Procedure di misura per la caratterizzazione di reader RFID in banda UHF: modalita' operative, risultati sperimentali e criticita' applicative

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SCUOLA DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in INGEGNERIA DELLETELECOMUNICAZIONI

Indirizzo ELETTROMAGNETISMOAPPLICATO

PROCEDURE DI MISURA PER LA CARATTERIZZAZIONE DI

READER

RFID

IN BANDA

UHF:

MODALITÀ OPERATIVE,

RISULTATI SPERIMENTALI

E CRITICITÀ APPLICATIVE

Autore:

Alberto C

ARBONE

Relatori:

Prof. Ing. Paolo NEPA

Prof. Ing. Giuliano MANARA

Dott. Ing. Alice BUFFI

Ing. Gabriele ISOLA

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Indice

Introduzione 4

1 La tecnologia RFID 5

1.1 La tecnologia RFID . . . 5

1.1.1 Bande di utilizzo . . . 6

1.1.2 Protocolli di comunicazioni RF in banda UHF . . . 7

1.2 Classificazione dei reader. . . 9

1.2.1 Schema a blocchi di un reader . . . 9

1.3 Organizzazione dell’elaborato . . . 12

2 Analisi di reader commerciali 13 2.1 Ricerca di reader commerciali . . . 13

2.2 Chipset . . . 16

2.2.1 Chipset AustriaMicroSystem AS3992 . . . 16

2.2.2 Chipset Phychips PR-9200 . . . 17

2.2.3 Chipset Impinj Indy R1000. . . 18

2.2.4 Chipset Impinj Indy R2000. . . 20

2.3 Reader utilizzati nella campagna di misure . . . 22

2.3.1 Reader AMS Arnie 2.4 . . . 22

2.3.2 Reader Phychips PRM92E20CE . . . 23

2.3.3 Reader ThingMagic Mercury6e . . . 24

2.3.4 Reader CAEN A528 . . . 26

2.3.5 Reader CAEN R1230. . . 27

2.3.6 Reader CAEN R4300. . . 28

2.4 Tag utilizzati nella campagna di misure . . . 29

3 Caratterizzazione della distanza di lettura di reader commerciali 32 3.1 Parametri fondamentali . . . 32

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3.1.2 Efficienza di lettura . . . 33

3.1.3 Distanza di lettura (reading distance o read range) . . . 33

3.2 Procedure e Setup di misura . . . 34

3.2.1 Setup di misura . . . 34

3.2.2 Procedure di misura . . . 37

3.2.3 Accorgimenti durante le misure . . . 37

3.2.4 Metodo Mini Scale . . . 38

3.3 Configurazione dei reader . . . 41

3.3.1 Parametro Q . . . 43

3.4 Misure di distanza di lettura per il setup con singolo tag . . . 44

3.4.1 Risultati CAEN A528 . . . 44

3.4.2 Risultati CAEN R4300 . . . 45

3.4.4 Risultati AMS Arnie 2.4 . . . 47

3.4.5 Risultati Phychips PRM92E20CE . . . 49

3.4.6 Risultati ThingMagic M6e . . . 51

3.4.7 Commenti e osservazioni sui risultati . . . 52

3.5 Misure di distanza di lettura per il setup con multi tag . . . 54

3.5.4 Risultati AMS Arnie 2.4 . . . 63

3.5.7 Commenti e osservazioni sui risultati . . . 72

4 Verifica della Potenza di emissione e Rispetto delle Normative 73 4.1 Strumentazione di misura . . . 74

4.1.1 Analizzatore di spettro . . . 74

4.1.2 Attenuatore . . . 76

4.1.3 Connessioni RF . . . 77

4.2 Parametri di procedure di misura . . . 77

4.2.1 Potenza trasmessa . . . 78

4.2.2 Emissioni in banda . . . 79

4.2.3 Emissioni spurie . . . 80

4.3 Configurazione dei reader . . . 81

(4)

4.4.4 Risultati AMS Arnie2.4 . . . 86

4.4.7 Prove con due differenti rivelatori . . . 90

4.4.8 Prove al variare del TARI. . . 91

Conclusioni 92

Bibliografia 103

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Introduzione

Nell’ambito delle tecnologie di identificazione a radiofrequenza RFID, il mercato offre una larga varietà di lettori (reader) per etichette elettroniche (tag). I lettori, svolgono tutti la medesima funzione di lettura e scrittura del contenuto di memoria del tag, ma presentano differenti caratteristiche e prestazioni. La conoscenza di quest’ultime è di fondamentale importanza per determinare la scelta applicativa del dispositivo. In que-sto lavoro di tesi ci occuperemo di fornire un metodo per l’analisi e la caratterizzazione del comportamento delle prestazioni di lettori RFID e di presentare i risultati derivanti dall’applicazione di tale metodo su vari lettori. Al fine di analizzare le prestazioni di un lettore RFID verranno presi in considerazione alcuni parametri fondamentali: la massima distanza di lettura, la velocità di lettura, la potenza trasmessa, e il rispetto delle normative in termini di emissioni elettromagnetiche. Verrà fatto uno studio preliminare definendo le procedure e le metodologie di misura utilizzate per la valutazione di tali caratteristi-che, soffermandosi su i problemi e le criticità incontrate durante le fasi di misura stesse. Successivamente lo studio si focalizzerà sull’applicazione del metodo e sulla misura dei parametri sopra citati, su lettori RFID commerciali, operanti in banda UHF e conformi allo standard EPCglobal Class 1 Generation 2.

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Capitolo 1

La tecnologia RFID

In questo capitolo presenteremo la tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification) e le sue principali applicazioni. Illustreremo inoltre l’architettura di un sistema di co-municazione basato sugli RFID, il funzionamento dei dispositivi adibiti al recupero di tali informazioni, le tipologie e gli standard dei sistemi RFID attualmente presenti sul mercato.

1.1 La tecnologia RFID

La tecnologia RFID permette di memorizzare, leggere o modificare dei dati, in gene-re un codice identificativo, memorizzato in particolari etichette elettroniche denominate “tag” [1], [2]. La lettura del contenuto informativo dei tag avviene in modo rapido e veloce, attraverso l’uso di appositi lettori reader, che consentono la gestione simultanea di un’insieme di oggetti. Il minimo costo, il ridotto ingombro e la praticità con cui si possono gestire dati hanno portato ad utilizzare i sistemi RFID in diversi settori, portando cambiamenti, a volte anche radicali, nelle procedure operative. I campi in cui vengono utilizzati gli RFID sono numerosissimi: carte di identificazione personali, carte di credito, controllo presenze e accessi del personale, gestione delle merci nella logistica dei magaz-zini e dei trasporti, smaltimento rifiuti, sistemi antitaccheggio, e così via [3]. Il grande vantaggio rispetto ai sistemi di identificazione che utilizzano i codici a barre è rappresen-tato dalla capacità di lavorare in assenza di visibilità ottica. Inoltre tali sistemi possono consentire di avere funzionalità aggiuntive come la localizzazione.

Un esempio di un sistema RFID è rappresentato in Figura1.1. Oltre al tag e al reader, all’interno del sistema è previsto l’impiego di un Host Computer.

Il tag consiste in un’etichetta di piccole dimensioni, tipicamente dell’ordine di qualche centimetro, composta da un’antenna e da un microchip nel quale è presente la memoria

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Figura 1.1: Sistema RFID.

contenente l’identificativo del tag. Il reader è un dispositivo in grado di leggere o modi-ficare l’informazione contenuta nel tag. L’Host Computer permette all’utente di interfac-ciarsi con il sistema di lettura, di inviare comandi al reader e visualizzare le informazioni scambiate con il tag.

Esistono diversi tipi di tag, una prima classificazione può essere fatta in base alla necessità di dover fornire o meno alimentazione ai circuiti di logica che lo compongono, al fine di acquisire il dato in esso memorizzato. In base a questa caratteristica i tag possono essere: attivi, semi-passivi o passivi.

I tag di tipo passivo sono più diffusi per il loro basso costo. Essi sono costituiti da un microchip e da un antenna e sono privi di batteria. Per poter leggere il loro contenuto, occorre alimentarli e tale compito viene demandato al reader che attiva il microchip del

tag fornendogli l’energia necessaria per rispondere alle sue richieste. Dal momento che

un tag passivo non ha al suo interno un trasmettitore, esso risponde con una semplice modifica della sua Radar Cross Section (RCS). In pratica il tag attua una modulazione sul segnale riflesso (segnale di backscatter) variando l’impedenza di carico della propria antenna, in base al messaggio da scambiare con il reader.

Le operazioni che è possibile eseguire sul tag sono diverse. Il reader può eseguire la lettura e la scrittura del suo contenuto informativo o addirittura disabilitare parti di memoria dell’intero tag.

