RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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超高頻 RFID無線電射頻標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 RFID與無線電頻譜

談到超高頻射頻識別（UHF RFID）技術(shù)，大家經(jīng)常會(huì)遇到協(xié)議和工作頻率的問題，如中國頻率是多少？歐洲頻率是多少？為了解答這些問題，我們先從全頻電波頻譜講起，如圖3-1所示，為無線電波的全頻段分類：

圖3-1 全頻電波頻譜

圖中的各個(gè)頻段內(nèi)容比較生動(dòng)，可以很直觀的了解從長波（Long-waves）、廣播（Radio）、電視（TV）到微波頻段，再到紅外線、可見光、紫外線和X射線的頻譜和波長。這里我們關(guān)注的協(xié)議是860~960MHz頻段的EPC C1 Gen2（ISO 18000-6C）部分。

3.1.2 全球超高頻RFID的無線電頻譜規(guī)范

超高頻RFID在各個(gè)國家和地區(qū)頻段分配是不同的，其射頻輸出及發(fā)射規(guī)范也各不相同，如圖3-2所示為全球各區(qū)域的頻率規(guī)劃。

圖3-2世界各地超高頻頻率分布圖

從世界各地的超高頻 RFID頻譜分布看，除了中國的840~845MHz頻段外，其它地區(qū)的頻段都在EPC C1 G2的860M~960MHz范圍中。中國的超高頻有兩個(gè)頻段，第一個(gè)頻段840~845MHz（簡稱China1）全球支持的閱讀器很少，一般只有本土的特殊項(xiàng)目才會(huì)使用這個(gè)頻段。一般情況下我們提到中國超高頻 RFID頻段常指920~925MHz（簡稱China2）。如圖3-3所示，從頻帶寬度來分析，美國（北美）頻段最寬，中國、新加坡、韓國的頻段都在美國頻段范圍內(nèi)?？梢娒绹诔哳l RFID投入的力量是非常大的，這也同時(shí)印證了北美市場占得最大的超高頻市場份額。從這個(gè)頻段也可以理解到現(xiàn)階段的超高頻 RFID市場已經(jīng)是一個(gè)全球市場，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上一定要考慮全球化的因素。比如一款超高頻 RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，其具有100MHz帶寬，以支持860MHz附近的歐洲頻段，同時(shí)也要支持美國和日本頻段，這也給設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖3-3世界超高頻常見地區(qū)頻帶范圍圖

在討論各個(gè)國家和地區(qū)的無線電規(guī)范時(shí)，除了要關(guān)注其工作帶寬（Span），還要考慮其他的一些參數(shù)，包括：中心頻率（Mid-band frequency）、頻道數(shù)量（Channels）、全向輻射功率（EIRP）、頻道寬度（Channel BW）、頻帶抗干擾特點(diǎn)（Technique），如表3-1所示。

表3-1世界超高頻RFID常見地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

表格中最重要的參數(shù)是全向輻射功率和帶寬。其中，全向輻射功率決定了系統(tǒng)的工作距離，而帶寬決定了系統(tǒng)的容量和抗干擾。帶寬越大，則具有更多的信道數(shù)量，在一個(gè)大型的倉庫中，可以有多臺閱讀器同時(shí)工作，同理當(dāng)遇到干擾的時(shí)候，可以通過切換工作信道的方式進(jìn)行規(guī)避。頻道寬度決定了閱讀器與標(biāo)簽通信的最大速率，不過這一點(diǎn)在中國的實(shí)際應(yīng)用場景中一般都直接被忽略。需要注意，根據(jù)中國無線電管理委員會(huì)規(guī)定，信道寬度為250kHz，使用超過250kHz的鏈路速率是違反國家無線電管理規(guī)范的。

3.1.3 LBT （先聽后說）與Hopping（跳頻技術(shù)）

01、全球頻譜資源管理規(guī)范組織

在3.1.1節(jié)的學(xué)習(xí)中我們發(fā)現(xiàn)全球各地的超高頻RFID工作頻率、帶寬都各不相同，這個(gè)是由什么決定的呢，是什么部門制定的呢？這里先介紹一下各個(gè)國家和地區(qū)的制定標(biāo)準(zhǔn)的組織：

1. 中國制定和管理的部門是國家信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理委員會(huì)，國家無線電監(jiān)測中心，簡稱MII（Ministry of Information Industry）。在應(yīng)用中許多項(xiàng)目都要求超高頻RFID閱讀器通過無委認(rèn)證，就是指的這個(gè)MII認(rèn)證。

2. 美國制定和管理的機(jī)構(gòu)是聯(lián)邦通信委員會(huì)，簡稱FCC（Federal Communications Commission），其中FCC Part 15.247內(nèi)容為超高頻RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，賣到北美的產(chǎn)品都要通過FCC認(rèn)證。

3. 歐洲制定和管理的機(jī)構(gòu)是歐洲電訊標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，簡稱ETSI（European Telecommunications Standards Institute），其中ETSI EN 302-208-1內(nèi)容為超高頻RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4. 韓國制定和管理的部門是信息通信部，簡稱MIC (Ministry of Information and Communication)。

