同时经由所有频率和AU被发射，否则RFID性能会因为多个协议命令而降低。因此，我们已经描述了用于通过经由两个或更多天线多点传送信号以及操纵发射信号之间的相差和载波频率来使RF驱动的系统(诸如无源UHF RFID)的覆盖范围得到提高的方法和系统。优选地，这些天线被放置在彼此的近场之外。
一些实施例利用RFID信号源从各个天线发射两个或更多频率且使它们之间的载波频率以一定步阶抖动来大致消除零陷。一些实施例还利用两个或更多天线之间的相移以及使它们之间的相位以一定步阶抖动来大致消除零陷。其它实施例通过操纵相差和载波频率来大致消除零陷，其中相位在两个天线之间以24°的步阶在0°和360°之间变化，同时频率以IMHz的步阶从860MHz变化至960MHz。在使用两个以上天线的情况下，可以进行详尽的检索。这些方法/系统将从两个或更多天线接收的信号合并，然后在基站对其进行处理。优选地，这些方法/系统对来自各个天线的信号应用不同的增益，以优化合并的接收的信号的SNR ;这可以是借助以IOdB或更小的步阶在OdB和30dB之间改变各个天线单元(AU)的上行链路的增益的。一些实施例利用相位和功率分集提高无源UHF RFID和传感器的覆盖范围。一些实施例还借助相位和功率分集改善RFID和传感器系统的读取范围，以及/或者借助相位和功率分集改善RFID和传感器系统的读取速度/率，以及/或者借助从多个天线合并的RSS1、相位分集和功率分集改善RFID和传感器系统的位置精度。在这些方法的一些优选实施例中，通过同轴或光纤射频传输技术来对天线进行馈电。广泛而言，我们已经描述了这样一些技术，其中在一些实施例中，利用频率和相位抖动使零陷在空间上动态移动，其总的时间平均效果是改善或基本消除了它们的不利影响。
毫无疑问，本领域技术人员能够实施很多其它有效的改变。可以认识到，本发明不限于所描述的实施例，并且包括落在所提交的权利要求的精神和范围内的、对于本领域技术人员而言显而易见的修改。
权利要求
1.一种用于读取一个或多个RFID标签的RFID标签读取系统，该系统包括RF发射机和RF接收机，与所述RF发射机和所述RF接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收天线，以及与至少所述RF接收机耦合的标签信号解码器，其中所述系统被构造成将从所述天线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号，其中所述RF接收机将所述合并的接收的RF信号作为输入；其中所述天线彼此之间的间隔足以使一个所述天线不落在另一所述天线的近场内，其中所述系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取所述标签的标签读取回合，所述标签读取回合包括从所述多个天线同时发射RF标签探询信号，以及从所述标签的一个或多个处接收信号，所述标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，所述标签能够发射标签数据，该数据包括用于由所述天线接收的标签ID，其中所述系统被构造成在所述标签盘点循环期间执行以下操作中的一个或多个改变同时从所述多个天线发射的所述标签探询信号的频率，和改变从所述天线之一发射的所述RF标签探询信号关于所述天线中的另一天线的相对相位。
2.如权利要求1所述的RFID标签读取系统，其中，该系统被构造成重复执行所述标签读取回合，然后改变所述相对相位。
3.如权利要求1或2所述的RFID标签读取系统，其中，该系统被构造成重复执行所述标签读取回合，然后改变所述频率。
4.如权利要求2或3所述的RFID标签读取系统，其进一步被构造成在所述重复之前，将所述时间槽的可用数量发送给所述标签。
5.如权利要求1-4中任一项所述的RFID标签读取系统，其被构造成在所述标签盘点循环期间改变所述相对相位。
6.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其进一步被构造成在将所述接收的RF信号合并之前调节所述标签盘点循环期间来自所述天线中的一个或多个的所述发射的RF标签探询信号的功率以及接收天线增益中的一个或两个，以优化所述合并的接收的RF信号。
7.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其具有至少三个所述天线。
8.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其中，所述RFID标签包括多个无源UHF RFID标签，其中所述天线彼此间隔至少I米、2米、5米、10米或20米。