1.1.1 Bande di utilizzo

Lo spettro di utilizzo della tecnologia RFID spazia da poche centinaia di Hertz fino alle frequenze delle microonde. Attualmente i tag più diffusi sul mercato lavorano nelle fre-quenze di 125 kHz (LF), 13.56 MHz (HF) e 900 MHz (UHF). I tag che operano nelle bande LF e HF vengono utilizzati in applicazioni di prossimità, poiché la distanza tipica

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di lettura è inferiore ad 1 metro. L’accoppiamento tra l’antenna del tag e l’antenna del

reader è di tipo induttivo e le antenne sono solitamente realizzate da spire elettriche. I tag

in banda UHF e a microonde fanno parte di sistemi a medio/lungo raggio, per i quali la distanza di lettura è maggiore di 1 metro. In questo caso si rendono necessarie antenne più direttive che scambiano informazione attraverso propagazione elettromagnetica.

Si fa notare che all’aumentare della frequenza aumenta la distanza di lettura e la ve-locità di trasferimento dei dati. Di contro, il collegamento diventa più suscettibile alla presenza di oggetti metallici o conduttivi presenti in prossimità del tag.

1.1.2 Protocolli di comunicazioni RF in banda UHF

Nel corso degli ultimi dieci anni sono stati sviluppati diversi standard e protocolli in-ternazionali nelle diverse aree geografiche del mondo. Tra le maggiori organizzazioni che si occupano delle relative norme e degli standard abbiamo l’EPCglobal e l’ISO. Nel 2004, EPCglobal ha emesso lo standard Class1 Generation2 (EPC Gen2) [4], per sistemi RFID in banda UHF, operanti nella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) a libe-ro utilizzo. Tale standard è stato successivamente recepito dall’ISO e denominato come “18000-6 Type C”.

L’EPCglobal Class 1 Generation 2 riguarda i sistemi RFID nella banda di frequenze 860 MHz ÷ 960 MHz; esso descrive il livello fisico e logico del sistema e definisce il modo di operare tra reader e tag, le modulazioni e le temporizzazioni. L’intervallo di fre-quenze definito dall’EPCglobal non viene utilizzato completamente, in quanto ogni zona geografica ha delle limitazioni sulla banda allocata e sulla massima potenza di trasmissio-ne ammessa, pertanto la banda di utilizzo vietrasmissio-ne limitata in maniera diversa trasmissio-nei vari stati. La distribuzione delle differenti bande e potenze di utilizzo per sistemi RFID UHF nei paesi del mondo è raffigurata in Figura1.2.

Esistono due principali bande di utilizzo: quella Europea (865 MHz ÷ 868 MHz) e quella Americana (902 MHz ÷ 928 MHz). Il sistema Europeo prevede l’utilizzo di 3 bande adiacenti. La prima banda, tra 865.0 MHz e 865.6 MHz, suddivisa in 3 canali con potenza massima di 1 mW ERP (Effective Radiated Power), la seconda banda, tra 865.5 MHz e 867.5 MHz, suddivisa in 10 canali con potenza massima di 2 W ERP e la terza banda, tra 867.6 MHz e 868.0 MHz, suddivisa in 2 canali con potenza massima di 500 mW ERP. Ogni canale ha una larghezza pari a 200 kHz. Lo standard ETSI EN 302-208 impone l’utilizzo della seconda banda tra 865.5 MHz e 867.5 MHz come illustrato in Figura1.3.

Un altro standard, anch’esso di rilevante importanza è quello Nord Americano e Ca-nadese, definito dal comitato FCC e denominato come Part 15.247. Come illustrato in

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Fi-Figura 1.2: Standard RFID in banda UHF nei vari paesi del mondo.

Figura 1.3: Frequenze e Canali dello standard Europeo ETSI EN302-208.

gura1.4, in Nord America e in Canada, si ha a disposizione un’unica banda tra 902 MHz e 928 MHz suddivisa in 50 canali da 500 kHz ciascuno e con potenza massima di 4 W EIRP (Effective Isotropic Radiated Power).

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1.2 Classificazione dei reader

I reader possono essere classificati principalmente in base alle loro dimensioni e al loro campo di utilizzo in:

• reader fissi • reader portatili

I reader fissi hanno prestazioni superiori e dimensioni dell’ordine di 20/30 cm. Sono utilizzati quando sono richieste alte prestazioni in lettura o scrittura, quando si ha la ne-cessità di gestire grandi quantità di tag, come ad esempio nella logistica. I reader fissi, generalmente, sono equipaggiati di microprocessori più potenti, dispongono di un vero e proprio sistema operativo e spesso sono dotati di diverse interfacce di comunicazione cablate e wireless. Sono inoltre progettati per essere utilizzati in ambienti di lavoro in-dustriali e in condizioni estreme, quindi presentano un elevato fattore IP di isolamento dall’ambiente esterno secondo le norme CEI EN 60529/1997.

I reader portatili sono dei lettori tipicamente di piccole dimensioni in grado di funzio-nare autonomamente. Sono forniti di una batteria e di un’interfaccia utente e permettono di effettuare letture di tag in mobilità e in qualunque punto di lavoro. Sono più economici rispetto ai reader di tipo fisso e, non avendo grosse capacità elaborative, si occupano della sola acquisizione dei dati.

Esiste una tipologia di reader denominati embedded e realizzati appositamente per es-sere integrati all’interno dispositivi più complessi, ai quali si vuole aggiungere la funzio-nalità della tecnologia RFID, come ad esempio dispositivi portatili (palmari) o stampanti per etichette RFID, ecc. Questo tipo di reader è caratterizzato da consumi e dimensio-ni estremamente ridotte e viene distribuito in un involucro metallico. L’interfaccia con l’Host Computer risulta essere proprietaria e per il loro funzionamento si ha bisogno di un ulteriore hardware, chiamato Evaluation Board, fornito dal produttore.

Vale la pena citare una tipologia di reader ad-hoc di tipo desktop progettati apposita-mente per essere utilizzati in ambienti indoor, dove non sono richieste alte prestazioni. Si presentano come delle periferiche connesse all’Host Computer via USB o tramite RS-232 e le loro prestazioni in lettura sono in genere inferiori rispetto agli altri reader.

In questo lavoro di tesi verranno presi in analisi dei reader di tipo embedded e fissi.

1.2.1 Schema a blocchi di un reader

Lo schema a blocchi di un reader RFID in banda UHF di tipo monostatico è rappresentato in Figura1.5. Esso presenta una sola antenna utilizzata sia in trasmissione che in ricezione

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e il compito di separare il segnale ricevuto da quello trasmesso è affidato al circolatore, posto tra i due stadi di trasmissione e ricezione del reader e l’antenna.

Figura 1.5: Schema a blocchi di un reader RFID di tipo monostatico.

La parte di trasmissione è composta da un oscillatore locale (LO), da uno stadio di modulazione (Switch), da uno stadio di amplificazione (PA) e da un filtro (Band Selection

Filter). Il segnale dell’oscillatore locale viene utilizzato anche dai circuiti di ricezione,

allo scopo di cancellare la portante del segnale ricevuto e migliorare di conseguenza la ricezione.

Nella parte di ricezione, il segnale proveniente dal circolatore entra nel primo stadio a basso rumore, dove viene filtrato (Band Selection Filter) e amplificato dall’amplificatore (Low Noise Amplifier, LNA). Per evitare di introdurre eccessivo rumore, il segnale viene demodulato direttamente in banda base, operazione effettuata dai due mixer in fase e in quadratura. Il segnale viene successivamente filtrato dai due capacitori (AC coupling) i quali eliminano la componente a frequenza nulla introdotta dai mixer e inviano il segnale a due filtri sintonizzati sul canale prestabilito. I due amplificatori a guadagno variabile (Variable Gain Amplifier, VGA) provvedono ad amplificare i segnali, ponendoli nella dinamica dello stadio successivo. I convertitori analogico-digitali, (Analog to Digital

Converter, ADC) forniscono al blocco di elaborazione numerica (Baseband Processing)

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Nel reader monostatico schematizzato in Figura1.5viene trasmessa un’onda continua CW che alimenta il tag e al tempo stesso riceve dal tag un segnale riflesso di risposta. Dal momento che il segnale ricevuto è essenzialmente alla stessa frequenza del segnale trasmesso, non è possibile utilizzare un duplexer per separare i due segnali. Tale compito viene affidato al circolatore che separa il segnale trasmesso da quello ricevuto, portando il segnale proveniente dai circuiti di trasmissione verso l’antenna e il segnale proveniente dall’antenna verso i circuiti di ricezione.

Per avere delle buone prestazioni in lettura è importante avere una buona separa-zione dei segnali di trasmissione e ricesepara-zione. Una parte del segnale trasmesso

(Conti-nuous wave, CW) che rientra nei circuiti di ricezione e degrada la sensibilità del reader,

è chiamato self-jammer. Dal momento che questo segnale è noto in trasmissione, una soluzione tipicamente adottata per ridurlo è quella di utilizzare un circuito denominato

Self-Cancellation Circuit, che sfrutta una replica del segnale trasmesso.