關(guān)于閱讀器的射頻指標(biāo)認(rèn)證內(nèi)容在6.2.2節(jié)有詳細(xì)講解。

02、LBT/CCA技術(shù)

從表3-1的技術(shù)特點(diǎn)一欄可以發(fā)現(xiàn)，在頻帶抗干擾技術(shù)上，歐洲和其它地區(qū)都是不一樣的。歐洲使用的是LBT/CCA技術(shù)；而其他地區(qū)使用的是跳頻（Frequency Hopping）技術(shù)，這些都是由各地區(qū)的情況決定的。

LBT/CCA全稱Listen Before Talk /Clear Channel Assessment，中文意思為監(jiān)聽載波/無干擾信道評估。該規(guī)范要求閱讀器發(fā)射信號之前，先監(jiān)聽一下所有的信道，并記錄各個(gè)信道的使用情況，然后選擇空閑的信道進(jìn)行工作，如圖3-4所示為該規(guī)范的示意圖。

圖3-4現(xiàn)行歐洲UHF RFID法規(guī) LBT/CCA

從圖3-4中很容易理解LBT/CCA這個(gè)技術(shù)，即每次工作前進(jìn)行監(jiān)聽，之后每間隔4秒再次進(jìn)行監(jiān)聽，其目的是防止意外的信號干擾當(dāng)前的閱讀器工作。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，每一個(gè)新的信道都與之前的互不干擾，缺點(diǎn)是每次工作的時(shí)候都要先監(jiān)聽一下，需要消耗一定的時(shí)間。當(dāng)然這個(gè)跟ETSI制訂的標(biāo)準(zhǔn)有很大關(guān)系，歐洲頻段只有2MHz的帶寬，4個(gè)信道。由于信道太少，且是獨(dú)享帶寬，沒有辦法與其他閱讀器系統(tǒng)共用。如果使用跳頻的方式，會(huì)有很大的沖突的機(jī)會(huì)，整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)大大的降低，只有選用LBT/CCA的技術(shù)手段才能克服信道少的缺點(diǎn)，通過犧牲監(jiān)聽時(shí)間來降低閱讀器之間的干擾。

03、跳頻技術(shù)（Frequency Hopping）

跳頻技術(shù)被多數(shù)地區(qū)所采用，這里我們就用中國頻率來舉例。中國頻率有兩部分920 ~ 925 MHz和840 ~ 845MHz，常用920 ~ 925 MHz部分。920 ~ 925 MHz內(nèi)共有16個(gè)信道，每次工作的時(shí)候隨機(jī)選擇一個(gè)信道，2秒內(nèi)換下一個(gè)信道進(jìn)行工作，如此反復(fù)，如圖3-5所示。

圖3-5跳頻在中國頻率

在圖3-5中的閱讀器開始工作就直接隨機(jī)選擇了一個(gè)信道8，0.8s后又換了信道11，再0.3s后跳到了信道2，保證2s內(nèi)換一下工作信道，防止一個(gè)信道被長期占用（在FCC、CE等認(rèn)證中，這個(gè)時(shí)間會(huì)有不同要求，如在FCC為小于400ms）。

跳頻工作優(yōu)點(diǎn)：最大優(yōu)點(diǎn)在于較強(qiáng)的抗干擾能力、保密性好和抗多徑干擾等。

在美國，超高頻 RFID頻率902 MHz～928MHz共26MHz是工科醫(yī)（ISM）頻段，因而必須采取跳頻擴(kuò)頻的工作模式來抗干擾。比如LoRa、Sub 1GHz的FSK等通信技術(shù)都是共用此頻段，這些技術(shù)的規(guī)范也要采用跳頻的方式進(jìn)行抗干擾。

我國超高頻RFID設(shè)備使用的920 MHz～925MHz頻段與點(diǎn)對點(diǎn)立體聲廣播傳輸業(yè)務(wù)共用，所以也采用跳頻擴(kuò)頻的方式來減少干擾。

最后強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)是在開發(fā)閱讀器的時(shí)候，絕對不允許出現(xiàn)定頻的情況出現(xiàn)（實(shí)驗(yàn)室測試除外）?，F(xiàn)在大量的國產(chǎn)閱讀器都開發(fā)了定頻工作模式，而非跳頻工作模式，對行業(yè)的推廣帶來了很大的負(fù)面影響。一般正規(guī)閱讀器廠商的設(shè)備都是默認(rèn)跳頻工作模式，且無法被強(qiáng)制修改。

3.1.4 ERP與EIRP

在表3-1中的世界各地的標(biāo)準(zhǔn)輻射功率一欄中，存在兩個(gè)不同的單位，ERP和EIRP。ERP和EIRP與dBi和dBd這兩個(gè)單位的知識點(diǎn)非常類似，ERP和EIRP的區(qū)別為采用不同單位，如圖3-6所示為ERP和EIRP的輻射示意圖。

