汽車數字化標準信源系統識讀距離仿真

孫偉華，何 蔚，徐 江，張 輝，張豐利

(公安部第三研究所 防偽事業部，上海 201204)

0 引言

RFID是一種非接觸自動識別技術，RFID系統由讀寫器、天線和安裝在識別目標上的電子標簽構成，通過射頻無線通信的方式實現對靜止或移動物體或人員的遠距離自動識別[1-2]。與傳統的數據采集和識別技術相比較，RFID具有識別距離遠、識別速度快、序列標識一致性等優點[3]。

目前RFID技術已應用于車輛識別領域，如：ETC不停車收費、小區停車監控、貨運港口車輛管理等[4]。固定式龍門架采集基站是常用的RFID車輛信息采集基站。以下對采集基站射頻識讀距離進行了仿真計算，從而可對系統包括讀寫器天線安裝高度、傾角設置，不同車型電子標簽安裝位置等的物理結構參數以及進行優化。

1 汽車數字化標準信源

全稱為“汽車身份特征信息和管理基礎信息的數字化標準信源”，其具有“汽車電子身份證”功能，俗稱為“電子車牌”。其實質上為一種工作于UHF頻段，且具有多項應用特性的無源陶基型汽車專用RFID電子標簽，此標簽與汽車擋風玻璃“固聯一體”，是緊貼擋風玻璃安裝的[5]。

現行市場上國家批準銷售的車輛共有上百個品牌幾百種不同的型號，其擋風玻璃的傾角從21°～93°不等，擋風玻璃上沿高度距離地面從 1～3米以上不等。因此有必要對安裝在不同車型、不同位置的標簽分別進行測算，保證所有安裝有“汽車數字化標準信源”的車都能正確被基站所識別。

2 固定式龍門架采集基站識讀距離仿真

如圖1所示，當前擋風玻璃上貼有無源RFID電子標簽的車輛通過固定式龍門架采集基站時，隨車輛向采集基站前行，天線與標簽之間間距R、其與讀寫器天線的法線方向的夾角θa、與標簽法線方向的夾角θt均發生變化。其滿足：

圖1 RFID固定式龍門架采集基站

對于圖1中的RFID系統，在車輛前進的過程中，讀寫器天線與標簽的相對位置和主輻射面的法線夾角不斷變化，因此在前向鏈路中標簽接收功率為：

其中 Greader(θa)為讀寫器天線H面上θa方向上的增益值，Gtag(θt) 為標簽天線H面上的θt方向上的增益值。

無源標簽由讀寫器天線發送的連續載波提供能量激活標簽，要驅動標簽芯片工作，需滿足Pchip大于標簽靈敏度閥值。

反向鏈路中，讀寫器端接收到無源標簽反射回的功率為：

當滿足Pback大于讀寫器天線的靈敏度閥值時，系統才能正確識讀到標簽。而一般情形下，RFID識別系統的識別距離主要受前向鏈路的影響[6]。因此可以標簽接收到的功率值是否大于標簽芯片靈敏度的閥值作為判斷系統是否正常工作的依據。

假設讀寫器天線架高ha=5.5米，安裝傾角α=25°，標簽安裝位置離地高ht=1.2米，汽車擋風玻璃傾角β=58°，讀寫器輸出功率 PT=30 dBm(1W)，讀寫器天線增益12.5 dB，標簽天線增益2.0 dB。

將式(2)、式(3)代入讀寫器天線、標簽的 H 面遠場圖Greader(θa)、Gtag(θt)可得讀寫器天線與標簽隨車輛前進時互指向的增益值 Greader(d)、Gtag(d)，如圖2所示。

圖2 讀寫器天線與標簽隨車輛前進時互指向的增益值Greader(d)、Gtag(d)

再同式(1)代入式(4)。可得標簽接收功率Ptag隨車輛與采集基站間距d的變化，如圖3所示。

假設標簽天線與芯片阻抗匹配，即Ptag=Pchip。一般標簽靈敏度為-30 dBm（50 μW），即標簽芯片接收功率高于此閥值時，標簽被激活，RFID系統可識別到標簽。

由仿真結果中可知在車輛距龍門架 5.25米處標簽接收功率達到峰值。龍門架前可識別距離范圍為2.1～16米。即可測算出在車速180 km/h通過采集基站的情況下，可識讀時間窗口為280 ms。

圖3 標簽接收功率Ptag隨車輛與采集基站間距d的變化

在以上條件下改變讀寫器天線的安裝傾角（20°、25°、30°），比較標簽的接收功率，如圖4所示。

圖4 不同天線傾角下的標簽接收功率

可見隨著天線傾角的增大，最遠識讀距離減小，而最大峰值增大。

以下比較三種常見車型：小型車、貨運卡車、客運大巴的識讀距離，三種車型的參數如表1所示。

表1 三種常見車型傾角、高度

圖5為讀寫器天線傾角30°的條件下，可見客運卡車的標簽接收功率峰值最大，即通過辨識度最高；小型車可識讀范圍相對較小，通過辨識度最低。

圖5 三種常見車型的標簽接收功率比較

3 結語

對不同車型通過RFID固定式龍門架采集基站時的可識讀距離做了理論計算，實際工程測試中RFID系統的識別距離還受到包括車體反射、地面反射、工作環境噪聲因素、汽車擋風玻璃引起的標簽失諧頻偏等的外部環境影響以及標簽內部電路對系統能量的損耗、芯片與天線間阻抗不完全匹配而引起的功率損耗的影響[7]。而識讀距離的仿真計算結果依然是反應RFID車輛管理識別系統性能的一個有效標尺，為汽車數字化標準信系統采集基站的架設、讀寫器天線與電子標簽的選擇提供了參考依據。

[1] 葉里莎.RFID技術的應用[J].通信技術，2007，40(12)：267-271.

[2] 王睿，趙龒.RFID技術及其應用系統構架的研究[J].通信技術，2009,42(05)：116-118.

[3] 張華,魏臻.無線射頻識別技術RFID及其應用[J].計算機安全，2007(07)：30-32.

[4] 李元忠.射頻識別技術及其在交通領域的應用[J].電訊技術，2002(42)5-9.

[5] 趙郁亮,趙正德,楊立朝,等.汽車數字化標準信源在道路公安交通管理中的應用研究與實現[J].中國圖像圖形學報，2008(13)：1951-1954.

[6] NIKITIN P V, RAO K V S.Performance Limitations of Passive UHF RFID Systems[C].USA:IEEE, 2006：1011-1014.

[7] 李要偉,鄧成.RFID標簽激活距離的計算方法[J].實驗技術與管理，2006(23)：31-33.