超高頻RFID的電磁兼容性分析

中心議題：

　　* 中國(guó)的RFID業(yè)務(wù)頻率使用現(xiàn)狀

　　* UHF頻段RFID系統(tǒng)與900 MHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性分析

　　解決方案：

　　* 兼容性測(cè)試中使用的RFID設(shè)備參數(shù)

　　* RFID業(yè)務(wù)與無(wú)中心對(duì)講機(jī)業(yè)務(wù)的兼容性分析

　　* RFID業(yè)務(wù)與GSM移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的兼容性分析

　　無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)從目標(biāo)對(duì)象讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。RFID基本系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器以及讀 寫(xiě)器天線3部分組成。RFID技術(shù)利用射頻信號(hào)作為信息傳輸中介實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息獲取，通過(guò)高數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的識(shí)別，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。正由于RFID技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，它在物流管理、公共安全、倉(cāng)儲(chǔ)管理、門(mén)禁防偽等方面的應(yīng)用迅速展開(kāi)，國(guó)際上很多學(xué)者也已開(kāi)展RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信 網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的研究。將RFID技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)中將可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享，那么，真正的“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代也就指日可待了。

　　然而，RFID技術(shù)也并不是完美無(wú)瑕的，它還存在很多缺陷：

　　RFID系統(tǒng)性能容易受空間物體和標(biāo)簽粘貼物體的影響，不同的物體阻擋和不同的標(biāo)簽粘貼材質(zhì)都會(huì)造成RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離有不同程度的損失。

　　多個(gè)物品重疊放置時(shí)，RFID系統(tǒng)容易產(chǎn)生漏讀現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)100%的識(shí)讀。

　　RFID系統(tǒng)與頻段接近的其它無(wú)線通信系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)可能產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)彼此的性能產(chǎn)生影響。

　　大量RFID標(biāo)簽放置在一起時(shí)，標(biāo)簽上的天線產(chǎn)生陣列效果，可能表現(xiàn)出與單個(gè)標(biāo)簽天線不同的特性。

　　RFID全球的標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一。

　　本文對(duì)目前中國(guó)已經(jīng)頒布應(yīng)用許可的840~845 MHz頻段和920~925 MHz頻段的RFID應(yīng)用與相鄰頻段上其它無(wú)線通信系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

　　1 中國(guó)的RFID業(yè)務(wù)頻率使用現(xiàn)狀

　　圖1顯示了ISO/IEC18000標(biāo)準(zhǔn)推薦的RFID應(yīng)用頻率范圍，從圖上可以看出RFID系統(tǒng)分為低頻（LF）125~134 kHz、高頻（HF）13.56 MHz、超高頻（UHF）860~960 MHz與2.4 GHz和微波頻段（MW）5.8 GHz。

　　表1為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18000標(biāo)準(zhǔn)系列中推薦RFID設(shè)備使用的頻率范圍。

　　對(duì)于HF頻段的125 kHz、13.56 MHz以及UHF頻段的2.4 GHz的RFID設(shè)備，由于頻段屬于國(guó)際上通用的工業(yè)、科研、醫(yī)療（ISM）頻段，所以這些設(shè)備在世界大部分國(guó)家和地區(qū)的應(yīng)用頻段基本一致。而對(duì)于在零 售、供應(yīng)鏈管理等行業(yè)應(yīng)用廣泛的UHF頻段，由于這一頻段在世界各國(guó)的頻率規(guī)劃各不相同，所以目前應(yīng)用于這一頻段的RFID設(shè)備的應(yīng)用頻率存在一定差異。 目前世界主要國(guó)家或地區(qū)在這一頻段對(duì)RFID業(yè)務(wù)所做的頻率規(guī)劃如表2所示。

　　信息產(chǎn)業(yè)部于2007年4月23日發(fā)布了信部無(wú)［2007］205號(hào)文件《關(guān)于發(fā)布800/900 MHz頻段射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定的通知》，規(guī)定800/900 MHz頻段RFID技術(shù)的具體使用頻率為840～845 MHz和920～925 MHz.表3給出了發(fā)射功率的規(guī)定。