ERP = Effective Radiated power等效輻射功率，相對偶極子天線對比，對應(yīng)dBd。

EIRP = Effective isotropic radiated power等效全向輻射功率，相對全向天線對比，對應(yīng)dBi。

ERP的物理意義是：發(fā)射機(jī)功率乘天線增益，計(jì)量單位可以用W、mW、dBW或dBm。表達(dá)公式如下：

• ERP = PT ×GT，其中PT為發(fā)射功率，GT為天線增益。

• ERP (dBW) = PT (dBW) + GT (dBi)（用dBW表示發(fā)射端口功率和天線的聯(lián)合效果）。

• EIRP的原理與ERP相同，EIRP (dBW) = PT (dBW) + GT (dBd)。

• 這兩個(gè)單位的關(guān)系和換算公式為：PEIRP = PERP × 1.64；

• 或表示為：(dB)PEIRP =(dB) PERP +2.14dB。

圖3-6 EIRP與ERP示意圖

中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大輻射功率為2W ERP，可以表示為3.28W EIRP。意思是在中國使用的所有超高頻RFID設(shè)備發(fā)射的信號在空氣中最大的等效全向輻射功率為3.28W。

【例3-1】一個(gè)閱讀器使用的天線增益為8dBi，不考慮饋線衰減天線失配等因素時(shí)，端口允許輸出的最大功率是多少？

解：理論上閱讀器的輸出功率為PT=33+2.15-8=27.15dBm。約為0.5W輸出功率。

從例3-1中可以看出，最大輸出功率只有0.5W，小于一般閱讀器的最大輸出功率。一個(gè)系統(tǒng)中并不是天線增益越大越好，輸出功率越大越好，一定要符合國家的標(biāo)準(zhǔn)才行。現(xiàn)階段國內(nèi)的無線電監(jiān)管還不嚴(yán)格，尤其是在一些特殊應(yīng)用中，存在設(shè)備超標(biāo)發(fā)射，最終輸出功率超過2W ERP規(guī)范。相信今后RFID項(xiàng)目越來越多，若大家都不遵守規(guī)范，相互干擾會(huì)越來越嚴(yán)重。因此各個(gè)閱讀器廠商和項(xiàng)目集成商需要嚴(yán)格遵守國家和地方的無線電規(guī)范。

談到最大發(fā)射功率問題，還有一個(gè)一直以來備受關(guān)注的問題，那就是標(biāo)簽?zāi)芄ぷ鞫噙h(yuǎn)的問題。相信這個(gè)問題一定一直困擾著很多人，因?yàn)榇蠹宜牭降慕Y(jié)果各異，標(biāo)準(zhǔn)也不同。尤其是針對固定式閱讀器，自身沒有天線，那么選擇不同的天線，其對外的輻射功率就不同，針對不同的標(biāo)簽的工作距離也就不同。所以針對閱讀器的工作距離，本書給出一種統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)。同樣，標(biāo)簽的工作距離也是按照這個(gè)方法來計(jì)算出來。根據(jù)式（2-14）：

合并Pt和Gr，變換可得：

（3-1）

其中已知在中國，一般的偶極子標(biāo)簽增益（2dBi），芯片的靈敏度為（-18dBm），標(biāo)簽芯片與天線的匹配效率約為（一般設(shè)計(jì)的比較好的天線可以達(dá)到0.8左右），標(biāo)簽天線的輻射效率為（偶極子天線的輻射效率為0.5），標(biāo)簽天線的極化損耗效率為（針對閱讀器天線為線極化，如閱讀器天線為圓極化，則）。

將上述參數(shù)帶入式（3-1）計(jì)算為：

通過上面的計(jì)算可知，如果一個(gè)標(biāo)簽的工作距離在上述環(huán)境中達(dá)到了9.4m，說明這個(gè)標(biāo)簽是達(dá)標(biāo)的。

同樣，將美國PEIRP=4W帶入式（3-1），可以算出美國標(biāo)準(zhǔn)情況下標(biāo)簽的工作距離為：

面對中國客戶詢問標(biāo)簽或閱讀器的工作距離，我們的回答是9.4m；面對美國客戶我們就可以回答標(biāo)簽或閱讀器的工作距離是10.6m，當(dāng)然上述的前提條件要說清楚。這個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)也是理論值，只有在完全沒有反射的全波暗室環(huán)境中測試才會(huì)出現(xiàn)這個(gè)準(zhǔn)確的工作距離。在普通的測試環(huán)境中，由于反射的加強(qiáng)效果，實(shí)際測試距離會(huì)略大于理論值。

通過對超高頻 RFID的無線電標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，大家需要掌握各個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)的差異，無論在技術(shù)還是商務(wù)層面都是很重要的。其次面向歐洲的閱讀器需要考慮LBT/CCA的設(shè)計(jì)和操作流程，同樣，面向北美和中國的供應(yīng)商應(yīng)嚴(yán)格按照協(xié)議設(shè)置跳頻的功能。本節(jié)最重要的部分是關(guān)于標(biāo)簽工作距離的計(jì)算，希望能成為行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)的溝通帶來便利。