Figura 1.6: Confronto tra il sistema bistatico e monostatico.

In alternativa al reader di tipo monostatico si ricorre ad una diversa configurazione dei componenti in cui vengono utilizzate antenne separate per la trasmissione e la ricezione. Tale sistema è noto come sistema bistatico ed è rappresentato in Figura1.6. Con questa configurazione, il segnale di disturbo è rappresentato sostanzialmente dal segnale di

lea-kage che rientra nei circuiti di ricezione, dovuto all’accoppiamento tra le due antenne. Un

sistema di tipo bistatico migliora notevolmente la sensibilità del reader, e quindi miglio-rare le sue prestazioni in lettura, a scapito però di un costo e un ingombro maggiore. Per tali motivi, i sistemi monostatici sono i più diffusi.

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1.3 Organizzazione dell’elaborato

Nel secondo capitolo verrà presentato il lavoro di ricerca e analisi effettuato su alcuni

reader RFID in banda UHF disponibili sul mercato. Per ogni reader analizzato verranno

presentate le sue caratteristiche fondamentali, lo schema a blocchi del chipset in esso utilizzato, il modello dei tag utilizzati e la strumentazione utilizzata nelle misure.

Nel terzo capitolo verranno presentate le misure di leggibilità, in particolare la mas-sima distanza e la velocità di lettura, effettuate sia con un singolo tag che con più di un

tag.

Nel quarto capitolo si parlerà delle misure di verifica della potenza e del rispetto delle normative in termini di emissioni elettromagnetiche. I parametri presi in considerazione saranno la potenza trasmessa, la maschera di trasmissione in banda Europea e le emissioni spurie fuori banda.

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Capitolo 2

Analisi di reader commerciali

In questo capitolo verrà presentata la prima fase del lavoro di questa tesi relativa alla ricerca di alcuni reader commerciali presenti sul mercato. Tra questi ne saranno sele-zionati alcuni che verranno successivamente analizzati nel dettaglio evidenziandone le caratteristiche principali quali il chipset impiegato e la documentazione tecnica.

2.1 Ricerca di reader commerciali

La ricerca è stata limitata ai soli lettori RFID che operano in banda UHF, conformi allo standard ETSI EN302-208, operanti almeno nella banda Europea. Da questa ricerca sono stati selezionati 106 reader, di diversi modelli e produttori.

Per ogni reader sono state studiate tutte le principali caratteristiche e raccolte le do-cumentazioni tecniche. Un parametro fondamentale di un reader è dato dalla sua potenza massima di trasmissione. Dal momento che questo valore influenza notevolmente le pre-stazioni è stata effettuata una prima classificazione dei reader in base a tale parametro. Naturalmente, date le diverse caratteristiche costruttive, occorre tenere conto del tipo di

reader che si va ad analizzare, pertanto la nostra analisi raccoglie i dati per reader di tipo

omogeneo. In seguito vedremo quindi i risultati divisi tra reader embedded (Tabella2.1),

reader desktop (Tabella2.2) e reader fissi (Tabella2.3).

Tra i reader fissi, sono stati anche analizzati i modelli ISCMR-200 e ISCMR-200i, prodotti da Feig che lavorano con potenza di 25 dBm, a differenza degli altri descritti in Tabella2.3essi hanno potenza massima circa pari a 30 dBm. Dalle documentazioni tecni-che analizzate è emerso tecni-che i reader di tipo fisso hanno prestazioni tipicamente maggiori rispetto agli altri e tipicamente rappresentano il prodotto di punta di un’azienda.

Nella campagna di misure, sono stati impiegati sei reader tra quelli analizzati (Tabel-la2.4); essi sono stati scelti in base al chipset impiegato, il quale è un elemento chiave per

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Potenza massima < 27 dBm Potenza massima > 27 dBm

CaenRFID R1230CB Awid MPR 1510xx

CaenRFID R1270B Awid MPR 1910xx

CaenRFID A828A CaenRFID A941

Feig M U02.02xx Favite FS -GM102xx

Microelectronics RU888 -2 Idro 900x

STid URL -Wx1 Intermec IM5

TagSense NanoUHF Intermec IM11

TagSense MicroUHF Microelectronics RU861 -0

ThingMagic M5E -Compact Sirit INfinity 210

Awid MPR 1980 Skyetek SkyeModule M9 -MH

CaenRFID A527 Skyetek SkyeModule M10

Favite FS -GM101 STid URF -Wx1

Microelectronics RU824 -0xx ThingMagic M6E -micro Microelectronics RU888 -0xx ThingMagic M6E

NordicID 05W ThingMagic M5E

NordicID 05WL2 Winnix HYM -730

Phychips PRM92x20xx Winnix HYM -740

Skyetek SkyeModule M7 Winnix HYM -750

Skyetek SkyeModule M9 -CF Winnix HYR -101 STid URM-Wx2

STid URi-Wx1

Tabella 2.1: Lista dei modelli di reader embedded.

Potenza massima < 27 dBm Potenza massima > 27 dBm

Deister UDL5 Alien 9650

Deister UDL50 Awid LR2000/2000 -HiLo

Deister UDL120 Awid LR2200

RF -Embedded DTR-100U Awid MPR2010 -RA/NB

Winnix HRY810 Awid MPR2080BU

CaenRFID R1260 Awid UA612 -BR/BN

Feig ISCMR200i Deister UDL250

NordicID SampoS1 EU/USA Deister TSU200

ThingMagic UHF-USB Idro 900-EA/RW

StID UR -One StID UR -C

NordicID SampoS0 EU StID STR

RF -Embedded PUR -MR250W StID GAT-DESK

Winnix HRY -6011/6012

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Potenza massima ≈ 30 dBm

Alien 9900USA/EU Intermec IF30

Alien 9680 Intermec IF61

Awid LR911/911 -HiLo Motorola FX7400 -2/4

Awid MPR3014 -OM/OB Motorola FX9500 -2/4

CaenRFID A941 Motorola XR440/480

CaenRFID R4300 Sirit INfinity 510 US/EU

Favite GF801 Sirit INfinity 610 US/EU

Favite GF201 Sirit IDentity 3100 US

Feig IDMAX -U2000 Sirit IDentity 4100 US/EU

Feig IDMAX -U3000 Sirit IDentity 5100 US/EU

Feig IDMAX -U3500 Sirit IDentity 5200/5204 US/EU

Idro 900 -V/F/F4 Sirit IDentity 6200/6204 US

Impinj Speedway R1000 SkyeTek SR100

Impinj Speedway R220/420 StID UR -D

Impinj Speedway xArray ThingMagic Astra/EX (30dBm)

Intermec IF2 ThingMagic Vega

Intermec IV7 Winnix HRY830

Tabella 2.3: Lista dei modelli di reader fissi.

le prestazioni. Per i lettori di tipo embedded, sono state utilizzate le rispettive evaluation

board fornite dal costruttore che non sono invece necessarie per i lettori di tipo fisso.

So-no stati scelti i modelli equipaggiati con i chipset AS3992, PR9200, R1000 e R2000 per la loro larga diffusione sul mercato.

Produttore e Modello Tipologia di reader

Chipset Potenza Massima

CAENRFID A528 Embedded R1000 27 dBm

CAENRFID R4300 Fisso R2000 31.7 dBm

CAENRFID R1230 Embedded 23 dBm

AMS Arnie 2.4 Embedded AS3992 30 dBm

Phychips PRM92E20CE Embedded PR9200 25 dBm

ThingMagic Mercury6e Embedded R2000 31.5 dBm

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2.2 Chipset

La maggior parte dei reader RFID in banda UHF si basa sull’utilizzo di circuiti integrati SoC (System on-a Chip). Un circuito di tipo SoC racchiude tutta la logica di un progetto all’interno di un singolo chip, permettendo di semplificare il progetto finale, e di ridurre il numero di componenti discreti necessari alla sua realizzazione.

I chipset RFID esistenti in commercio integrano circuiti di front-end per la trasmis-sione e la ricezione dei segnali a radiofrequenza, circuiti per la gestione del protocollo di comunicazione (in genere ISO 18000-6), e in alcuni casi un microcontrollore e una memoria RAM.

Tra i chipset realizzati dalle più note aziende produttrici di sistemi RFID, che lavorano in banda UHF, si citano i seguenti:

• Analog Devices: ADF9010;

• AustriaMicroSystem: AS3990, AS3991, AS3992DRM, AS3993; • Impinj: Indy-R500, Indy-R1000, Indy-R2000;

• IDS Microchip: R900G, R901G, R902DRM, R903; • Phychips: PR9000, PR9200.

2.2.1 Chipset AustriaMicroSystem AS3992

Il chipset realizzato dall’azienda AustriaMicroSystem [5] è rappresentato in Figura2.1. Dallo schema si nota che il chip integra un blocco “EPC Gen2 Protocol handling” per la gestione del protocollo EPC Global Class1 Gen2. Nella modalità Direct Data

Mo-de, è possibile gestire direttamente il protocollo via MCU (Micro Control Unit) anziché

attraverso il blocco di Protocol handling.

