RFID干货专栏｜12 无线电射频标准

　　经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这样的一个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的全力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

　　为了填补这方面的空缺，甘泉老师花费数年之功，撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布，本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述，干货满满！RFID世界网得到了甘泉老师独家授权，在RFID世界网公众号特设专栏，陆续发布本书内容。

　　谈到超高频射频识别（UHF RFID）技术，大家经常会遇到协议和工作频率的问题，如中国频率是多少？欧洲频率是多少？为了解答这样一些问题，我们先从全频电波频谱讲起，如图3-1所示，为无线电波的全频段分类：

　　超高频RFID在各个国家和地区频段分配是不同的，其射频输出及发射规范也各不相同，如图3-2所示为全球各区域的频率规划。

　　从世界各地的超高频 RFID频谱分布看，除了中国的840~845MHz频段外，其它地区的频段都在EPC C1 G2的860M~960MHz范围中。中国的超高频有两个频段，第一个频段840~845MHz（简称China1）全球支持的阅读器很少，一般只有本土的特殊项目才会使用这个频段。正常的情况下我们提到中国超高频 RFID频段常指920~925MHz（简称China2）。如图3-3所示，从频带宽度来分析，美国（北美）频段最宽，中国、新加坡、韩国的频段都在美国频段范围内。可见美国在超高频 RFID投入的力量是非常大的，这也同时印证了北美市场占得最大的超高频市场占有率。从这个频段也能够理解到现阶段的超高频 RFID市场已是一个全球市场，在产品的设计和生产上一定要考虑全球化的因素。比如一款超高频 RFID标签的设计，其具有100MHz带宽，以支持860MHz附近的欧洲频段，同时也要支持美国和日本频段，这也给设计和开发带来了更多的挑战和机遇。

　　在讨论各个国家和地区的无线电规范时，除了要关注其工作带宽（Span），还应该要考虑其他的一些参数，包括：中心频率（Mid-band frequency）、频道数量（Channels）、全向辐射功率（EIRP）、频道宽度（Channel BW）、频带抗干扰特点（Technique），如表3-1所示。

　　表格中最重要的参数是全向辐射功率和带宽。其中，全向辐射功率决定了系统的工作距离，而带宽决定了系统的容量和抗干扰。带宽越大，则具有更多的信道数量，在一个大型的仓库中，可以有多台阅读器同时工作，同理当遇到干扰的时候，能够最终靠切换工作信道的方式来进行规避。频道宽度决定了阅读器与标签通信的最大速率，不过这一点在中国的实际应用场景中一般都直接被忽略。必须要格外注意，根据中国无线电管理委员会规定，信道宽度为250kHz，使用超过250kHz的链路速率是违反国家无线 LBT （先听后说）与Hopping（跳频技术）

　　在3.1.1节的学习中我们得知全球各地的超高频RFID工作频率、带宽都各不相同，这个是由什么决定的呢，是什么部门制定的呢？这里先介绍一下各个国家和地区的制定标准的组织：中国制定和管理的部门是国家信息产业部无线电管理委员会，国家无线电监测中心，简称MII（Ministry of Information Industry）。在应用中许多项目都要求超高频RFID阅读器通过无委认证，就是指的这个MII认证。

　　从表3-1的技术特点一栏不难发现，在频带抗干扰技术上，欧洲和其它地区都是不一样的。欧洲使用的是LBT/CCA技术；而别的地方使用的是跳频（Frequency Hopping）技术，这些都是由各地区的情况决定的。LBT/CCA全称Listen Before Talk /Clear Channel Assessment，中文意思为监听载波/无干扰信道评估。该规范要求阅读器发射信号之前，先监听一下所有的信道，并记录各个信道的使用情况，进而选择空闲的信道进行工作，如图3-4所示为该规范的示意图。

　　从图3-4中很容易理解LBT/CCA这个技术，即每次工作前进行监听，之后每间隔4秒再次进行监听，其目的是防止意外的信号干扰当前的阅读器工作。这个技术的优点很明显，每一个新的信道都与之前的互不干扰，缺点是每次工作的时候都要先监听一下，需要消耗一定的时间。当然这个跟ETSI制订的标准有很大关系，欧洲频段只有2MHz的带宽，4个信道。由于信道太少，且是独享带宽，没有很好的方法与其他阅读器系统共用。若使用跳频的方式，会有很大的冲突的机会，总系统的效率会大大的降低，只有选用LBT/CCA的技术方法才能克服信道少的缺点，通过牺牲监听时间来降低阅读器之间的干扰。

　　跳频技术被多数地区所采用，这里我们就用中国频率来举例。中国频率有两部分920 ~ 925 MHz和840 ~ 845MHz，常用920 ~ 925 MHz部分。920 ~ 925 MHz内共有16个信道，每次工作的时候随机选择一个信道，2秒内换下一个信道进行工作，如此反复，如图3-5所示。

　　在图3-5中的阅读器开始工作就直接随机选择了一个信道8，0.8s后又换了信道11，再0.3s后跳到了信道2，保证2s内换一下工作信道，防止一个信道被长期占用（在FCC、CE等认证中，这一段时间会有不一样的要求，如在FCC为小于400ms）。

