超高頻ＲＦＩＤ系統與其他無線網絡的電磁兼容性研究

摘要：無線射頻識別(RFID)技術與互聯網、移動通信網絡等技術結合應用，可以實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享。然而，RFID作為無線通信系統，其發射的射頻信號可能對其它無線網絡造成干擾，降低系統性能，影響系統正常工作。中國已經發布了840~845 MHz和920~925 MHz頻段RFID的試用標準，其中920~925 MHz的RFID應用和點對點立體聲廣播處在一個同一個頻段，與無中心對講機和GSM網絡處在相鄰頻段，RFID系統與這些系統之間的電磁兼容性就成為系統能否穩定實現的最主要因素。

關鍵詞：RFID；無線網絡；電磁兼容

Abstract: Global scale article track and information share can be achieved by combining Radio Frequency Identification (RFID) technology with Internet and mobile communications network technology. However， the RFID system emits electromagnetic waves， and it probably interferes with other radio networks. China has issued a probationary standard to regularize the application of RFID on 840-845 MHz and 920-925 MHz. The RFID application on 920-925 MHz is in the same frequency band with point to point stereo broadcast service， and is adjacent to non-center interphone service and GSM service. Electromagnetic compatibility is the factor to be considered most in the RFID system because it determines the stable interworking relationship between the RFID system and the systems in adjacent bands.

Key words: RFID; radio network; electromagnetic compatibility

無線射頻識別(RFID)技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號從目標對象讀寫相關數據實現自動識別。RFID基本系統由標簽、閱讀器以及讀寫器天線3部分組成。

RFID技術利用射頻信號作為信息傳輸中介實現遠距離信息獲取，通過高數據速率實現對高速運動物體的識別，并可同時識別多個標簽。正由于RFID技術的諸多優點，它在物流管理、公共安全、倉儲管理、門禁防偽等方面的應用迅速展開，國際上很多學者也已開展RFID技術與互聯網、移動通信網絡等技術結合應用的研究[1]。將RFID技術融入互聯網技術和移動通信網技術中將可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享，那么，真正的“物聯網”時代也就指日可待了。

然而，RFID技術也并不是完美無瑕的，它還存在很多缺陷：

● RFID系統性能容易受空間物體和標簽粘貼物體的影響，不同的物體阻擋和不同的標簽粘貼材質都會造成RFID系統的識別距離有不同程度的損失[2-3]。

● 多個物品重疊放置時，RFID系統容易產生漏讀現象，難以實現100%的識讀。

● RFID系統與頻段接近的其它無線通信系統同時工作時可能產生電磁干擾，對彼此的性能產生影響。

● 大量RFID標簽放置在一起時，標簽上的天線產生陣列效果，可能表現出與單個標簽天線不同的特性。

除此之外，RFID全球的標準也不統一。

本文對目前中國已經頒布應用許可的840~845 MHz頻段和920~925 MHz頻段的RFID應用[4]與相鄰頻段上其它無線通信系統的電磁兼容性進行了研究，并進行了實際測試。

1 中國的RFID業務頻率使用現狀

圖1顯示了ISO/IEC18000標準推薦的RFID應用頻率范圍，從圖上可以看出RFID系統分為低頻(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為國際標準ISO/IEC 18000標準系列中推薦RFID設備使用的頻率范圍。

對于HF頻段的125 kHz、13.56 MHz以及UHF頻段的2.4 GHz的RFID設備，由于頻段屬于國際上通用的工業、科研、醫療(ISM)頻段，所以這些設備在世界大部分國家和地區的應用頻段基本一致。而對于在零售、供應鏈管理等行業應用廣泛的UHF頻段，由于這一頻段在世界各國的頻率規劃各不相同，所以目前應用于這一頻段的RFID設備的應用頻率存在一定差異。目前世界主要國家或地區在這一頻段對RFID業務所做的頻率規劃如表2所示。

信息產業部于2007年4月23日發布了信部無[2007]205號文件《關于發布800/900 MHz頻段射頻識別(RFID)技術應用試行規定的通知》，規定800/900 MHz頻段RFID技術的具體使用頻率為840～845 MHz和920～925 MHz。表3給出了發射功率的規定。

圖2顯示了中 國在860~960 MHz頻段的頻率使用現狀，920~925 MHz的RFID頻段實際上是立體聲廣播點對點傳輸業務頻段分出5 MHz與RFID共用，與GSM上/下行頻段只有5 MHz的頻率間隔，與無中心對講機系統只有3 MHz的頻率間隔。

考慮到目前中國在840～843 MHz頻段沒有規劃任何無線電業務，且845 MHz頻段RFID應用與CDMA下行還有25 MHz的頻段間隔，本文主要研究920~925 MHz頻段RFID系統對GSM網絡和無中心對講機業務的干擾。

2 UHF頻段RFID系統與900 MHz無線網絡的電磁兼容性分析

目前900 MHz頻段電波傳播模型大多采用奧村-哈達模型，本文將主要采用該模型分析不同環境下的UHF頻段RFID系統與其他無線網絡的兼容性，并在暗室中做相關測試。

奧村-哈達模型的市區傳播模型是Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82lgh1－α(h2)＋(44.9－6.55lgh1)lgd，其中：Lb是市區準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是移動臺天線有效高度(單位是m)，d是基站、移動臺之間的距離(單位是km)，α(h 2)是移動臺天線高度因子。