　　圖2顯示了中 國(guó)在860~960 MHz頻段的頻率使用現(xiàn)狀，920~925 MHz的RFID頻段實(shí)際上是立體聲廣播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸業(yè)務(wù)頻段分出5 MHz與RFID共用，與GSM上/下行頻段只有5 MHz的頻率間隔，與無(wú)中心對(duì)講機(jī)系統(tǒng)只有3 MHz的頻率間隔。

　　考慮到目前中國(guó)在840～843 MHz頻段沒(méi)有規(guī)劃任何無(wú)線電業(yè)務(wù)，且845 MHz頻段RFID應(yīng)用與CDMA下行還有25 MHz的頻段間隔，本文主要研究920~925 MHz頻段RFID系統(tǒng)對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)和無(wú)中心對(duì)講機(jī)業(yè)務(wù)的干擾。

　　2 UHF頻段RFID系統(tǒng)與900 MHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性分析

　　目前900 MHz頻段電波傳播模型大多采用奧村-哈達(dá)模型，本文將主要采用該模型分析不同環(huán)境下的UHF頻段RFID系統(tǒng)與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兼容性，并在暗室中做相關(guān)測(cè)試。

　　奧村-哈達(dá)模型的市區(qū)傳播模型是Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82lgh1－α（h2）＋（44.9－6.55lgh1）lgd，其 中：Lb是市區(qū)準(zhǔn)平滑地形電波傳播損耗中值（單位是dB），f 是工作頻率（單位是MHz），h 1是基站天線有效高度（單位是m），h 2是移動(dòng)臺(tái)天線有效高度（單位是m），d是基站、移動(dòng)臺(tái)之間的距離（單位是km），α（h 2）是移動(dòng)臺(tái)天線高度因子。

　　對(duì)于大城市，a （h 2 ） =3.2［lg（11.75h 2 ）］ 2 -4.97；對(duì)于中、小城市，a （h 2 ） =（1.1lgf -0.7）h 2 -1.56lgf +0.8；對(duì)于郊區(qū)，L bs ＝L b （市區(qū)）-2［lg（f /28）］ 2 -5.4；對(duì)于開(kāi)闊地，L bq = L b （市區(qū)）-4.78（lgf ） 2 +18.33lgf -40.94。

　　2.1 兼容性測(cè)試中使用的RFID設(shè)備參數(shù)

　　本文干擾測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用的RFID讀寫(xiě)器的工作頻率為924.5 MHz，等效全向輻射功率（EIRP）為28.29 dBm.

　　2.2 RFID業(yè)務(wù)與無(wú)中心對(duì)講機(jī)業(yè)務(wù)的兼容性分析

　　常用的900 MHz無(wú)中心對(duì)講機(jī)的最大發(fā)射功率為3 W，天線增益為0 dBi左右。保證20 dB以上的信納比（SINA）的接收靈敏度在25 kHz的信道帶寬下為-110 dBm左右，所以允許最大傳播損耗為145 dB左右。對(duì)講機(jī)使用時(shí)移動(dòng)臺(tái)天線有效高度為1.5 m左右。由此利用傳播模型可以得到在大城市中使用無(wú)中心對(duì)講機(jī)的正常通信距離為1.2 km；在郊區(qū)使用時(shí)的正常通信距離為2.17 km；在開(kāi)闊地使用時(shí)的正常通信距離為2.6 km.當(dāng)無(wú)中心對(duì)講機(jī)的發(fā)射功率為27 dBm時(shí)，保證20 dB以上信納比的接收機(jī)靈敏度在25 kHz的信道帶寬下為-110 dBm左右，所以允許最大傳播損耗為137 dB左右，無(wú)中心對(duì)講機(jī)使用時(shí)移動(dòng)臺(tái)天線有效高度為1.5 m左右。由此利用傳播模型可以得到在大城市中使用無(wú)中心對(duì)講機(jī)的正常通信距離為0.78 km，在郊區(qū)使用時(shí)的正常通信距離為1.4 km，在開(kāi)闊地使用時(shí)的正常通信距離為1.7 km。
由于一般的RFID設(shè)備在最大功率情況下的工作距離為3～5 m，所以一般情況下持有無(wú)中心對(duì)講機(jī)的人的活動(dòng)范圍應(yīng)當(dāng)在距離RFID設(shè)備3 m之外的區(qū)域。920 MHz附近的頻率在3 m的距離處，空間損耗約為41 dB.圖3顯示了參考文獻(xiàn)［5］中的測(cè)試方法進(jìn)行的測(cè)試，在保證RFID設(shè)備在917 MHz處帶外發(fā)射等效輻射功率（ERP）譜密度在100 kHz的信道帶寬下為-30 dBm，在正對(duì)RFID設(shè)備天線3 m處使用無(wú)中心對(duì)講機(jī)，通信距離為400 m左右，對(duì)其通信距離略有影響，但基本可以保證其一定的通信距離。

