Análisis del rendimiento de tags y lectores RFID UHF Lluis Bueno

NextPoint Solutions (lluisbueno@nextpoints.com)

1. Introducción El mercado de la tecnología RFID en la banda UHF Gen2 está empezando a crecer paulatinamente.

En la actualidad, ya hay cientos de fabricantes de tags y lectores, todos ellos manifestando tener los mejores productos, pero sin argumentos comunes que lo sostengan. ¿Cómo argumentar que un tag o un lector es mejor que otro? ¿Qué parámetros hay que medir y cómo debe realizarse? En este artículo se profundiza en dos parámetros de rendimiento de los tags que tanto fabricantes como integradores de sistemas pueden medir de forma sencilla, y utilizarlos para comparar los diferentes productos del mercado. Asimismo, se indican varias recomendaciones de medida con lectores, con el fin de evaluar el mejor rendimiento de uno u otro en diferentes entornos y para identificar diferentes materiales.

2. Medición del rendimiento de tags En un tag es posible medir diferentes parámetros y a su vez hacerlos de diferentes modos. Sin

embargo, aunque es posible realizar mediciones de las antenas y los circuitos integrados con un analizador de espectros o un analizador de redes, el rendimiento de un tag únicamente puede medirse cuando el tag está activo, funcionando, es decir, comunicándose con un lector RFID. Debido al funcionamiento de la tecnología RFID, el lector (en realidad un transceptor) transmite una señal modulada que excita y alimenta el tag. Esta señal incorpora un comando al cual responde el tag con otra señal que es detectada por el lector.

La forma convencional de comparar diferentes tags es utilizar un lector comercial y comparar las distancias de lectura y los ratios de éxito, con una potencia de transmisión constante. Esta metodología se ha utilizado tanto en la industria como en el mundo académico, pero es un método que no permite separar las propiedades del tag de las propiedades del lector y el entorno. Con este método, no es posible distinguir si la distancia de lectura es limitada por la potencia de respuesta del tag o por la sensibilidad del lector. Además, la precisión de la potencia y los efectos de propagación multi-trayecto reducen la fiabilidad de las mediciones.

Por otra parte, es posible realizar mediciones de diversos parámetros, tanto temporales como espectrales, mediante equipamiento genérico de laboratorio, aunque esta metodología es normalmente costosa y compleja, ya que requiere de equipos de medida de última generación y de conocimientos de los protocolos RFID utilizados, mediciones de radiofrecuencia y un software de medida normalmente desarrollado a medida.

Con el fin de mostrar unos resultados independientes, fiables y que contemplen todos los parámetros que rodean un sistema RFID, las mediciones en este artículo se han realizado con un sistema de medida específico para RFID (Tagformance), formado por una unidad de medición, una tarjeta PCI para el PC y un software de medida.

Figura 1. Sistema Tagformance, compuesto por una unidad de medida y un software específico.

2.1. El primer parámetro: Sensibilidad del tag

En la mayoría de los casos, el factor limitante para la distancia de lectura de un tag es la potencia entregada al chip. Ya que la potencia máxima radiada de un lector está restringida por normativa, la potencia entregada al chip a una distancia determinada depende principalmente del diseño del tag (de su antena y del circuito de adaptación), así como de los factores ambientales. La cantidad de potencia radiada que se precisa para excitar un tag es lo que se denomina Sensibilidad.

Para medir la sensibilidad del tag se utiliza una fuente de señal conectada una antena que envía un comando al tag, y se varía la potencia de transmisión para encontrar la mínima potencia con la que el tag es capaz de responder. Este test puede repetirse con diferentes portadoras de frecuencia para caracterizar completamente la sensibilidad del tag. Este procedimiento es exactamente el que realizar el sistema Tagformance cuando se mide la sensibilidad de un tag. Aunque puede utilizarse cualquier comando de lectura o escritura para activar el tag, el sistema envía un comando Query y espera la respuesta RN16 del tag, almacenando la potencia requerida por el tag para responder.

Con el fin de independizar los resultados de la distancia entre el lector y el tag y poder así comparar diferentes tags, la unidad utilizada para la sensibilidad es la intensidad de campo eléctrico (en campo lejano).

(1)

donde PEIRP es la potencia radiada efectiva, Z es la impedancia en aire libre (377 Ω) y R es la distancia entre el tag y la antena transmisora. Cuando la sensibilidad se conoce a una determinada frecuencia, esa misma ecuación puede ser utilizada para calcular la distancia máxima teórica de operación del tag.