Per la trasmissione, il chip integra un amplificatore RF in grado di erogare una poten-za di 20 dBm. Sul lettore è disponibile anche un’uscita di segnale non amplificato, nel caso in cui si avesse la necessità di utilizzare un amplificatore esterno per avere maggiore potenza. I circuiti di ricezione demodulano il segnale sui due canali in fase e in quadra-tura, seguiti da stadi di filtraggio e amplificazione. I due segnali vengono digitalizzati e successivamente l’MCU provvede alla rimozione del preambolo e alla verifica del CRC (Cyclic Redundancy Check). I frame cosi “ripuliti” sono resi disponibili nei registri FIFO (First Input First Output) delle MCU e sono pronti per essere letti da un’unità esterna.

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Figura 2.1: Diagramma a blocchi del chipset AS 3992.

- Supporto completo del protocollo ISO18000-6C (EPC Gen2), compatibilità con il protocollo ISO18000-6A e B solo in modalità Direct mode;

- sensibilità di ricezione fino a -86 dBm;

- utilizzo di tecniche di Pre-distortion per migliorare la linearità dell’amplificatore di potenza;

- amplificatore di potenza interno con guadagno di 20 dBm (per applicazioni a corto raggio);

- modulazioni supportate: ASK (con indice di modulazione regolabile) o PR-ASK.

2.2.2 Chipset Phychips PR-9200

In Figura2.2 è rappresentato lo schema a blocchi del chipset PR9200 [6]. Il chipset im-plementa un blocco analogico dedicato alla gestione del segnale a radiofrequenza RF e due blocchi dedicati all’elaborazione digitale del segnale MCU in banda base MODEM.

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Il segnale ricevuto dall’antenna viene convertito in banda base dai due mixer a doppio ramo I-Q. Il circuito DC offset cancellation elimina la componente continua del segnale convertito. Un filtro LPF con banda regolabile, si occupa di filtrare il segnale. Un amplifi-catore a guadagno variabile provvede a un sufficiente guadagno per la demodulazione del segnale. Il successivo convertitore analogico digitale converte il segnale su 6 bit il quale viene poi processato in modo digitale dal successivo blocco MODEM. In trasmissione, il segnale digitale viene convertito in analogico da un DAC a 12 bit, filtrato e amplificato senza nessuna conversione attraverso un mixer. L’amplificazione è affidata a un amplifi-catore interno PA da 20 dBm ma due uscite del segnale non amplificato rendono possibile utilizzare un amplificatore esterno.

Figura 2.2: Diagramma a blocchi del chipset PR9200.

Di seguito si elencano le principali caratteristiche del chipset PR9200.

- Supporto completo del protocollo ISO18000-6C e EPC Global Class1 Gen2;

- codifica del segnale: FM0, M2, M4, M8;

- velocità dati supportate: 40 kHz, 80 kHz, 160 kHz, 320 kHz e 640 kHz;

- microcontrollore integrato “Cortex M0 CPU”;

- potenza massima di uscita con amplifitore interno pari a 20 dBm.

2.2.3 Chipset Impinj Indy R1000

La casa produttrice Impinj è una delle più grandi compagnie di dispositivi RFID in banda UHF di origine americana. Fondata nel 2002, si occupa della realizzazione di diversi dispositivi come chip, reader e antenne. Nel 2008, acquista la divisione RFID della Intel [7] incluso il suo chipset che è stato successivamente rinominato come Indy-R1000, [8].

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Lo schema a blocchi del chiset Indy R1000 [8] è rappresentato in Figura 2.3. La parte di trasmissione si basa su una struttura a doppio ramo I-Q a conversione diretta. I segnali sono generati nel dominio numerico e convertiti in analogico da due DAC seguiti da filtri. Il chip include un PA (Power Amplifier) come amplificatore di potenza integrato da 17 dBm ed è possibile l’utilizzo di uno esterno per incrementare la potenza di uscita. Il segnale ricevuto viene amplificato da un LNA (Low Noise Amplifier) e portato in banda base dai due mixer. I blocchi SD provvedono alla conversione in digitale del segnale utilizzando una frequenza di campionamento doppia. I segnali campionati sono seguiti da filtri digitali polifase Decimation Filter.

Figura 2.3: Diagramma a blocchi del chipset Impinj Indy-R1000.

Le sue principali caratteristiche sono:

- protocollo supportato EPCGlobal UHF Class1 Gen2 / ISO 18000-6C;

- trasmissione con modulazioni: DSB, SSB, e PR-ASK;

- capacità di lavorare in modalità DRM (Dense reader mode);

- sensibilità pari a -95 dBm in modalità DRM e -110 dBm in modalita LBT (Listen

Before Talk);

- regioni supportate: Americhe (FCC Part 15) e Europa (ETSI EN302-208) con o senza la funzionalità LBT;

(21)

- amplificatore di potenza integrato di 17 dBm;

- possibilità di utilizzo di un amplificatore di potenza esterno per applicazioni ad alte prestazioni;

- rumore di fase del segnale generato dall’oscillatore locale pari a -116 dBm/Hz (a 250 kHz di offset).

2.2.4 Chipset Impinj Indy R2000

Un prodotto della stessa casa produttrice del precedente è il chipset Indy R2000 [9], rap-presentato in Figura2.4. Prodotto nel 2009, per dispositivi di fascia alta, si differenzia per un incremento delle prestazioni rispetto al suo predecessore Indy-R1000.

Figura 2.4: Diagramma a blocchi del chipset Impinj Indy-R2000.

Il chipset implementa, sia nei circuiti di trasmissione che in quelli di ricezione, gli stessi blocchi del chipset Indy-R1000. Viene venduto dal produttore per applicazioni in

reader fissi e portatili di fascia alta e risulta, al momento, il chipset di punta della casa

produttrice. A differenza del suo predecessore presenta una maggiore flessibilità dovuta alla possibilità di poter utilizzare protocolli di comunicazione addizionali. Il package presenta 9 pin di ingresso in più rispetto al modello precedente tra cui:

- 2 pin per l’External VCO, che permettono di migliorare il controllo sul rumore di fase;

(22)

- 3 pin per l’ingresso di una frequenza di riferimento TXCO (Temperature

Compen-sated crystal Oscillator) esterna;

- 4 pin per l’ingresso dell’Ext.LO, per l’ingresso di un segnale LO per la conversione in banda base del segnale ricevuto. Inoltre presenta un rumore di fase del segnale trasmesso più basso.

Di seguito si elencano le principali caratteristiche del chipset R2000.

- Supporto del protocollo EPC Global UHF Class1 Gen2 o ISO 18000-6C;

- configurabile per l’utilizzo con altri protocolli;

- trasmissione con modulazioni: DSB, SSB, e PR-ASK;

- capacità di lavorare in modalità DRM (Dense readermode);

- sensibilità pari a -95 dBm in modalità DRM e -110 dBm in modalita LBT (Listen

Before Talk);

- regioni supportate: Americhe (FCC Part 15) e Europa (ETSI EN302-208) con o senza la funzionalità LBT;

- amplificatore di potenza integrato di 17 dBm;

- possibilità di utilizzo di un amplificatore di potenza esterno per applicazioni ad alte prestazioni;

- rumore di fase del segnale generato dall’oscillatore locale pari a -126 dBm/Hz (a 250 kHz di offset).

(23)

2.3 Reader utilizzati nella campagna di misure

2.3.1 Reader AMS Arnie 2.4

Il primo dispositivo analizzato è prodotto dalla AustriaMicroSystem (AMS), una socie-tà multinazionale di semiconduttori, leader nel settore dei dispositivi misti analogico-digitali. I centri di produzione di questo reader sono in Europa, America e Asia. I princi-pali dispositivi prodotti da questa azienda, riguardanti la tecnologia RFID, sono i chipset della serie AS399x.

Il dispositivo sotto test non è commercializzato come un vero e proprio reader, ma consiste in una evaluation board realizzata dal costruttore per il test e il collaudo del chipset AS3992. La scheda include alcuni componenti per il funzionamento del chip, come un microcontrollore MCU C8051F240, un accoppiatore direzionale RCP890Q10, filtri di trasmissione e ricezione, un amplificatore RF di potenza Sky65111 e un Tuner PE64904 per migliorare l’adattamento di impedenza. Grazie all’impiego di due porte RF è possibile utilizzare il dispositivo anche in configurazione bi-statica.

Figura 2.5: Evaluation board del reader AMS Arnie 2.4.

Il reader implementa una funzionalità di adattamento di impedenza in grado di com-pensare le riflessioni di potenza dall’antenna. Il Tuner PE64904 rappresenta il cuore del “meccanismo” di adattamento di impedenza. È costituito da tre capacitori variabi-li controllati digitalmente dall’interfaccia utente. Il software implementa due algoritmi automatici di tuning (Climb Current e Climb Point) per il calcolo delle capacità.