　　如果要完全消除RFID對(duì)于無(wú)中心對(duì)講機(jī)通信的影響，由RFID設(shè)備至無(wú)中心對(duì)講機(jī)的傳播損耗應(yīng)當(dāng)達(dá)到-36-（-110）=74 dB.由傳播模型計(jì)算可得，此時(shí)RFID與無(wú)中心對(duì)講機(jī)的兼容距離為28 m左右。但是考慮到RFID設(shè)備的天線有較強(qiáng)的方向性，在偏離天線最大傳播方向處使用無(wú)中心對(duì)講機(jī)的兼容距離將進(jìn)一步縮小。

　　表4給出了由傳播模型理論計(jì)算得到的在不同環(huán)境下距離RFID設(shè)備3 m處使用無(wú)中心對(duì)講機(jī)的最大通信距離以及在完全保證無(wú)中心對(duì)講機(jī)的最大通信距離時(shí)RFID設(shè)備與無(wú)中心對(duì)講機(jī)的兼容距離。

　　2.3 RFID業(yè)務(wù)與GSM移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的兼容性分析

　　干擾測(cè)試顯示，在保證RFID設(shè)備在GSM移動(dòng)通信下行頻段930~960 MHz的帶外發(fā)射在100 kHz的信道帶寬下為-47 dBm （EIRP）的情況下，在正對(duì)RFID設(shè)備3 m處使用GSM手機(jī)，GSM移動(dòng)通信基本不受影響。

　　一般的GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋信號(hào)強(qiáng)度在大城市繁華市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平在200 kHz的信道帶寬下為-70 dBm，一般市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平在200 kHz的信道帶寬下為-80 dBm.在正對(duì)RFID設(shè)備天線3 m處，由傳播模型可得由于其產(chǎn)生的噪聲電平在100 kHz的信道帶寬下為-47 dBm-41 dBm=-88 dBm.所以RFID對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)的下行信號(hào)基本沒(méi)有影響，而在偏離天線最大傳播方向處使用GSM手機(jī)，應(yīng)當(dāng)完全可以保證其正常通信。

　　而對(duì)于上行信號(hào)，在RFID設(shè)備滿足在上行頻率段的輻射雜散在100 kHz的信道帶寬下小于-36 dBm （EIRP）的情況下，由于RFID設(shè)備一般與GSM基站之間保持較遠(yuǎn)的距離，手機(jī)的發(fā)射功率又遠(yuǎn)大于帶外發(fā)射，所以在此條件下RFID設(shè)備對(duì)于GSM上 行信號(hào)不會(huì)有影響。所以在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋相對(duì)較好的地區(qū)，RFID設(shè)備在滿足在GSM下行頻率段的輻射雜散在100 kHz的信道帶寬下小于-47 dBm （EIRP），上行頻段的輻射雜散在100 kHz的信道帶寬下小于-36 dBm的情況下，對(duì)于GSM通信基本沒(méi)有影響。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　RFID系統(tǒng)在GSM網(wǎng)絡(luò)和無(wú)中心對(duì)講系統(tǒng)中使用時(shí)必須保證RFID讀寫(xiě)器天線與GSM用戶終端或?qū)χv機(jī)保持一定的安全距離，否則GSM用戶終端將受到其 信號(hào)干擾而無(wú)法識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，無(wú)中心對(duì)講機(jī)也將無(wú)法檢測(cè)到空閑信道而無(wú)法正常工作。本文的部分?jǐn)?shù)據(jù)是使用奧村-哈達(dá)模型計(jì)算得到，然而實(shí)際的RFID系統(tǒng)使用 環(huán)境可能處于室內(nèi)或更加復(fù)雜的環(huán)境中， 在這種情況下應(yīng)采用更精確的數(shù)學(xué)模型以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。