Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0061

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0061
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского"
Название доклада
Исследования и разработка методов и компонентов антиколлизионной защиты информационно-телекоммуникационных систем радиочастотной идентификации, использующих радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах
Докладчик
Сучков Сергей Германович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования:
Исследование и разработка способов антиколлизионной защиты систем радиочастотной идентификации СВЧ диапазона с радиочастотными идентификационными метками на поверхностных акустических волнах для одновременной идентификации до 1000 близко расположенных объектов, что позволит создать системы автоматического скрытного контроля хранения и/или перемещения больших потоков изделий и предметов, в том числе в условиях неблагоприятной внешней среды (высоких и низких температур, высоких уровней ионизирующих излучений и электромагнитных полей).
Задачами исследования являются:
- анализ возможности использования для достижения поставленной цели двух способов распознавания - корреляционного способа и способа дискретно-временного кодирования в диапазонах частот 860-960 МГц, 2400-2483 МГц и 5650-6425 МГц;
- разработка конструкций и изготовление радиочастотных идентификационных меток с антиколлизионными свойствами;
- разработка установки для измерения частотных и временных характеристик радиочастотных идентификационных меток, а также для одновременного распознавания больших групп меток и определения предельной дальности идентификации;
- анализ эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
- разработка рекомендаций по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики;
- выработка рекомендаций по направлениям дальнейших исследований и разработок в области антиколлизионных систем радиочастотной идентификации СВЧ диапазона, защищенные от подделок и воздействия на код.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время в мире для многих применений созданы и успешно эксплуатируются системы радиочастотной идентификации (РЧИ или по англ. RFID) с использованием интегральных схем. Но для многих применений, где требуется дальность идентификации не менее 10 м, миниатюрность, быстрота идентификации, одновременное определение не менее 100 близко расположенных объектов и физических характеристик окружающей их среды (например, температуры, давления), а также безусловная сохранность кода при воздействии электромагнитных полей и ионизирующих излучений и невозможность подделки (перезаписи) кода, необходимо использовать СВЧ системы РЧИ на основе меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
В настоящее время во многих научных центрах и крупных компаниях по выпуску аппаратуры радиосвязи в Европе, США и Японии разработаны и выпускаются системы РЧИ с метками на ПАВ, например, для конвейерных производств на автомобильных заводах, для контроля автомобильного транспорта и контейнерных перевозок, на Международной Космической Станции. В Российской Федерации также требуется создание таких систем радиочастотной идентификации, но их построение на основе импортного оборудования, во-первых, экономически не выгодно, а, во-вторых, связано с ущербом для безопасности. Поэтому разработка и запуск в производство отечественных систем радиочастотной идентификации СВЧ диапазона с метками на ПАВ совершенно необходимы.
В данном ПНИ найден новый способ антиколлизионной защиты таких систем, на который подана заявка на изобретение, а также найден способ одновременной идентификации удаленных друг от друга (на расстояние до 5 м) объектов, на который также подана заявка на патент.
Описание исследования

Для достижения целей ПНИ были рассмотрены два способа антиколлизионной защиты: корреляционный способ, состоящий в приеме автокорреляционного и кросскорреляционных сигналов отклика многих меток на кодовую пачку радиоимпульсов опроса, и способ дискретно-временного кодирования, состоящий в использовании меток на основе отражательной линии задержки ПАВ, позволяющий одновременно распознавать множество меток по времени задержки кодового импульса.

Теоретический анализ корреляционного способа распознавания многих меток показал, что суммарный уровень кросскорреляционных сигналов от меток, не соответствующих запрашиваемому коду, достигает уровня информационного автокорреляционного сигнала от искомой метки уже при общем количестве меток более 10. Специальным выбором меток с кросскорреляционным сигналом, имеющим минимум в центре временного интервала, где расположен автокорреляционный сигнал, можно увеличить количество одновременно распознаваемых меток до 40. Но этот прием ограничивает область локализации меток в пределах 1 м. Поэтому корреляционный способ антиколлизионной защиты ограничен указанным количеством одновременно идентифицируемых объектов и не позволяет достичь цели ПНИ - одновременного распознавания до 1000 меток. Корреляционный способ распознавания в системе радиочастотной идентификации с метками на ПАВ реализован на Международной космической станции и позволяет распознавать до 36 объектов одновременно.

Теоретический анализ способа дискретно-временного кодирования на основе отражательных линий задержки ПАВ был проведен с использованием квазиполевого метода и метода конечных элементов, позволивших рассчитать конструкции меток в достаточной точностью. Эти методы позволяют учитывать реальные размеры, электрические и упругие характеристики металлических элементов встречно-штыревого преобразователя ПАВ и отражательных элементов, а также реальное распределение акустических полей, позволяющее учесть рассеяние энергии ПАВ в объем. Расчеты показали, что вследствие высокого уровня затухания ПАВ в диапазоне частот "2.45 ГГц" можно одновременно распознать до 200 меток, в диапазоне "6 ГГц" - до 70 меток, а достичь одновременного распознавания 1000 меток возможно в диапазоне частот "900 МГц". 

Для увеличения количества кодов в антиколлизионных системах радиочастотной идентификации с метками на ПАВ с дискретно-временным кодированием предложена конструкция многодиапазонной метки, которая позволяет использовать  миллионы кодов с условной антиколлизионной защитой (при фиксированных кодовых импульсах во всех поддиапазонах кроме одного) или с абсолютной антиколлизионной защитой любого количества меток при использовании многоантенной системы и программного обеспечения определения координат излучающих меток.