2.2. El segundo parámetro: Señal de retorno o Backscattering

A medida que los diseños de los tags evolucionan, la distancia de trabajo de los tags no está limitada por la potencia trasmitida al tag, sino por la señal transmitida al receptor del lector. La potencia de señal mínima que el lector puede detectar y decodificar de forma fiable se representa como la sensibilidad del lector, medida en dBm. La señal que devuelve el tag deberá siempre superar este valor. El parámetro a considerar determina cuán eficientemente el tag transforma la potencia radiada en señal backscattering: ΔRCS (diferencial de sección radar).

Figura 2. Esquema de backscattering en RFID

Para medir el backscattering se utiliza una fuente de señal conectada una antena que envía un

comando al tag, y se mide la intensidad de la respuesta. Este test puede repetirse con diferentes portadoras de frecuencia y niveles de potencia para caracterizar completamente el tag. El sistema Tagformance utiliza este procedimiento con una mejora adicional: el sistema de medida utiliza la frecuencia portadora del transmisor como el oscilador del receptor, lo que permite medir tanto la potencia como la fase de la señal de retorno. El sistema envía un comando Quero al tag y espera la respuesta RN16, almacenando la potencia y fase de la señal de respuesta. Sin embargo, la potencia medida depende también de la geometría de la medición, por lo que se utiliza la siguiente ecuación:

(2)

, donde PR es la potencia recibida, G es la ganancia de la antena en recepción, PEIRP es la potencia transmitida efectiva, R1 es la distancia entre el tag y la antena transmisora, R2 es la distancia entre el tag y la antena receptora y λ es la longitud de onda de la portadora. De nuevo, cuando la sensibilidad y el ΔRCS se conocen a una determinada frecuencia, esa misma ecuación puede ser utilizada para calcular la potencia recibida a una determinada distancia.

2.3. Medición real del rendimiento de un tag

Para ilustrar los parámetros de rendimiento indicados, se muestra un caso práctico de medición para conocer el rendimiento de tres tags diferentes para identificar objetos metálicos, y definir cuál de ellos es el más adecuado para esta aplicación. Este tipo de mediciones pueden ser realizadas por un integrador de sistemas para escoger el tag más adecuado para el proyecto de un cliente, o por un fabricante de tags para comparar su producto con el de la competencia.

Las mediciones se llevaron a cabo en una cámara anecóica, idónea para realizar mediciones fiables, al estar completamente aislada de perturbaciones externas y eliminar el efecto de propagación multitrayecto gracias a sus paredes absorbentes.

Las mediciones se realizaron utilizando el sistema Tagformance, compuesto por una unidad de medida y el software. Se utilizaron antenas de transmisión y recepción separadas per de idénticas características (rango de frecuencias 806-960 MHz, impedancia 50 Ω, ganancia 8.0 dBi, ancho de haz 3 dB 75º horizontal, 70º vertical, polarización lineal), soportadas con un poste de madera. Los tags se ubicaron en un pedestal de poliestireno a 1 metro de las antenas.

Figura 3. Disposición de los elementos para las mediciones en la cámara anecóica

Los tags utilizados, específicos para funcionar sobre metal, fueron: - Tag 1, tag on-metal global (dimensiones: 155 x 32 x 10 mm) - Tag 2, tag on-metal para banda ETSI+FCC (dimensiones: 223 x 23 x 8 mm) - Tag 3, tag on-metal para banda ETSI (dimensiones: 132 x 30 x 8 mm) El objeto a identificar fue una plancha de aluminio de 200 x 200 x 2 mm, en cuyo centro se fijaba

cada tag.

En primer lugar, se realizaron medidas de la sensibilidad de los tags en el rango de frecuencias de 800 a 1000 Mhz, en pasos de 1Mhz y resolución de potencia de 0.1dB. La siguiente figura muestra una captura de pantalla del software tras las mediciones, donde se observan las gráficas con los resultados de intensidad de campo eléctrico en función de la frecuencia. Tag 1 se muestra en rojo, Tag 2 en verde y Tag 3 en azul.