　　在美国，超高频 RFID频率902 MHz～928MHz共26MHz是工科医（ISM）频段，因而一定要采取跳频扩频的工作模式来抗干扰。比如LoRa、Sub 1GHz的FSK等通信技术都是共用此频段，这些技术的规范也要采用跳频的方式来进行抗干扰。

　　我国超高频RFID设备使用的920 MHz～925MHz频段与点对点立体声广播传输业务共用，所以也采用跳频扩频的方式来减少干扰。

　　最后强调一点是在开发阅读器的时候，绝对不允许出现定频的情况出现（实验室测试除外）。现在大量的国产阅读器都开发了定频工作模式，而非跳频工作模式，对行业的推广带来了很大的负面影响。一般正规阅读器厂商的设备都是默认跳频工作模式，且无法被强制修改。

　　在表3-1中的世界各地的标准辐射功率一栏中，存在两个不同的单位，ERP和EIRP。ERP和EIRP与dBi和dBd这两个单位的知识点非常类似，ERP和EIRP的区别为采用不一样单位，如图3-6所示为ERP和EIRP的辐射示意图。

　　ERP的物理意义是：发射机功率乘天线增益，计量单位可以用W、mW、dBW或dBm。表达公式如下：

　　中国标准规定最大辐射功率为2W ERP，可以表示为3.28W EIRP。意思是在中国使用的所有超高频RFID设备发射的信号在空气中最大的等效全向辐射功率为3.28W。

　　【例3-1】一个阅读器使用的天线dBi，不考虑馈线衰减天线失配等因素时，端口允许输出的上限功率是多少？

　　从例3-1中能够准确的看出，最大输出功率只有0.5W，小于一般阅读器的最大输出功率。一个系统中并不是天线增益越大越好，输出功率越大越好，一定要符合国家的标准才行。现阶段国内的无线电监管还不严格，尤其是在一些特殊应用中，存在设备超标发射，最终输出功率超过2W ERP规范。相信今后RFID项目慢慢的变多，若大家都不遵守规范，相互干扰会慢慢的严重。因此各个阅读器厂商和项目集成商需要严格遵守国家和地方的无线电规范。

　　谈到最大发射功率问题，还有一个一直以来非常关注的问题，那就是标签能工作多远的问题。相信这样的一个问题一定一直困扰着很多人，因为大家所听到的结果各异，标准也不同。尤其是针对固定式阅读器，自身没天线，那么选不一样的天线，其对外的辐射功率就不同，针对不同的标签的工作距离也就不同。所以针对阅读器的工作距离，本书给出一种统一的评判标准。同样，标签的工作距离也是按照这一个方法来计算出来。根据式（2-14）：

　　同样，将美国PEIRP=4W带入式（3-1），可以算出美国标准情况下标签的工作距离为：

　　面对中国客户询问标签或阅读器的工作距离，我们的回答是9.4m；面对美国客户我们就能回答标签或阅读器的工作距离是10.6m，当然上述的前提要说清楚。这个计算数据也是理论值，只有在绝对没反射的全波暗室环境中测试才会出现这个准确的工作距离。在普通的测试环境中，由于反射的加强效果，实测距离会略大于理论值。

　　通过对超高频 RFID的无线电标准的学习，大家要掌握各个国家的标准的差异，无论在技术还是商务层面都是很重要的。其次面向欧洲的阅读器需要仔细考虑LBT/CCA的设计和操作的过程，同样，面向北美和中国的供应商应严格按照协议设置跳频的功能。本节最重要的部分是关于标签工作距离的计算，希望能成为行业的统一标准，为行业的沟通带来便利。

　　2021年深圳物联网技术应用技能竞赛成功举办，深圳市物联网产业协会再立新功！

　　【IOTE】长沙钛合电子携智能传感产品与方案助力物联网发展，2022年亮相IOTE国际物联网展·上海站

　　斑马技术发布报告：七成医院高管认同要增加投资以更大程度地提升员工效率

　　英伟达收购ARM受阻 被FTC起诉；华为量产纯国产芯片手机；高德地图上线停车雷达 IoT每日热点

　　OriginOS Ocean功能预览视频发布，锁屏界面创新交互方式是最大亮点

　　在全球数字化浪潮的推动下，物联网产业正处于蒸蒸日上的阶段，作为关键的无线数据采集方式之一，RFID技术在各行各业的普及度正在快速拉升。

　　近年来，随着物联网产业的快速地发展，产业数字化前进的步伐不断加快。在整个社会数字化水准不断提升的当下，以美国为首的西方国家对芯片出口严加管控，国内推动芯片国产化的呼声愈加高涨。

　　本期 《湾区物道》，我们对话了雷士国际控股有限公司大中华区副总裁牛建涛先生，分享了“万物互联+消费升级+后疫情时代”，智能家居行业的最新革命。

　　2021年深圳物联网技术应用技能竞赛成功举办，深圳市物联网产业协会再立新功！