對于大城市，a (h 2) =3.2[lg(11.75h 2)]2-4.97；對于中、小城市，a (h 2) =(1.1lgf -0.7)h 2-1.56lgf +0.8；對于郊區，Lbs＝ Lb(市區)-2[lg(f /28)]2-5.4；對于開闊地，Lbq = Lb(市區)-4.78(lgf )2+18.33lgf -40.94。

2.1 兼容性測試中使用的RFID設備參數

本文干擾測試實驗所用的RFID讀寫器的工作頻率為924.5 MHz，等效全向輻射功率(EIRP)為28.29 dBm。

2.2 RFID業務與無中心對講機業務的兼容性分析

常用的900 MHz無中心對講機的最大發射功率為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。對講機使用時移動臺天線有效高度為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中心對講機的正常通信距離為1.2 km；在郊區使用時的正常通信距離為2.17 km；在開闊地使用時的正常通信距離為2.6 km。當無中心對講機的發射功率為27 dBm時，保證20 dB以上信納比的接收機靈敏度在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，無中心對講機使用時移動臺天線有效高度為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中心對講機的正常通信距離為0.78 km，在郊區使用時的正常通信距離為1.4 km，在開闊地使用時的正常通信距離為1.7 km。

由于一般的RFID設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中心對講機的人的活動范圍應當在距離RFID設備3 m之外的區域。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[5]中的測試方法進行的測試，在保證RFID設備在917 MHz處帶外發射等效輻射功率(ERP)譜密度在100 kHz的信道帶寬下為-30 dBm，在正對RFID設備天線3 m處使用無中心對講機，通信距離為400 m左右，對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對于無中心對講機通信的影響，由RFID設備至無中心對講機的傳播損耗應當達到-36-(-110)=74 dB。由傳播模型計算可得，此時RFID與無中心對講機的兼容距離為28 m左右。但是考慮到RFID設備的天線有較強的方向性，在偏離天線最大傳播方向處使用無中心對講機的兼容距離將進一步縮小。

表4給出了由傳播模型理論計算得到的在不同環境下距離RFID設備3 m處使用無中心對講機的最大通信距離以及在完全保證無中心對講機的最大通信距離時RFID設備與無中心對講機的兼容距離。

2.3 RFID業務與GSM移動通信業務的兼容性分析

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

一般的GSM網絡覆蓋信號強度在大城市繁華市區室內覆蓋電平在

200 kHz的信道帶寬下為-70 dBm，一般市區室內覆蓋電平在200 kHz的信道帶寬下為-80 dBm。在正對RFID設備天線3 m處，由傳播模型可得由于其產生的噪聲電平在100 kHz的信道帶寬下為-47 dBm-41 dBm=-88 dBm。所以RFID對于GSM網絡的下行信號基本沒有影響，而在偏離天線最大傳播方向處使用GSM手機，應當完全可以保證其正常通信。

而對于上行信號，在RFID設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設備一般與GSM基站之間保持較遠的距離，手機的發射功率又遠大于帶外發射，所以在此條件下RFID設備對于GSM上行信號不會有影響。所以在GSM網絡覆蓋相對較好的地區，RFID設備在滿足在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，對于GSM通信基本沒有影響。

3 結束語

RFID系統在GSM網絡和無中心對講系統中使用時必須保證RFID讀寫器天線與GSM用戶終端或對講機保持一定的安全距離，否則GSM用戶終端將受到其信號干擾而無法識別網絡，無中心對講機也將無法檢測到空閑信道而無法正常工作。本文的部分數據是使用奧村-哈達模型計算得到，然而實際的RFID系統使用環境可能處于室內或更加復雜的環境中， 在這種情況下應采用更精確的數學模型以獲得更準確的數據。

4 參考文獻

[1] PARKENDOBKIN N， LEE H， KIM H， et al. A security and privacy enhanced protection scheme for secure 900MHz UHF RFID reader on mobile phone[C]//Proceedings ofIEEE Tenth International Symposium on Consumer Electronics， Jun 28-Jul 1， 2006， St Petersburg， Russia. Piscataway， NJ， USA: IEEE， 2006: 1-5.

[2] DOBKIN D M， WEIGAND S M. Environmental effects on RFID tag antennas[C]//Proceedings of International Microwave Symposium Digest， Jun 12-17， 2005， Long Beach， CA， USA. Piscataway， NJ， USA: IEEE， 2005: 135-138.

[3] PROTHRO J T， DURGIN G D， GRIFFIN J D. The effects of a metal ground plane on RFID tag antennas[C]//Proceedings of Antennas and Propagation Society International Symposium， Jul 9-14， 2006， Albuquerque， NM， USA. Piscataway， NJ， USA: IEEE， 2006: 3241-3244.

[4] 信息產業部.關于發布800/900 MHz頻段射頻識別(RFID)技術應用試行規定的通知. 信部無[2007]205號文件. 2007.

[5] ETSI EN 302 208-1. Electromagnetic compatibility and radio spectrum matters (ERM): Radio frequency identification equipment operating in the band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W: Part 1 Technical requirements and methods of measurement. 2004.

收稿日期： 2007-06-17

作者簡介

洪衛軍，北京郵電大學電信工程學院在讀博士研究生，研究方向為無線通信和電磁兼容。曾作為主要研究人員參與北京市自然科學基金重點項目、國家自然科學基金項目、國家“863”計劃課題。

李書芳，博士，畢業于清華大學電機系?，F任北京郵電大學電信工程學院教授，博士生導師，主要從事無線通信和電磁兼容領域的研究。曾作為主要項目負責人和主要研究人員參與國家“863”計劃課題、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等項目10余項，發表論文30余篇。