RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(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)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

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

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超高頻 RFID無線電射頻標準

3.1.1 RFID與無線電頻譜

談到超高頻射頻識別（UHF RFID）技術，大家經(jīng)常會遇到協(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

圖中的各個頻段內容比較生動，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頻段，第一個頻段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目才會使用這個頻段。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。可見美國在超高頻 RFID投入的力量是非常大的，這也同時印證了北美市場占得最大的超高頻市場份額。從這個頻段也可以理解到現(xiàn)階段的超高頻 RFID市場已經(jīng)是一個全球市場，在產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)上一定要考慮全球化的因素。比如一款超高頻 RFID標簽的設計，其具有100MHz帶寬，以支持860MHz附近的歐洲頻段，同時也要支持美國和日本頻段，這也給設計和開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)和機遇。

圖3-3世界超高頻常見地區(qū)頻帶范圍圖

在討論各個國家和地區(qū)的無線電規(guī)范時，除了要關注其工作帶寬（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（Technique），如表3-1所示。

表3-1世界超高頻RFID常見地區(qū)標準指標

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，在一個大型的倉庫中，可以有多臺閱讀器同時工作，同理當遇到干擾的時候，可以通過切換工作信道的方式進行規(guī)避。頻道寬度決定了閱讀器與標簽通信的最大速率，不過這一點在中國的實際應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）

01、全球頻譜資源管理規(guī)范組織

在3.1.1節(jié)的學習中我們發(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國家和地區(qū)的制定標準的組織：

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，國家無線電監(jiān)測中心，簡稱MII（Ministry of Information Industry）。在應用中許多項目都要求超高頻RFID閱讀器通過無委認證，就是指的這個MII認證。

2. 美國制定和管理的機構是聯(lián)邦通信委員會，簡稱FCC（Federal Communications Commission），其中FCC Part 15.247內容為超高頻RFID相關標準，賣到北美的產(chǎn)品都要通過FCC認證。

3. 歐洲制定和管理的機構是歐洲電訊標準協(xié)會，簡稱ETSI（European Telecommunications Standards Institute），其中ETSI EN 302-208-1內容為超高頻RFID相關標準。

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)。

關于閱讀器的射頻指標認證內容在6.2.2節(jié)有詳細講解。

02、LBT/CCA技術

從表3-1的技術特點一欄可以發(fā)現(xiàn)，在頻帶抗干擾技術上，歐洲和其它地區(qū)都是不一樣的。歐洲使用的是LBT/CCA技術；而其他地區(qū)使用的是跳頻（Frequency Hopping）技術，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，并記錄各個信道的使用情況，然后選擇空閑的信道進行工作，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這個技術，即每次工作前進行監(jiān)聽，之后每間隔4秒再次進行監(jiān)聽，其目的是防止意外的信號干擾當前的閱讀器工作。這個技術的優(yōu)點非常明顯，每一個新的信道都與之前的互不干擾，缺點是每次工作的時候都要先監(jiān)聽一下，需要消耗一定的時間。當然這個跟ETSI制訂的標準有很大關系，歐洲頻段只有2MHz的帶寬，4個信道。由于信道太少，且是獨享帶寬，沒有辦法與其他閱讀器系統(tǒng)共用。如果使用跳頻的方式，會有很大的沖突的機會，整個系統(tǒng)的效率會大大的降低，只有選用LBT/CCA的技術手段才能克服信道少的缺點，通過犧牲監(jiān)聽時間來降低閱讀器之間的干擾。

03、跳頻技術（Frequency Hopping）

跳頻技術被多數(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內共有16個信道，每次工作的時候隨機選擇一個信道，2秒內換下一個信道進行工作，如此反復，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選擇了一個信道8，0.8s后又換了信道11，再0.3s后跳到了信道2，保證2s內換一下工作信道，防止一個信道被長期占用（在FCC、CE等認證中，這個時間會有不同要求，如在FCC為小于400ms）。

跳頻工作優(yōu)點：最大優(yōu)點在于較強的抗干擾能力、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頻的工作模式來抗干擾。比如LoRa、Sub 1GHz的FSK等通信技術都是共用此頻段，這些技術的規(guī)范也要采用跳頻的方式進行抗干擾。

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

最后強調一點是在開發(fā)閱讀器的時候，絕對不允許出現(xiàn)定頻的情況出現(xiàn)（實驗室測試除外）。現(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面影響。一般正規(guī)閱讀器廠商的設備都是默認跳頻工作模式，且無法被強制修改。

3.1.4 ERP與EIRP

在表3-1中的世界各地的標準輻射功率一欄中，存在兩個不同的單位，ERP和EIRP。ERP和EIRP與dBi和dBd這兩個單位的知識點非常類似，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dBd。

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

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

• 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)。

• 這兩個單位的關系和換算公式為：PEIRP = PERP × 1.64；

• 或表示為：(dB)PEIRP =(dB) PERP +2.14dB。

圖3-6 EIRP與ERP示意圖

中國標準規(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，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準才行?，F(xiàn)階段國內的無線電監(jiān)管還不嚴格，尤其是在一些特殊應用中，存在設備超標發(fā)射，最終輸出功率超過2W ERP規(guī)范。相信今后RFID項目越來越多，若大家都不遵守規(guī)范，相互干擾會越來越嚴重。因此各個閱讀器廠商和項目集成商需要嚴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，還有一個一直以來備受關注的問題，那就是標簽能工作多遠的問題。相信這個問題一定一直困擾著很多人，因為大家所聽到的結果各異，標準也不同。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)一的評判標準。同樣，標簽的工作距離也是按照這個方法來計算出來。根據(jù)式（2-14）：

合并Pt和Gr，變換可得：

（3-1）

其中已知在中國，一般的偶極子標簽增益（2dBi），芯片的靈敏度為（-18dBm），標簽芯片與天線的匹配效率約為（一般設計的比較好的天線可以達到0.8左右），標簽天線的輻射效率為（偶極子天線的輻射效率為0.5），標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）計算為：

通過上面的計算可知，如果一個標簽的工作距離在上述環(huán)境中達到了9.4m，說明這個標簽是達標的。

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

面對中國客戶詢問標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簽或閱讀器的工作距離是10.6m，當然上述的前提條件要說清楚。這個計算數(shù)據(jù)也是理論值，只有在完全沒有反射的全波暗室環(huán)境中測試才會出現(xiàn)這個準確的工作距離。在普通的測試環(huán)境中，由于反射的加強效果，實際測試距離會略大于理論值。

通過對超高頻 RFID的無線電標準的學習，大家需要掌握各個國家的標準的差異，無論在技術還是商務層面都是很重要的。其次面向歐洲的閱讀器需要考慮LBT/CCA的設計和操作流程，同樣，面向北美和中國的供應商應嚴格按照協(xié)議設置跳頻的功能。本節(jié)最重要的部分是關于標簽工作距離的計算，希望能成為行業(yè)的統(tǒng)一標準，為行業(yè)的溝通帶來便利。