一种UHFRFIDETC应用的标签接收功率预测方法与流程

本发明涉及电工技术领域，特别是一种UHF RFID ETC应用的标签接收功率预测方法。

背景技术：

超高频(UHF)频段的射频识别(RFID)技术具有标签成本低、识别距离远、可一次读取多标签等特点，在诸如电子不停车收费(ETC)、电子车牌和集装箱识别等智能交通和智能物流领域具有巨大的应用潜力。为最大化降低标签成本，UHF RFID系统采用无线电能传输和反向散射调制技术，标签需要从阅读器辐射的电磁波获得能量。阅读器至标签间电波的随机多径传播，将导致识别区域内存在一定比例的识别盲点，降低RFID系统识别可靠性，这一直是制约该项技术更广泛应用的主要原因之一。不同于一般的移动通信和室内无线通信技术。

目前，建模UHF RFID系统电波传播的主要方法包括统计和确定性建模方法。统计建模一般分视距和非视距情形，通过大量场景测试和数据拟合，建立标签接收功率服从一定统计分布函数的统计信道模型，能很好地解决了一般应用环境下进行链路功率预算的问题，但他们采用的都是瑞丽或莱斯模型建模小尺度衰落，采用对数模型建模大尺度路径损耗，而对于特定应用场景，经验方法太过一般化，在精确性上存在不足。

于是，人们采用电磁场的数值计算方法，弥补统计信道模型在精确性方面的不足。如采用Ansoft公司HFSS商用电磁计算软件，以及采用射线跟踪方法。数值方法精确度高，但建立空间几何模型的工作量和求解电磁场分布的计算量太大，对于实际应用部署等情形并不适用。

UHF RFID技术典型应用的天线射频参数与场景反射(散射)体几何分布均具有自身特点，识别范围内场强分布与典型应用场景几何特征参数间存在相关性，但却被隐藏在经典的统计信道模型的统计量中，实际应用中难以准确选择统计量数值。而采用基于麦克斯韦方程的商用仿真软件，虽然能够精确预测场强分布，但需要首先建立传播场景的三维几何和材料模型，非常耗时费力。在UHF RFID的ETC等应用部署时，需要有效设计三维空间的识别区域的几何范围，并通过优化阅读器天线高度、角度、波束宽度，甚至车道宽度等几何参数，来最优化设计识别区域的识别率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种UHF RFID ETC应用的标签接收功率预测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种UHF RFID ETC应用的标签接收功率预测方法，包括以下步骤：

1)将ETC典型应用场景分为无临道车辆情形、单侧临道车辆情形、双侧临道车辆情形三种情形；

2)基于镜像方法，根据ETC应用场景，分别计算引擎盖平面、临道车辆反射面上一次反射点P₁、P₂、P₃的坐标：

其中，H_reader为阅读器高度；H_car为被识别车辆的引擎盖高度；D_l和D_r为临道车辆两个侧面到ETC车道的距离；D_lane为车道宽度；无临道车辆情形时计算P₁，单侧临道车辆情形时计算P₁和P₂、或计算P₁和P₃，双侧临道情形计算P₁，P₂，P₃；设发射天线位置为笛卡尔坐标原点T(0,0,0)，标签坐标为R(x,y,z)；

3)分别计算三组一次反射射线的入射波和反射波方向单位矢量和反射面法向量m＝1,2,3

4)计算自由空间中方位角为(θ,φ)，距离发射天线r处的电场强度矢量E(r,θ,φ)：

其中：

P_T是阅读器天线发射功率，G_θ(θ,φ)和G_φ(θ,φ)分别是发射天线在θ和φ方向的增益分量，而和分别表示这两个方向的单位矢量；ψ_θ和ψ_φ是电场在r处，θ和φ分量的相对相位；β是波数，ω是RFID-ETC的工作载波角频率，c为光速；η₀为自由空间阻抗；

5)计算一次反射的入射场强度Eⁱ的垂直分量和平行分量

其中：

，

其中，对于引擎盖一次反射，即m＝1、左侧临道车辆一次反射，即m＝2，以及右侧临道车辆一次反射，即m＝3，分别有：

6)计算反射电场强度：其中：

其中ε_r为的相对透射率，为入射波与反射面间的夹角；

7)计算标签处电场矢量和：

其中，对于E_m(θ_m,φ_m)，m＝0,1分别表示视距和引擎盖反射，m＝3,4分别表示两侧大型临车反射；

8)计算标签接收功率P：

其中，G为标签天线增益，λ为载波波长，X表示标签天线与阅读器天线间的极化匹配系数，τ表示标签芯片与天线间的匹配因子，L_ws表示汽车挡风玻璃穿透损耗系数。

X取值0.5，τ取值区间[0.8,1]，L_ws取值3dB，η₀为377Ω。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明预测精度高于现有的对数正态及莱斯统计模型；计算量低于电磁场的商用计算软件；可用于ETC应用部署时，调整阅读器天线角度、高度等几何参数，获得最优的识别率；本发明在物联网领域的射频识别的ETC应用领域，具有显著的理论和技术优势，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为无临道车辆情形；