Figura 4. Medición de sensibilidad del tag en función de la frecuencia

TAG 3

TAG 2

TAG 1

La primera percepción es que los anchos de banda de los tres tags son diferentes. Utilizando la

ecuación (1), dada una distancia requerida de 5 metros (p.e.), la sensibilidad teórica requerida es 1.9 V/m. Con este valor, del gráfico extraemos que el Tag 1 funcionará de 860 a 980 Mhz, Tag 2 de 860 a 930 Mhz y Tag 3 de 858 a 868 Mhz. Esto nos dice que todos los tags cumplirán el requerimiento en la banda Europea (865-868Mhz), pero no todos funcionarán en las bandas de Estados Unidos (sólo Tags 1 y 2) ni Japón (sólo Tag 1). Sin embargo, si sólo se precisa funcionamiento en Europa, el Tag 3 dispone de un mayor rendimiento, ya que tiene un mayor margen hasta la sensibilidad requerida.

En segundo lugar se realizaron mediciones de la señal de backscattering a una frecuencia fija de

866Mhz y un barrido de la potencia transmitida de 0 a 30 dBm con una resolución de 0.1 dB. La siguiente figura muestra una captura de pantalla del software tras las mediciones, donde se observan las gráficas con los resultados del diferencial de la sección radar (ΔRCS) en función de la intensidad de campo eléctrico. Tag 1 se muestra en morado, Tag 2 en verde y Tag 3 en naranja.

TAG 1

TAG 3

TAG 2

Figura 5. Medición de la señal de backscattering en función de la intensidad de campo a 866Mhz

El punto más a la izquierda de cada gráfica muestra la sensibilidad del tag y cuán eficientemente el tag convierte la potencia en una señal de retorno en el punto umbral. El valor de ΔRCS decrece conforme el campo eléctrico aumenta, algo típico en cualquier tag. Una vez más, el Tag 3 se comporta de forma diferente a los otros dos tags y genera una señal de retorno mucho mayor. A partir de la ecuación (2), y dados una sensibilidad del lector de -80 dBm y una ganancia de la antena de recepción de 8 dBi (valores típicos de lectores comerciales), una distancia de lectura de 5m y una intensidad de campo de 1.9 V/m, la ΔRCS es de 62cm2 para el Tag 3 y 17 cm2 para los Tags 1 y 2, lo que corresponde a -49 dBm y -55 dBm respectivamente. De esto se deduce que el retorno no es un factor limitante en la distancia máxima de lectura teórica, y que cada uno de los tags cumplirá los requerimientos. Sin embargo, la situación podría ser muy diferente en un entorno con interferencias.

3. Medición del rendimiento de un lector Una vez seleccionado el tag idóneo para la aplicación en cuestión, entra en juego la selección del

lector y la ubicación óptima del tag en el elemento a identificar. Las mediciones de los tags se han llevado a cabo con un sistema de análisis independiente y óptimo para su propósito, pero una vez en el proyecto real, el lector escogido permitirá aprovechar el rendimiento del tag seleccionado y garantizar el éxito de la aplicación en función de este y de la ubicación óptima del tag.

Para llevar a cabo este nuevo procedimiento de análisis de ubicación óptima de los tags, existen dos metodologías:

- Tag Sweeping, basada en ir desplazando el tag a lo largo de la superficie del material, mientras el lector realiza las lecturas en las diferentes posiciones. Es un método rápido pero aproximado.

- Hotspot Mapping, basada en una malla homogénea de tags ubicada sobre el material. El análisis resulta más profundo y ofrece un mapa 3D del objeto a identificar.

En ambos casos, el software EPC Hotspot permite realizar las mediciones con todos los lectores

RFID del mercado, analizando la calidad de la señal recibida y proporcionando así un análisis exhaustivo de las ubicaciones válidas de los tags para los diferentes lectores bajo prueba.

3.1. Análisis a nivel de ítem o caja

Para ambas metodologías (Tag Sweeping o Hotspot Mapping), se requiere de un lector RFID conectado a una única antena, que puede ser de polarización circular o lineal (en este caso, será importante mantener la orientación del tag a lo largo de las pruebas). Se recomienda colocar tanto la antena como el objeto a evaluar sobre unos soportes de material insensible a la radiofrecuencia, como la madera. Se recomienda ubicar tanto la antena como el objeto a unos 70cm como mínimo del suelo y a unos 70cm entre ellos. Es muy importante que la distancia entre la antena y el objeto se mantenga constante durante todas las pruebas.