Nella Tabella 2.5 sono elencate le caratteristiche di maggior interesse per il reader Arnie 2.4.

(24)

Produttore Austria Micro System

Modello Arnie 2.4

Tipologia di prodotto “reader per applicazioni a lungo raggio”

Chip impiegato AMS AS3992

Frequenze e canali 840 MHz ÷ 960 MHz

Protocolli supportati ISO 18000-6C (EPC Global Gen2) e ISO 18000-6A,B

Numero di porte RF 2 porte a 50 Ohm (connettori RP-SMA) Potenza 0 dBm ÷ 30 dBm in ETSI EN 302-208

(a passi di 1 dB)

0 dBm ÷ 32 dBm in FCC 14.247 (a passi di 1 dB)

Sensibilità Sensibilità massima in LBT: -86 dBm

Codifica FM0, M2, M4, M8

BLF 40 kHz, 80 kHz, 160 kHz, 320 kHz, 640 kHz

TARI 6.25 us, 12.5 us, 25 us

Consumi

-Interfacce e connettività UART e USB Dimensioni e peso 62 mm x 41 mm Prezzo Approssimativo 799 $

Tabella 2.5: Principali caratteristiche del reader AMS Arnie 2.4.

2.3.2 Reader Phychips PRM92E20CE

Phychips è un’azienda di origine Coreana che dal 2002 lavora nell’ambito delle comuni-cazioni wireless. L’azienda è entrata di recente nel mercato dell’RFID offrendo una larga gamma di prodotti RFID, come chipset, antenne e reader per la banda UHF.

Il reader [10] presentato in Figura2.6, integra per la gestione del protocollo RFID, il chipset PR9200 prodotto dalla stessa Phychips, un balun, un accoppiatore direzionale, un amplificatore RF, un isolatore e dei filtri di trasmissione. L’evaluation board include tutte le connessioni UART, mini USB, connettore FFC per il modulo embedded, il circuito di stabilizzazione dell’alimentazione, Led, pulsanti di reset pin di configurazione. Tra le caratteristiche del reader, risaltano le dimensioni molto ridotte che ne prediligono un uso in dispositivi compatti.

(25)

(a) (b)

Figura 2.6: Phychips PRM92E20CE: (a) Modulo embedded e (b) Evaluation board.

Nella Tabella2.6sono elencate le caratteristiche di maggior interesse per il reader.

Produttore Phychips

Modello PRM92E20CE

Tipologia di prodotto “Ottimizzato per dispositivi mobili” Chip impiegato Phychips PR-9200

Frequenze e canali 865.10 MHz ÷ 867.90 MHz Banda Europea Protocolli ISO 18000-6C (EPC Class1 Gen2)

Numero di porte RF 1 porta a 50 ohm (connettore u.FL) Potenza 15 dBm ÷ 25 dBm (a passi di 0.5 dB)

in ETSI EN 302-208

Sensibilità Sensibilità minima in LBT -85 dBm Codifica Miller FM0, M2, M4, M8

BLF 40 kHz, 80 kHz, 160 kHz,

320 kHz e 640 kHz

TARI

-Consumi 550 mA in trasmissione (3.6 V) Interfaccie e connettività UART e USB 2.0

Dimensioni e peso 30 mm x 35 mm

Tabella 2.6: Principali caratteristiche del reader Phychips PRM92E20CE.

2.3.3 Reader ThingMagic Mercury6e

Da molti anni, l’azienda ThingMagic opera nel campo della tecnologia RFID ed è uno dei leader mondiali in questo settore. Nel 2010, l’azienda entra a far parte di Trimble, ma

(26)

continua a conservare il marchio, la sua sede a Cambridge e il proprio team di sviluppo. Tra i suoi prodotti di fascia alta, si trova il Mercury6e [11] rappresentato in Figura2.7

utilizzato nei test. Si tratta di un reader multi-standard con quattro uscite RF, utilizzabili in configurazione bi-statica.

(a) (b)

Figura 2.7: ThingMagic M6e: (a) Modulo embedded e (b) Evaluation board.

A causa della non disponibilità dell’evaluation board del produttore, si è utilizzata quella del reader CAEN A528. L’evaluation board contiene solo le connessioni elettriche per le interfacce di comunicazione RS-232 e USB, pertanto le prestazioni di lettura del

reader non saranno alterate dall’utilizzo di un’evaluation board differente da quella del

fornitore.

Nella Tabella2.7sono elencate le caratteristiche di maggior interesse per il reader. Questo reader implementa una funzionalità denominata Fast Search Mode, che al-tera le direttive imposte dal protocollo di comunicazione, in modo da ottenere un read

rate maggiore. Questa modalità di lettura è implementata dal precedente protocollo EPC

Class1 Generation1 [12] ed è chiamata Global Scroll. La caratteristica Fast Search mode utilizza il comando ScrollAllID che permette al reader di oltrepassare l’algoritmo di anti-collisione e ottenere quindi dei read rate intorno a 400 tag/s. Ovviamente, la lettura va a buon fine solo quando sono presenti pochi tag nella zona di lettura del reader. Nel caso contrario, si osserverebbero risposte ripetute da parte dei tag più veloci, mentre quelli più lenti non verranno mai letti. Ulteriori chiarimenti in merito possono essere trovati in letteratura [1].

Per minimizzare la probabilità di danneggiare gli stadi finali di trasmissione, il reader implementa una funzionalità di Antenna detection.

(27)

Produttore ThingMagic

Modello Mercury 6e

Tipologia di prodotto “Progettato per alte prestazioni standard, da essere in-tegrato in reader di medie o grandi dimensioni. Picco-lo ed efficiente può essere usato anche in applicazioni mobili”

Chip impiegato Impinj Indj-R2000

Frequenze e canali Preconfigurato per le seguenti regioni: FCC: 902 MHz ÷ 928 MHz (Americhe) ETSI: 865.6 MHz ÷ 867.6 MHz (EU) KCC: 917 MHz ÷ 920.8 MHz (Corea) TRAI: 865 MHz ÷ 867 MHz (India) ACMA: 920 MHz ÷ 926 MHz (Australia) Personalizzabile: 865 MHz ÷ 869 MHz, 902 MHz ÷ 928 MHz

Protocolli EPC Global Class1 Gen2 (ISO 18000-6C) con DRM; ISO 18000-6B e IP-X opzionali

Numero di porte RF 4 porte a 50 Ohm, connettore MMCX; mono-statico o bi-statico Potenza 5 dBm ÷ 31.5 dBm (a passi di 0.5 dB) Sensibilità -Codifica Miller FM0, M2, M4, M8 BLF 250 kHz, 640 kHz TARI 12.5 us, 25 us

Consumi 0.25 W Stand-by in risposta veloce 0.05 W Stand-by

7.5 W in lettura a 31.5 dBm Interfacce e connettività USB e 4 GP/IO

Dimensioni e peso 69 mm x 43 mm x 7.5 mm

Tabella 2.7: Principali caratteristiche del reader ThingMagic Mercury6e.

2.3.4 Reader CAEN A528

CAEN RFID è una società italiana nata come spin-off della CAEN S.p.A., azienda que-st’ultima che vanta un’esperienza trentennale nel campo dell’elettronica. L’azienda è specializzata nella progettazione e nello sviluppo di dispositivi RFID in banda UHF. La partecipazione attiva di CAEN RFID ai gruppi di lavoro EPC Global, AIM Europe ed ETSI le consente di fornire lettori e tag RFID all’avanguardia per la tecnologia esisten-te. Ad oggi CAEN RFID è sicuramente il primo produttore Europeo per innovazione e per numero di progetti attivi con tecnologia RFID UHF. Tra i suoi prodotti si prende in considerazione il reader A528 [13]. Nella Figura2.8 viene presentato il modulo e la sua

(28)

Evalutation Board.

(a) (b)

Figura 2.8: Reader CAEN A528: (a) Modulo embedded e (b) Evaluation board.

Produttore CAEN RFID

Modello A528

Tipologia di prodotto “Progettato per essere integrato in dispositivi mobili alimentati con batteria”

Frequenze e canali 902 MHz ÷ 928 MHz (FCC Part 15.247) 865.6 MHz ÷ 867.6 MHz (ETSI EN302-208) Protocolli EPC Class1 Gen2, ISO18000-6C

Numero di porte RF 1 x 50 Ohm, connettore MMCX Potenza 10 dBm ÷ 27 dBm (su 8 livelli)

Sensibilità

-Codifica FM0, M2, M4

BLF 40 kHz, 160 kHz ,256 kHz, 300 kHz

TARI 25 us

Consumi 1 A alla potenza di trasmissione di 27 dBm 230 mA in stand-by

Interfacce e connettività USB, 4 GP/IO, UART RS-232 Dimensioni e peso 42 mm x 60 mm x 6.3 mm

Tabella 2.8: Principali caratteristiche del reader CAEN A528.