9.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其还包括光纤射频传输装置，用于将所述RF信号传入和/或传出所述天线。
10.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其中，所述RFID标签读取系统为漏泄馈线系统，其中所述RF发射机和RF接收机分别包括RF漏泄馈线发射机和RF漏泄馈线接收机，其中所述发射/接收天线中的一个或多个包括漏泄馈线。
11.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其中所述系统被构造成在所述标签盘点循环期间执行所述标签探询信号的极化上的改变。
12.如任一项前述权利要求所述的RFID标签读取系统，其被构造成在多个不同频率上同时发射所述标签探询信号。
13.一种用于读取一个或多个RFID标签的RFID标签读取系统的使用方法，该系统包括RF发射机和RF接收机，与所述RF发射机和所述RF接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收天线，以及与至少所述RF接收机耦合的标签信号解码器，其中所述系统被构造成将从所述天线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号，其中所述RF接收机将所述合并的接收的RF信号作为输入；其中所述天线彼此之间的间隔足以使一个所述天线不落在另一所述天线的近场内，其中所述系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取所述标签的标签读取回合，所述标签读取回合包括从所述多个天线同时发射RF标签探询信号，以及从所述标签的一个或多个处接收信号，所述标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，所述标签能够发射标签数据，该数据包括用于由所述天线接收的标签ID，所述方法包括在所述标签盘点循环期间改变以下参数的一个或两个从所述天线之一发射的所述RF标签探询信号关于所述天线中的另一天线的相对相位，以及同时从所述多个天线发射的所述标签探询信号的频率。
14.如权利要求13所述的方法，其中使用漏泄馈线，其中所述RFID标签读取系统为漏泄馈线系统，其中所述RF发射机和RF接收机分别包括RF漏泄馈线发射机和RF漏泄馈线接收机，其中所述发射/接收天线包括与所述RF漏泄馈线发射机和所述RF漏泄馈线接收机耦合的漏泄馈线。
15.如权利要求13或14所述的方法，其还包括在所述标签盘点循环期间改变所述RF标签探询信号的极化。
16.如权利要求13、14或15所述的方法，其包括在多个不同频率上同时发射所述标签探询信号。
17.一种用于在如权利要求12或16所述的系统或方法中使用的标签探询收发机，该标签探询收发机包括多个收发机电路以用于同时操作，各电路被构造成在不同频率上实施发射，其中所述收发机电路中的每一个均与公共的天线接口耦联。
18.如权利要求17所述的标签探询收发机，其还包括收发机控制器，用于向所述收发机电路中的每一个施加频率控制和相位控制中的一个或两个。
19.一种载有处理器控制代码的载体，所述代码在运行时实现权利要求13-16中任一项所述的方法。
全文摘要
描述了一种用于读取一个或多个RFID标签的RFID标签读取系统，该系统包括RF发射机和RF接收机，与所述RF发射机和所述RF接收机耦合以提供空间发射/接收信号分集的多个发射/接收天线，以及与至少所述RF接收机耦合的标签信号解码器，其中所述系统被构造成将从所述天线接收的RF信号合并以提供合并的接收的RF信号，其中所述RF接收机将所述合并的接收的RF信号作为输入；其中所述天线彼此之间的间隔足以使一个所述天线不落在另一所述天线的近场内，其中所述系统被构造成执行标签盘点循环，所述循环包括多个用于读取所述标签的标签读取回合，所述标签读取回合包括从所述多个天线同时发射一个或多个RF标签探询信号，以及从所述标签的一个或多个处接收信号，所述标签读取回合具有一组时间槽，在时间槽期间，所述标签能够发射标签数据，该数据包括用于由所述天线接收的标签ID，其中所述系统被构造成在所述标签盘点循环期间执行以下操作中的一个或多个改变同时从所述多个天线发射的所述标签探询信号的频率，和改变从所述天线之一发射的所述RF标签探询信号关于所述天线中的另一天线的相对相位。
文档编号H01Q3/22GK103069647SQ201180027986
公开日2013年4月24日 申请日期2011年4月18日 优先权日2010年4月26日
发明者斯坦帕拉内森·撒贝森, 迈克尔·克里斯普, 理查德·彭蒂, 伊恩·怀特 申请人:剑桥企业有限公司