Figura 6. Disposición genérica para las mediciones a nivel de ítem o caja

3.1.1. Análisis Tag Sweeping En esta metodología, es necesario utilizar un soporte para el tag que permita moverlo alrededor de

toda la superficie del objeto sin afectar al campo de radiofrecuencia. Cualquier soporte de plástico o madera es válido.

Figura 7. Soporte utilizado para posicionar el tag a lo largo del objeto de prueba

En este análisis, una vez el software EPC Hotspot inicia su procedimiento, mostrará en tiempo real si

el tag es leído perfectamente (verde), con baja calidad (gris) o no es leído (rojo) a medida que desplazamos el mismo por la superficie del material. De este modo, es posible detectar las ubicaciones óptimas del tag en el objeto de una forma rápida y sencilla.

Cuando el producto en el interior de la caja bajo prueba es transparente para la radiofrecuencia (papel, ropa, cereales, etc.), la pantalla se mostrará verde más del 90% del tiempo, lo que significa que el tag puede ser leído en prácticamente cualquier ubicación y no se precisa de un análisis en detalle.

Cuando el producto en el interior de la caja bajo prueba es opaco para la radiofrecuencia (líquidos, metales, etc.) la pantalla se mostrará roja , indicando la imposibilidad de leer el tag. En este caso, se precisa de un análisis en detalle como el Hotspot Mapping.

Figura 8. El software EPC Hotspot muestra un color según la calidad de las lecturas

3.1.2. Análisis Hotspot Mapping Esta metodología no precisa de hardware adicional, pero requiere que el objeto bajo análisis sea

marcado de forma previa a las mediciones. El objeto se marcará con una malla o cuadrícula de filas/columnas de 2.5 cm, ya que el software EPC Hotspot mostrará un objeto virtual análogo con esta misma distribución.

Figura 9. Marcado previo del objeto real haciendo una cuadrícula de 2.5 cm

La disposición de la antena y el objeto es la ya indicada anteriormente. Una vez ubicados los elementos, será necesario seleccionar el tamaño del tag a utilizar en el software y ubicarlo donde EPC Hotspot nos indique.

Figura 10. Ubicación virtual y real del tag

Una vez el tag está ubicado, el software EPC Hotspot inicia su análisis de medidas con el lector

utilizado, tanto de calidad como de potencia. Para realizar estas mediciones, el software actúa sobre la potencia del lector y testea el tag sometiéndolo a varios procedimientos de lectura/escritura.

Una vez se han realizado los ciclos correspondientes de este primer paso, el software EPC Hotspot solicita una reubicación del tag y repite el proceso. Mediante cálculos teóricos y diferentes ubicaciones, tanto en la cara superior como en la posterior de la caja, EPC Hotspot mostrará un mapa determinando el rendimiento del tag en cada una de las posibles ubicaciones en el elemento.

Figura 11. El código de colores muestra las ubicaciones preferidas para el tag

3.2. Análisis a nivel de palet o contenedor Donde los lectores y las antenas sufren mayores diferencias de rendimiento es cuando tienen que leer

el contenido de un palet o contenedor completo. Una vez determinada la posición óptima del tag en cada ítem, el análisis a nivel de palet o contenedor permitirá conocer qué se lee y qué no, con el fin de incrementar los ratios de éxito de lecturas.

EPC Hotspot permite crear diferentes tipos de agrupaciones con diferentes tipos de contendores o palets, con el fin de realizar una representación virtual totalmente fiel a la realidad,

Figura 12. EPC Hotspot permite crear el contenedor y añadir tantas capas de ítems/cajas como se desee

Una vez diseñado el contenedor y ubicados los elementos que lo componen, los cuales pueden ser

todos iguales o diferentes, EPC Hotspot es capaz de mostrar los rendimientos de lectura del lector para cada uno de los ítems del palet. Estos resultados pueden mostrarse como un código de colores que indique la calidad/cantidad de lecturas de cada artículo o mediante un palet completo donde los ítems leídos van desapareciendo, con el objeto de detectar posibles cajas con bajo ratio de lectura.

Figura 13. Es posible visualizar la calidad de las lecturas mediante un código de colores (izquierda)

o mediante un palet de contenido dinámico (derecha)

4. Metodología propuesta

En este artículo se han presentado dos herramientas específicamente diseñadas para la evaluación del rendimiento de tags y lectores, respectivamente. Estas herramientas constituyen en sí mismas una metodología para la realización de pruebas piloto lejos de los ensayos de prueba y error sujetos a una percepción subjetiva del éxito y calidad de lectura/grabación de los tags.