Для проведения экспериментальных исследований были разработаны метки на ПАВ с дискретно-временным кодированием в диапазонах частот "900 МГц", "2.45 ГГц" и "6 ГГц". Для их изготовления использовались Система электронно-лучевой литографии высокого разрешения CABL-9000C (CRESTEC), лазерный генератор изображений ЭМ-5109, Система магнетронного напыления и дугового плазменного осаждения С-400-2С (ULVAC), установка плазмохимического травления в индуктивно связанной плазме CORIAL-210IL. В качестве кристаллической подложки использовался ниобат лития Y+128-среза.

Для исследования дальности идентификации меток для диапазонов частот "900 МГц" и "2.45 ГГц" были рассчитаны и разработаны согласованные со встречно-штыревым преобразователем метки планарные антенны различных типов: меандровые, гибридно-рамочные, фрактальные. Наилучшая эффективность излучения (98%) была достигнута у фрактальной антенны.

Для проведения экспериментальных исследований создана установка измерений частотных и временных характеристик сигналов с чувствительностью -140 дБм во всех исследуемых диапазонах частот. Длительность радиоимульсов запроса составляет от 20 нс до 50 нс. Для подавления шумов использовался режим накопления сигналов. Измерения проводились как в режиме прямого опроса меток радиоимпульсом, так и в режиме свипирования частоты и снятия S11-характеристики с последующим применением обратного преобразования Фурье.

 

  

Результаты исследования

Разработанные теоретические методы исследований позволили сравнить два способа антиколлизионной защиты: корреляционный способ и способ дискретно-временного кодирования. Было показано, что в корреляционном способе принципиальным ограничением количества одновременно распознаваемых меток является возрастание суммарного уровня кросскорреляционных сигналов при постоянном уровне автокорреляционного сигнала метки. Теоретические оценки дали предельное значение для диапазона "2.45 ГГц" N=40 одновременно определяемых меток. Этот результат находится в хорошем соответствии с достигнутым количеством одновременно  идентифицируемых меток на ПАВ N=36 в системе радиочастотной идентификации, реализованной на Международной Космической Станции. 

Теоретически показано, что для радиочастотных меток СВЧ диапазона, использующих кодовые импульсы длительностью от 20 нм до 50 нм, существенное влияние на распознавание кодов оказывает задержка по электромагнитному каналу. Для устранения этого влияния предложено ввести расширенную кодовую позицию для расположения отражателей ПАВ, размер которой связан с предельными размерами области локализации идентифицируемых объектов.

Теоретический анализ дискретно-временного способа показал, что одновременное распознавание до 1000 меток на ПАВ при максимальной дальности идентификации 20 м с областью локализации 5 м возможно реализовать на основе отражательной линии задержки ПАВ в диапазоне частот 860-960 МГц. Вследствие возрастания потерь на распространение ПАВ пропорционально квадрату частоты количество одновременно распознаваемых меток уменьшается  в диапазоне ""2.45 ГГц" до 200 меток при дальности до 10 м и области локализации 3 м и в диапазоне "6 ГГц" до 70 меток при дальности до 3 м и области локализации 0.9 м. 

Для экспериментальных исследований были созданы экспериментальные образцы радиочастотных меток на ПАВ в диапазонах частот "900 МГц", "2.45 ГГц" и "6 ГГц".  Экспериментальное исследование частотных и временных характеристик радиочастотных меток, проведенное на созданной установке, показало их хорошее соответствие теоретическим характеристикам.

Исследование на одновременное распознавание и дальность идентификации проведено для радиочастотных меток в диапазонах "900 МГц" и "2.45 ГГц" с гибридно-рамочнами и фрактальными антеннами. Были подтверждены теоретические расчеты по одновременному распознаванию до 1000 меток с предельной дальностью 20 м с областью локализации 5 м в диапазоне "900 МГц" , а для диапазона "2.45 ГГц"  подтверждена предельная дальность 10 м с областью локализации 3 м при одновременном распознавании до 200 меток. При этом чувствительность приёмной системы составляла -140 дБм.

Радиочастотные метки в диапазоне "6 ГГц" имели структуру с семью отражателями, из которых пять - кодовые отражатели, и исследовались на пластине с помощью контактного устройства и анализатора цепей. Измеренные частотные и временные характеристики меток отличаются от расчетных не более чем на 1.5 дБ.

Впервые разработаны конструкции и изготовлены трехдиапазонные радиочастотные метки с десятью кодовыми позициями в каждом поддиапазоне. Измеренные частотные и временные характеристики, в том числе уровень перекрестных сигналов,  близки к расчетным. Кроме преимущества по количеству кодов такие метки более компактны и имеют большую механическую прочность по сравнению с однодиапазонными метками, что имеет важное значение для их производства и эксплуатации.   

 

 

 

Практическая значимость исследования
Практическое значение применения меток на ПАВ, по сравнению с метками на интегральных схемах, состоит в их несравнимо большей устойчивости к внешним воздействиям электромагнитными полями, ионизирующими излучениями, высокими или низкими температурами, а также в невозможности изменить (подделать) код.
В связи с этими особенностями определяются и преимущественные области использования систем радиочастотной идентификации с метками на ПАВ, а именно:
1. контроль хранения и перемещения высокоактивных изделий в системе Росатома;
2. учет грузов, отправляемых на орбитальные станции, а, в будущем, на Луну;
3. контроль хранения и перемещения художественных ценностей в музеях;
4. использование в "картах гостя" в отелях высокого уровня, где используются дистанционные системы контроля доступа;
5. применение в таможенной службе для контроля за перемещением грузов через таможенные границы;
6. контроль багажа в аэропортах;
7. оперативный контроль перемещения товарных потоков в крупных логистических системах;
8. борьба с контрафактной продукцией за счет скрытного расположения миниатюрных меток на ПАВ в диапазоне "6 ГГц";
9. контроль перемещения транспортных средств.