2.3.5 Reader CAEN R1230

Un’altro prodotto preso in esame della stessa casa produttrice CAEN è il reader R1230 [14]. Esso si differenzia dal precedente per le minori dimensioni e la potenza di

(29)

trasmis-sione. Nella Figura2.9viene presentato il modulo e la sua evalutation board.

(a) (b)

Figura 2.9: Reader CAEN R1230: (a) Modulo embedded e (b) Evaluation board.

Modello R1230

Tipologia di prodotto “Specificamente progettato per essere integrato in dispositivi alimentati a batteria”

Frequenze e canali 902 MHz ÷ 928 MHz (FCC part 15)

865.6 MHz ÷ 867.6 MHz (ETSI EN302-208) Protocolli EPC Class1 Gen2, ISO18000-6C

Numero di porte RF 1 x 50 Ohm, connettore MMCX Potenza 9 dBm ÷ 23 dBm (su 15 livelli)

Codifica FM0, M4

BLF 40 kHz, 256 kHz

TARI 25 us

Consumi 1.7 W alla potenza di trasmissione di 23 dBm Interfacce e connettività USB, UART RS-232, 4 GP/IO

Dimensioni e peso 25 mm x 40 mm x 6 mm / 8 gr Prezzo Approssimativo 420 US $

Tabella 2.9: Principali caratteristiche del reader CAEN R1230.

2.3.6 Reader CAEN R4300

Il reader R4300 [15] é sempre uno dei prodotti della azienda CAEN. Rispetto ai prece-denti reader é di tipo fisso e la sua caratteristica principale é una potenza di trasmissione molto elevata. In Figura2.10è rappresentato il reader.

(30)

Figura 2.10: Reader fisso CAEN R4300.

Modello R4300 (ION)

Tipologia di prodotto “Ottimizzato per l’installazione su portali, ca-ratterizzato da una alta potenza, supporto DRM e alte velocità di lettura”

Frequenze e canali 902 MHz ÷ 928 MHz (FCC Part 15.247) 865.6 MHz ÷ 867.6 MHz (ETSI EN302-208) Protocolli EPC Class1 Gen2, ISO18000-6C

Numero di porte RF 4 x 50 Ohm mono-statico, connettori TNC Potenza 17 dBm ÷ 31.7 dBm (passi di 0.1 dB) Sensibilità -Codifica FM0, M4 BLF 40 kHz, 250 kHz, 300 kHz, 400 kHz TARI 25 us Consumi

-Interfacce e connettività USB, 8 GP/IO, UART RS-232, Wi-Fi Dimensioni e peso 275 mm x 155 mm x 39 mm /1.3 kg Prezzo Approssimativo 2590 US $

Tabella 2.10: Principali caratteristiche del reader fisso CAEN R4300.

2.4 Tag utilizzati nella campagna di misure

Come anticipato nel Capitolo 1, in questa tesi sono stati presi in esame esclusivamente tag di tipo passivo, cioè non dotati di alcuna fonte di alimentazione interna. Tra i principali parametri che caratterizzano un tag si citano i seguenti:

(31)

• la sensibilità del chip che rappresenta il minimo livello di potenza necessario

all’at-tivazione del tag;

• la distanza tipica di lettura. Esistono tag di tipo long-range, destinati a letture su

grandi distanze, e tag di tipo short-range destinati alla lettura su brevi distanze;

• polarizzazione del campo, parametro che dipende sostanzialmente dal design

del-l’antenna e permette di catturare il campo lungo una sola o entrambe le polarizza-zioni;

• dimensioni della memoria.

Tipicamente la dimensione della memoria di un chip di un tag RFID, va da qualche bit nelle applicazioni antitaccheggio fino a centinaia di bit nelle applicazioni di inventario. Alcuni tipi di tag implementano funzioni di sicurezza e protezione dell’informazione e sono utilizzati in applicazioni come ad esempio nei chip delle carte di credito o per il controllo degli accessi del personale in determinate aree.

Il chip di un tag, contiene diverse tipologie di memoria. Nello standard EPC Global Class1 Gen2 vengono definiti differenti banchi di memoria riservati a diversi utilizzi. La

Reserved Memory è dedicata alla protezione e alla sicurezza dei dati. Nel caso il tag

implementi questo tipo di sicurezza, questo banco di memoria contiene le password di accesso o di modifica dei dati del tag. L’EPC Memory contiene principalmente l’EPC (Electronic Product Code) che rappresenta l’identificativo associato al tag. L’EPC può essere riprogrammato e rappresenta la porzione di memoria che spesso viene utilizzata per memorizzare l’informazione del tag. La TID Memory contiene la memoria TID (Tag

IDentifier) che identifica univocamente ogni singolo tag prodotto. Essa è costituita da

un codice seriale che viene programmato in fase di realizzazione del chip e a differenza della memoria EPC è di sola lettura. La User Memory è una porzione di memoria che qualora sia presente, è dedicata all’utilizzo da parte dell’utente per l’immagazzinamento di ulteriori informazioni. I tag utilizzati nella campagna di misure sono l’Alien ALN9640 [16], il LABID UH331 [17], il LABID INSKY-L3 [18], l’UPM Raflatac short dipole [19], e il LABID UH414 [20] e sono rappresentati in Figura2.11. Le loro caratteristiche principali sono descritte nella Tabella2.11.

(32)

Produttore/ Modello Chipset Sensibilità del chip EPC + Memoria utente Dimensioni Alien ALN9640 Alien Higgs3 -18 dBm 96 ÷ 480 + 512 [bit] 95 x 8.1 [mm2] LABID UH331 Impinj Monza5 -17.8 dBm 128 [bit] 95 x 7.2 [mm2] LABID Linksys L3 Impinj Monza 4QT -17.4 dBm 128 + 512 [bit] 64 x 32 [mm2] UPM Raflatac Shortdipole NXP U-Code G2XL/G2XM -15 dBm 240 + 512 [bit] 97 x 15 [mm2] LABID UH414 Impinj Monza4 -17.4 dBm 128 + 512 [bit] 48 x 28 [mm2]

Tabella 2.11: Caratteristiche dei tag utilizzati durante le misure di lettura.

(a) Alien ALN9640 (b) LabID UH331

(c) LabID Linksys L3 (d) LabID UH414

(e) UPM Raflatac Shortdipole

(33)

Capitolo 3

Caratterizzazione della distanza di

lettura di reader commerciali

In questo capitolo descriveremo il setup di misura e la procedura da effettuare per carat-terizzare la distanza di lettura a cui un reader è in grado di identificare i tag. Saranno effettuate misure denominate “Singolo Tag” nelle quali è presente un solo tag nel campo di lettura del reader e misure denominate “Multi Tag” ovvero con più tag nella stessa zona di lettura.

Nella prima parte del capitolo, verrà fatta una breve descrizione dei parametri presi in considerazione: velocità di lettura (read rate), efficienza di lettura e distanza di lettura (reading distance). Nella seconda parte del capitolo saranno analizzate e descritte le metodologie e le procedure adottate per effettuare la caratterizzazione di reader RFID. Nella terza parte verranno illustrati i risultati relativi alla campagna di misure ottenuti dall’applicazione delle procedure di misura descritte.

3.1 Parametri fondamentali

3.1.1 Velocità di lettura (read rate)

Il read rate indica la velocità con la quale vengono identificati i tag. Esso è definito come il numero di tag letti nell’intervallo di tempo ed è espresso in tag/s.

Read rate= Numero di tag identificati

Intervallo di tempo

Esso rappresenta uno dei parametri chiave delle prestazioni di un reader, infatti un valore di read rate elevato è indispensabile quando il tag si trova in movimento o quando

(34)

attraversa l’area di copertura dell’antenna del reader per un periodo di tempo limitato op-pure quando si vogliano identificare contemporaneamente un notevole numero di tag. Il

read rate è fortemente dipendente dalle impostazioni del protocollo di comunicazione e i

parametri che influiscono maggiormente sul suo valore sono legati alla codifica del segna-le trasmesso dal tag: la Backscatter Link Frequency (BLF), l’indice della codifica Milsegna-ler, la sessione e la durata dell’impulso (TARI) che saranno meglio descritti nel paragrafo3.3.

3.1.2 Efficienza di lettura

L’efficienza di lettura indica la capacità di un reader di identificare correttamente un tag. Questo valore viene espresso in percentuale e talvolta è indicato con il termine read

relia-bility [21]. L’efficienza di lettura è definita come il rapporto tra il numero di volte che il

tag viene riconosciuto dal reader e il numero di volte che il reader effettua

un’interroga-zione. Essendo un rapporto tra numeri puri risulta essere un numero adimensionale. Più formalmente può essere scritto come:

Efficienza di lettura= Numero di tag identificati

Numero di interrogazioni

Nel caso in cui nel campo di lettura dell’antenna è presente un solo tag, l’efficienza di lettura, dipende sostanzialmente dall’entità del segnale di ritorno sull’antenna del reader e dalla capacità del reader di recuperare e riconoscere le informazioni in esso contenute.