En primer lugar, haciendo uso de la herramienta de laboratorio Tagformance, se proponen los

siguientes pasos como metodología para evaluar el rendimiento de los tags: 1. Selección del artículo o caja a identificar con RFID, tal cual lo será en la realidad. 2. Selección de diferentes modelos de tags a evaluar. 3. Medición de los parámetros de sensibilidad y backscattering de cada tag en condiciones óptimas,

es decir, adheridos a una caja de cartón o plástico vacía. 4. Medición de los mismos parámetros con el tag ubicado sobre el elemento a identificar. 5. Comparación con las mediciones en condiciones óptimas y valoración de la elección de un tag u

otro frente a la modificación de parámetros del lector para alcanzar los puntos óptimos deseados.

Con el fin de independizar los resultados de las influencias del entorno, se recomienda realizar estas mediciones siguiendo las pautas anteriormente mencionadas (cámara anecóica, soportes de madera, etc.).

En segundo lugar, la aplicación software epcHotspot permitirá conocer qué lector y con qué

configuración es más apropiado, así como conocer la ubicación óptima del tag seleccionado anteriormente en una agrupación real del artículo o caja a identificar.

1. Seleccionar la unidad mínima a identificar (artículo o caja). 2. Seleccionar los diferentes modelos de lectores RFID a evaluar. 3. Utilizar el método de Tag Sweeping para evaluar el efecto que el material produce sobre la

calidad de las lecturas en diferentes ubicaciones del tag. 4. En caso de alcanzar un 100% de éxito, no es necesario llevar a cabo análisis más detallados,

puesto que la lectura de agrupaciones del elemento dependerá únicamente de la capacidad de proceso del lector.

5. En este punto únicamente se descartaría la elección de los lectores que no proporcionen un 100% de éxito, si alguno de los evaluados sí lo proporciona. En caso de no ser así, todos los lectores, independientemente de su % de éxito, pasarán al siguiente paso.

6. En caso de detectar zonas de baja lectura sobre el elemento a identificar, llevar a cabo un análisis Hotspot Mapping, en primer lugar, a nivel unitario, y posteriormente, a nivel de agrupación (palet o contenedor).

7. Este paso se repetirá con los diferentes lectores para determinar cuál de ellos ofrece un mayor % de éxito en las lecturas.

De nuevo, con el fin de independizar los resultados de las influencias del entorno, se recomienda

realizar estas mediciones siguiendo las pautas anteriormente mencionadas (mesa de madera a 1 metro del suelo, soportes de plástico o madera, etc.). No obstante, si las condiciones definitivas del entorno son conocidas, puede interesar reproducir las pruebas en dicho entorno real, con factores externos que puedan modificar las condiciones de medida tanto positivamente como negativamente, proporcionando así unos resultados más cercanos a lo que sería la implantación real.

5. Conclusiones

La sensibilidad del tag depende de la frecuencia y la señal de retorno depende de la potencia transmitida. Ambos parámetros constituyen una importante base para describir el rendimiento de los tags RFID UHF pasivos. Los datos medidos con estos procedimientos son enormemente válidos para escoger el tag más adecuado para una determinada aplicación o comparar diferentes diseños de antena y chips. Estas mismas mediciones pueden también realizarse en función de otros parámetros como el ángulo de orientación o la velocidad de transmisión de los datos.

A su vez, para la evaluación del rendimiento de los lectores, un buen software de análisis permite determinar las ubicaciones óptimas de los tags, tanto a nivel de ítem como de palet, sobre un determinado material, para de este modo conocer qué lectores proporcionan un mayor ratio de lectura en una mayor superficie.

La utilización de herramientas comunes y con una metodología bien definida son la clave para poder

ofrecer argumentos sólidos sobre el rendimiento de un sistema RFID completo, más allá de pruebas empíricas sin ningún procedimiento ordenado.

Referencias 1. Tagformance User Manual 2. Instant EPC Hotpost User Guide 3. J. Voutilainen: Passive UHF RFID tags: What to measure and how? (2007) 4. J. Singh: RFID tag readability issues with palletized loads of consumer goods (2008)