图2为有临道车辆情形。

图3为车道上功率与识别率分布情况示意图。

具体实施方式

本发明预测方法的基本步骤是：将阅读器天线置为笛卡尔坐标原点，标签笛卡尔坐标设为自变量，通过应用场景几何参数与几何关系，求出一次反射面方程，即汽车引擎盖平面、左侧临道车辆右侧面、右侧临道车辆左侧面的平面方程；通过自由空间电波传播公式，计算阅读器天线至标签的视距电场强度矢量；基于镜像法，分别计算上述反射面上反射点坐标；通过电磁波的一次反射矩阵方程分别计算反射面处入射波和反射波到达标签处的电场强度矢量；求标签电场矢量和，以及标签芯片天线匹配系数，极化匹配系数，最终获得标签接收功率计算式，用于预测三维空间的标签接收功率。

该方法的具体原理如下：

将电子不停车收费应用的典型场景分情形考虑，如附图1和图2所示，分为无临道车辆、单侧临道车辆和双侧临道车辆三种情形。对于每种情形，计算构成标签处电场强度的视距波、一次反射波的矢量和。通过标签芯片与天线芯片的匹配等效电路图，由标签芯片天线间功率传输系数、阅读器天线与标签天线极化匹配系数以及求出的电场矢量和，计算出三维笛卡尔空间中任一点处的标签可接收功率。具体方法如下：

由几何参数(阅读器高度H_reader、被识别车辆引擎盖高度H_car、临道车辆侧面距ETC车道距离D_l和D_r、车道宽度D_lane)，基于镜像方法，计算三个一次反射点坐标：

其中，设发射天线位置为笛卡尔坐标原点T(0,0,0)，标签坐标为R(x,y,z)。

分别计算三组一次反射线的入射波和反射波方向单位矢量，反射面法向量：

计算自由空间电场强度矢量：

其中：P_T是阅读器天线发射功率，G_θ(θ,φ)和G_φ(θ,φ)分别是发射天线在θ和φ方向增益分量，而和分别表示这两个方向的单位矢量，ψ_θ和ψ_φ是电场在r处，θ和φ分量的相对相位，β是波数，ω是RFID-ETC的工作载波角频率，c为光速。

计算一次反射的入射场强度：

其中：

计算反射电场强度：

其中：

其中ε_r为的相对透射率，为入射波与反射面间的夹角。

计算标签处电场矢量和：

其中，对于E_m(θ_m,φ_m)，m＝0,1分别表示视距和引擎盖反射，m＝3,4分别表示两侧大型临车反射，其值与标签及其周围散射体的几何特征相关。

计算标签接收功率：

η₀为自由空间阻抗(377Ω)。X表示标签天线与阅读器天线间的极化匹配系数，τ表示标签芯片与天线间的匹配因子，L_ws表示汽车挡风玻璃穿透损耗系数。

实施实例1：

步骤1)：

参照电子收费专用短程通信国家标准(GBT 20851.1-2007)以及ISO18000-6C标准，确定应用场景几何参数及射频参数，如表1所示。

表1场景测试与仿真参数

步骤2)：

计算引擎盖反射点笛卡尔坐标；

步骤3)：

计算关于地面一次反射的入射波、反射波方向单位矢量和法向量

步骤4)：

不存在临道车辆一次反射，则转至步骤7，否则继续；

步骤5)：

对于左侧、右侧车辆，计算反射点笛卡尔坐标P₂和P₃；

步骤6)：

求关于左侧与右侧临道车辆一次反射的反射波、入射波方向单位矢量和法向量

步骤7)：

计算垂直与平行入射波平面的单位矢量；

步骤8)：

将单位矢量进行笛卡尔坐标至球坐标转换；

步骤9)：

计算视距电场强度E₀和各入射场强度

步骤10)：

计算反射波电场强度

步骤11)：

计算标签处场强矢量和；

步骤12)：

计算标签接收功率，计算结果如图3所示。