3.1.3 Distanza di lettura (reading distance o read range)

La distanza di lettura [21] è definita come la distanza massima tra l’antenna del

rea-der e il tag, alla quale il rearea-der riesce a identificare correttamente il tag. Essa dipende

essenzialmente [22]:

• dal reader, ovvero dalla potenza trasmessa e dalla sua sensibilità;

• dal tag, ovvero dalla sensibilità del suo chip e dal guadagno dell’antenna;

• dallo scenario, cioè dalla presenza di ostacoli all’interno della zona di lettura o di

materiali che modificano la propagazione delle onde elettromagnetiche.

Diverse pubblicazioni presenti nello stato dell’arte [23], [24], mostrano come è possibile applicare la classica formula del collegamento per calcolare un valore teorico della di-stanza di lettura a partire dalla conoscenza dei parametri principali del reader e del tag (il guadagno delle antenne del reader e del tag, la sensibilità dei chip utilizzati nel reader e nel tag, l’orientamento del tag nei confronti dell’antenna del reader e l’efficienza di

(35)

Backscatter del tag [25] che indica quanta potenza incidente viene convertita in potenza riflessa, ecc).

In letteratura uno studio effettuato in [26] definisce la reading distance come la di-stanza alla quale l’efficienza di lettura è pari al 10%. Poiché l’efficienza di lettura non sempre viene resa disponibile all’uscita di un reader commerciale, si può utilizzare una definizione alternativa in cui la reading distance è la distanza alla quale il read rate è pari ad almeno il 10% del suo valore massimo. Tale definizione deriva dal fatto che quando si misura un read rate massimo, anche l’efficienza di lettura sarà massima e circa pari al 100%.

In questo lavoro di tesi si è adottata la seconda definizione basata sull’utilizzo del

read rate misurato che è un’informazione sempre disponibile in uscita ai reader

utilizza-ti. Ovviamente ci aspettiamo di ottenere risultati confrontabili indipendentemente dalla definizione scelta come sarà illustrato meglio nel paragrafo 3.4.5 per il reader Phychips che consente di misurare sia read rate che efficienza.

3.2 Procedure e Setup di misura

In questa sezione descriveremo il setup di misura e le modalità operative utilizzate durante lo svolgimento delle misure stesse. In letteratura esistono due principali metodi di misura: il metodo large-scale [27] e il metodo mini-scale [27], [28]. Il primo consiste nel fare delle misure di leggibilità del tag fissando la potenza in trasmissione del reader e variando la distanza tra l’antenna del reader e il tag. Invece il secondo consiste nel fissare la distanza tra antenna del reader e tag variando la potenza in trasmissione del reader. In questo lavoro di tesi, è stata impiegata la procedura di misura di tipo large-scale che sarà dettagliatamente descritta nel seguito. Si riporteranno alcune considerazioni sulla misura

mini-scale alla fine del paragrafo.

3.2.1 Setup di misura

Come già detto, il metodo large-scale (Figura3.1) consiste nell’effettuare delle misure in cui:

• la potenza di trasmissione del reader è mantenuta fissa; • la distanza dLstra antenna del reader e tag varia.

In Figura3.2è presentato lo scenario tipico in cui sono state svolte le misure large-scale e della strumentazione impiegata: il reader, l’antenna collegata al reader, il PC adibito alla

(36)

Figura 3.1: Rappresentazione del sistema di misura large-scale.

memorizzazione delle acquisizioni e il tag. Per ciascun valore di distanza (dLs) utilizzato,

viene effettuata un’operazione di lettura da parte del reader e vengono memorizzati i risultati di read rate relativi alle diverse acquisizioni.

Figura 3.2: Scenario tipico di misura in large-scale.

Il modello di antenna utilizzato è il WAntennaX005, prodotto dall’azienda CAEN RFID. L’antenna lavora in polarizzazione circolare levogira (LHCP) e il guadagno nella direzione di massima irradiazione è pari a 7 dBic ± 1 dBic, mentre il guadagno minimo sulla banda 860 ÷ 960 MHz è pari a 6.5 dBic ± 0.5 dBic. Il rapporto assiale e il ROS (Rapporto d’onda stazionaria) nella banda UHF Europea si mantengono al di sotto di 1 dB e 1.15 dB, rispettivamente. La larghezza del fascio sul piano orizzontale è di 67◦ e sul piano verticale è di 69◦. Per maggiori dettagli sull’antenna utilizzata si può fare

(37)

riferimento alla documentazione fornita del costruttore [29].

Per sostenere il tag è stato utilizzato come supporto un paletto di legno che risulta essere trasparente alle onde elettromagnetiche.

Nelle prove con singolo tag sono stati utilizzati i seguenti modelli: Alien Squiggle ALN9640, LABID UH331, LABID Insky L3 e UPM Raflatac ShortDipole (vedi Paragra-fo 2.4). Il tag è stato orientato verticalmente ed è stato posto alla stessa altezza dell’an-tenna. Nelle prove multi-tag sono stati invece utilizzati 50 tag del tipo LABID UH414 posizionati su un pannello di cartone dello spessore di 5 mm e disposti come in Figura3.3

ovvero in 5 colonne e 10 file, occupando un’area complessiva pari a 40 cm x 35 cm.

Figura 3.3: Pannello per le misure multi-tag con 10 x 5 tag LABID UH414.

Quando si effettuano misure in un ambiente reale è necessario tenere conto che la pro-pagazione dei segnali radio è soggetta a fenomeni di riflessione, diffrazione e scattering. Se le dimensioni degli oggetti presenti nello scenario, sono sensibilmente maggiori della lunghezza d’onda dei segnali trasmessi (ed è questo il caso dei sistemi RFID operanti in banda UHF) si può considerare un modello di propagazione a raggi delle onde elettro-magnetiche. In tali ambienti quindi, il segnale riflesso dal tag, raggiunge l’antenna del

reader per mezzo di percorsi multipli, che risultano attenuati e ritardati rispetto al segnale

diretto (LOS) e che possono influenzare le misure. Per ridurre tali fenomeni, è stato scelto un sito all’aperto ed in più essendo il terreno la principale fonte di riflessioni, sono stati aggiunti dei pannelli assorbenti (Figura3.2) a metà percorso tra l’antenna del reader e il

tag.

I pannelli utilizzati hanno dimensioni di 61 cm x 61 cm, e banda di lavoro da 1 GHz a 40 GHz. La potenza del segnale riflesso dichiarata dal costruttore [30] per le frequenze intorno ad 1 GHz è pari a -25 dB. L’efficacia dell’utilizzo dei pannelli nelle posizioni prestabilite è stata provata mediante dei test appositi effettuando delle misure con e sen-za l’utilizzo degli stessi. I risultati hanno evidenziato che, a particolari distanze, sensen-za

(38)

utilizzare i pannelli, le prestazioni di lettura subiscono notevoli variazioni, diventa quindi indispensabile il loro utilizzo.

Un’ulteriore soluzione utilizzata per mitigare l’effetto del multipath è stata quella di effettuare misure a differenti altezze per i casi più critici. Nello scenario large-scale e per i reader caratterizzati da forti oscillazioni del valore di read rate in funzione della distanza, sono state condotte prove mettendo l’antenna del reader e i tag sia a 100 cm che a 120 cm di altezza dal terreno. In questo modo, il valore di reading distance è stato ottenuto a partire dalla media di due risultati di read rate.

3.2.2 Procedure di misura

I test si basano su una procedura di misura ben definita: una volta posizionato il tag alla corretta distanza dall’antenna del reader, si procede con l’invio di un comando di acquisizione per una durata pari a 30 secondi. Questo valore si è dimostrato sufficiente per ottenere una misura del read rate stabile e ripetibile. Durante tale intervallo di tempo, il

reader effettua più cicli di inventario, energizzando il tag e leggendo all’interno della sua

memoria il codice identificativo (Electronic Product Code, EPC). Se il numero di letture ottenuto è diverso da zero, si procede ad allontanare il tag dall’antenna a passi di 50 cm e si riesegue l’acquisizione. Nel momento in cui il numero di letture è nullo, si riposiziona il tag al passo precedente e si procede a passi di 5 cm. Il risultato che si ottiene è un campionamento spaziale meno fitto nella regione di buona lettura e più denso nell’intorno della distanza per la quale il read rate va a zero. Una volta ottenuto l’andamento del read

rate al variare della distanza, il calcolo della reading distance è immediato ed ottenuto

via software. Per alcuni reader si è osservato un andamento non monotono della curva di

read rate. Ovvero esso ha assunto il 10% del suo valore massimo a diverse distanze. In

tal caso si è scelto come valore di reading distance il valore di distanza maggiore.

3.2.3 Accorgimenti durante le misure

In questo paragrafo si forniscono alcuni semplici consigli che non hanno la pretesa di essere esaustivi, ma vogliono fornire dei piccoli suggerimenti nell’effettuare misure su sistemi RFID in banda UHF. In generale si suppone che diversi tag dello stesso modello abbiamo prestazioni simili. In realtà, a causa delle diverse tolleranze in fase costruttiva, alcuni test riguardanti le prestazioni di tag passivi in banda UHF, dimostrano che questa affermazione non è sempre vera [31]. Per ovviare a questo inconveniente nelle misure è stato utilizzato sempre lo stesso esemplare di tag. In questo lavoro di tesi non sono state condotte prove di misura al variare dell’orientazione del tag, poiché esse esulano dallo

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scopo dello stesso, tuttavia occorre tener presente che da studi fatti in letteratura [32], si dimostra come le prestazioni di lettura possono variare in base all’orientazione del tag rispetto al piano in cui esso è contenuto. Questo effetto è dovuto sia al fatto che la po-tenza riflessa dal tag non è uguale in tutte le direzioni (dipende infatti dalla sua Radar

Cross Section) sia dalla bontà della polarizzazione circolare dell’antenna ricevente. Per

stabilire l’orientazione ottimale con il quale effettuare le misure, sono state effettuate delle prove considerando sia un’orientazione verticale che orizzontale dell’antenna del

reader. I risultati hanno evidenziato che un tag orientato orizzontalmente presenta

mag-giori fluttuazioni del valore di RSSI ricevuto in funzione della distanza. Un tag orientato verticalmente presenta un andamento di RSSI che decresce in modo più lineare all’au-mentare della distanza. Pertanto nelle misure è stata preferita una configurazione con tag verticale.

3.2.4 Metodo Mini Scale

Come già anticipato, in alternativa al metodo large-scale può essere impiegato il metodo

mini-scale, su cui vale la pena spendere qualche parola. Esso si basa sull’utilizzo di una

distanza tra il tag e l’antenna del reader ridotta, così da poter effettuare le misure in un ambiente di dimensione ridotta, sia esso una camera anecoica o un sito aperto. Il metodo

mini-scale si basa su una configurazione dei componenti in cui:

• la distanza tra il tag e l’antenna del reader è mantenuta fissa; • la potenza trasmessa viene variata.

In Figura3.4è rappresentato il sistema mini-scale. Il tag viene posizionato ad una distan-za dall’antenna pari a d′ mantenuta fissa durante l’intero set di misure. Il “tag virtuale”, visibile sulla destra, risulta posto alla distanza dT OT= d′+ d′′dall’antenna, e rappresenta

il tag alla sua distanza equivalente. La variazione di potenza trasmessa determina una variazione di d′′spostando virtualmente la posizione del tag.

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Figura 3.4: Rappresentazione del sistema di misura mini-scale.

Rispetto al metodo large-scale, l’implementazione di questo metodo richiede in più l’utilizzo di un attenuatore variabile, che viene collegato tra la porta di uscita RF del

reader e l’antenna, come rappresentato in Figura3.5.

Figura 3.5: Sistema mini-scale. Attenuatore collegato in uscita alla porta RF.

L’attenuazione PAT T introdotta dall’attenuatore variabile, permette di simulare la

ri-duzione del segnale relativa al percorso d′′. Per tradurre tale diminuzione di segnale in termini di distanza, si considera la relazione che lega la distanza e la perdita di potenza in spazio libero. Per quanto riguarda la perdita di potenza relativa al percorso d′ si può scrivere: PPAT H= 20Log 4πd′ λ [dB]

La somma delle perdite di potenza dovute alla distanza effettiva d′e all’attenuatore è pari a:

PT OT = PPAT H+ PAT T

Usando la relazione inversa su PT OT si può calcolare la distanza totale simulata:

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in laboratorio sono state effettuate alcune misure in mini-scale utilizzando degli attenua-tori fissi da 4 dB, 11 dB, 15 dB, 18 dB e 22 dB. I risultati ottenuti con il reader CAEN R4300 hanno dimostrato valori di reading distance confrontabili con quelli ottenuti con il metodo large-scale.

Un alternativa all’attenuatore fisico è data dall’utilizzo di un attenuatore software, che comporta la diminuzione della potenza del segnale trasmesso dal reader rispetto a quella stabilita. Se ad esempio si volesse effettuare una misura con potenza di trasmissione pari a 30 dBm e con attenuazione pari a 10 dB, in base a questo approccio, si deve utilizzare una potenza di trasmissione del reader pari a 20 dBm.

Figura 3.6: Sistema mini-scale. Attenuazione software sul segnale trasmesso.

Si fa notare che, nel caso di un attenuatore fisico, si attenua sia il percorso di andata che quello di ritorno dell’onda, allungando virtualmente entrambi i percorsi. In questo caso la distanza totale percorsa dall’onda risulta pari a 2dT OT. Nel caso di

un’attenuazio-ne software, vieun’attenuazio-ne virtualmente “allungato” solo il percorso dell’onda trasmessa, mentre l’onda ricevuta percorre la distanza d′. Pertanto, in questo secondo caso, la distanza effettivamente percorsa dall’onda risulta pari a dT OT+ d′.

In laboratorio sono state effettuate misure con metodo mini-scale in sito aperto e con attenuatore software. Il principale problema di questo tipo di attenuazione risiede nei fenomeni di non linearità presenti nel sistema, come ad esempio il fenomeno della satu-razione del tag o del segnale di self-jammer. Ad esempio, nel momento in cui si riduce la potenza del segnale trasmesso, si riduce anche la componente del segnale di self-jammer che rientra nei circuiti di ricezione attraverso il circolatore. Un segnale di self-jammer mi-nore, porta al miglioramento del rapporto segnale-rumore. Il risultato è che le prestazioni di lettura ottenute in questo modo risultano diverse da quelle effettive e per questo è scon-sigliabile utilizzare l’attenuatore software. Quindi per la valutazione delle prestazioni dei

reader si è preferito utilizzare il metodo large-scale, sia per la sua semplicità applicativa

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Una variante del metodo mini-scale in camera anecoica, consiste in una sua versione riproposta in sito aperto. Nonostante le misure siano effettuate in ambiente non protetto, il metodo continua a mantenere un importante vantaggio sul large-scale. Ovvero, dal momento che si effettuano variazioni della sola potenza e si lasciano invariate tutte le altre dimensioni dello scenario, le misure mantengono ancora il vantaggio della ripetibilità e della stabilità dei risultati rispetto al large-scale. Le dimensioni minime raccomandate in [27] per i test in sito aperto sono pari a 244 cm x 244 cm x 366 cm. Anche in questo caso è consigliato l’utilizzo di materiale assorbente, fino alla copertura per oltre un metro dal confine del sito. Si propone di utilizzare un’altezza per il tag e l’antenna pari a 111 cm dal terreno e una distanza di 90 cm tra antenna del reader e il tag.

Procedure di misura

La distanza iniziale tra il tag e l’antenna del reader viene fissata pari a 90 cm. Per le misu-re che utilizzano un’attenuazione fittizia di tipo softwamisu-re, si fa variamisu-re la potenza trasmessa del reader in tutto il suo intervallo di valori permessi. Per le misure effettuate utilizzando un attenuatore variabile, si imposta il reader alla sua massima potenza di trasmissione e si varia la potenza dell’attenuatore. In entrambi i casi è preferibile utilizzare salti di potenza più piccoli possibile in modo tale da riuscire a quantizzare lo spazio simulato in modo più fitto. Ad ogni valore di potenza impostato si procede con l’invio di letture ripetute da parte del reader, ciascuna della durata pari a 30 secondi. Alla fine di ogni acquisizione si procede alla memorizzazione dei dati, che verranno elaborati in un secondo momento.

3.3 Configurazione dei reader

La configurazione dei parametri dei vari reader influenza in modo significativo le presta-zioni di lettura. Dal momento che si vogliono ottenere dei risultati confrontabili occorre utilizzare una configurazione comune a tutti i reader. Nella Tabella3.1 sono riepiloga-te le configurazioni dei sei reader oggetto dei riepiloga-test. Il TARI (Type A Reference Inriepiloga-terval) rappresenta la lunghezza del simbolo “0” nella comunicazione dal reader verso il tag; la BLF (Backscatter Link Frequency) rappresenta la frequenza di modulazione utilizzata dal tag; i valori specificati nei campi: Sessione, Tag e Selezione, sono dei parametri che permettono di selezionare un sottogruppo di tag; il parametro LBT (Listen Before Talk) indica una modalità di trasmissione in cui il reader si astiene dal comunicare se il canale risulta già occupato da un’altra trasmissione e il parametro che definisce il tempo per cui il canale è considerato occupato viene chiamato “Tempo di rivelamento” della portante. Il “Tempo di lettura” e il “Tempo di Inattività” sono dei parametri che riguardano la durata di ogni ciclo di inventario. Maggiori dettagli relativi a questi parametri possono trovarsi