현재 단품 단위 태깅(Item-level tagging)을 위한 UHF 대역 RFID Tag는 원거리 인식 거리와 저가 등의 장점들 때문에 유통산업 현장에서 폭발적으로 확대 보급되고 있다. 그러나 스마트폰과 태블릿 시장의 확대에 따라 실제 현장에서는 RFID 태그와 스마트 기기 간의 신호 간섭 문제가 예상된다. 이로 인해 RFID 태그는 인식률 및 인식 거리 감소 등 성능 저하가 발생하고 있다. 특히 KT에서는 최근 900 MHz 대역의 LTE 주파수와 구형 RFID 기술의 심각한 간섭 문제를 시연회를 통해 강조하였다. 이에 따라 본 논문에서는 스마트 기기로부터 송신되는 신호로 부터 수동형 UHF 대역 RFID 태그의 간섭 내성 측정 방법을 제안한다. 또한, 시중에 유통 중인 3개의 RFID 태그용 인레이(Inlay)를 선정하여 신호 간섭에 따른 인식 거리 감소 결과를 PCR 지수를 이용하여 정량적으로 비교 평가하였다. 그 결과, 신호 간섭 영향 측면에서 WCDMA 시스템에 비해 LTE 시스템이 약 3배 정도 강하며, 일부 태그의 인식 거리 성능은 약 60 % 저하되었다.
현재 단품 단위 태깅(Item-level tagging)을 위한 UHF 대역 RFID Tag는 원거리 인식 거리와 저가 등의 장점들 때문에 유통산업 현장에서 폭발적으로 확대 보급되고 있다. 그러나 스마트폰과 태블릿 시장의 확대에 따라 실제 현장에서는 RFID 태그와 스마트 기기 간의 신호 간섭 문제가 예상된다. 이로 인해 RFID 태그는 인식률 및 인식 거리 감소 등 성능 저하가 발생하고 있다. 특히 KT에서는 최근 900 MHz 대역의 LTE 주파수와 구형 RFID 기술의 심각한 간섭 문제를 시연회를 통해 강조하였다. 이에 따라 본 논문에서는 스마트 기기로부터 송신되는 신호로 부터 수동형 UHF 대역 RFID 태그의 간섭 내성 측정 방법을 제안한다. 또한, 시중에 유통 중인 3개의 RFID 태그용 인레이(Inlay)를 선정하여 신호 간섭에 따른 인식 거리 감소 결과를 PCR 지수를 이용하여 정량적으로 비교 평가하였다. 그 결과, 신호 간섭 영향 측면에서 WCDMA 시스템에 비해 LTE 시스템이 약 3배 정도 강하며, 일부 태그의 인식 거리 성능은 약 60 % 저하되었다.
The passive UHF RFID tags for item-level tagging are now explosively used in the supply chain and retail applications as they have several advantages, the two most relevant are cost and a longer read range. However, the signal interference problem between RFID tags and smart devices in real world is...
The passive UHF RFID tags for item-level tagging are now explosively used in the supply chain and retail applications as they have several advantages, the two most relevant are cost and a longer read range. However, the signal interference problem between RFID tags and smart devices in real world is expected according to the smart-phone and tablet market growth together. The performance of RFID tags can be significantly less. The popular examples are the read-success rates and read range reduction. Especially, KT Corp. recently emphasized the serious signal interference at 900 MHz of LTE and old RFID frequencies through their public demonstration. By popular demands, this paper suggests the interference tolerance measurement method between the passive UHF RFID tag and the transmitted signal from a smart device. In addition, we selected three passive UHF RFID tags(Inlay) available on the market and quantitatively evaluated read range reduction results by interference signals using the PCR(Performance Change Rates) index. As a result, the LTE system is about three times as effective as the WCDMA system in terms of interference effects, and the read range performance of two RFID tags about 60 % drop.
The passive UHF RFID tags for item-level tagging are now explosively used in the supply chain and retail applications as they have several advantages, the two most relevant are cost and a longer read range. However, the signal interference problem between RFID tags and smart devices in real world is expected according to the smart-phone and tablet market growth together. The performance of RFID tags can be significantly less. The popular examples are the read-success rates and read range reduction. Especially, KT Corp. recently emphasized the serious signal interference at 900 MHz of LTE and old RFID frequencies through their public demonstration. By popular demands, this paper suggests the interference tolerance measurement method between the passive UHF RFID tag and the transmitted signal from a smart device. In addition, we selected three passive UHF RFID tags(Inlay) available on the market and quantitatively evaluated read range reduction results by interference signals using the PCR(Performance Change Rates) index. As a result, the LTE system is about three times as effective as the WCDMA system in terms of interference effects, and the read range performance of two RFID tags about 60 % drop.
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문제 정의
먼저 WCDMA와 LTE 시스템으로부터 방사되는 전자파에 의해 발생되는 간섭 영향을 측정하기 전 RFID 태그의 대표 동작 주파수를 선택하기 위해 수행되었다. 그 결과, 그림 8과 같이 동작 주파수에 따라 태그의 인식 거리 성능 측면에서 크게 차이가 나고 있지 않음을 확인할 수있으며, 이에 따라 국내 RFID 기술기준에 의거하여 현장에서 주로 많이 활용되고 있는 920 MHz 동작 주파수에서의 인식 거리 성능 변화를 대표적으로 살펴본다.
101 스펙에 따라 Band 1부터 Band 44까지 구분된다. 본 논문에서는 RFID 대역과 가장 인접한 Band 5(824～894 MHz) 대역과의 간섭 영향을 평가하였다. WCDMA는 국내 보편적으로 많이 사용되고 있는 1,920～2,170 MHz에 대해 평가하였다.
각 통신 시스템의 동작 주파수들은 모두 직접적으로 중첩되지는 않지만, RFID 시스템은 주변에서 많이 사용되고 있는 인접 전자파 신호에 대해 영향을 받을 것으로 예상된다. 본 논문에서는 동작 주파수 중첩에 의한 간섭 영향보다 주변 환경에서 쉽게 노출될 수 있는 이동통신 관련 전자파 신호 간섭에 의해 얼마만큼의 인식 거리 변화가 발생하는지에 초점을 두고 있다.
본 논문에서는 스마트폰과 태블릿 PC와 같은 스마트기기들이 보급이 급증하고, 이에 따라 데이터 사용량이 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 맞춰 LTE 시스템과 WCDMA 시스템서 송출되는 신호가 수동형 UHF RFID 태그의 인식 거리 성능에 어느 정도의 영향을 미치는지 확인하고자 간섭 내성 시험 방법을 제안하고, 시중에 유통 중인 3종의 RFID 태그를 선정하여 각각의 신호 간섭에 대한 내성을 정량적으로 평가하기 위하여 PCR(Performance Change Rates) 지수를 활용하여 비교 분석하였다.
본 논문에서는 시중에 유통 중인 UHF 대역 RFID 태그 3종에 대하여 스마트 기기와의 주파수 간섭 영향을 정량적으로 분석하였다. 간섭 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 간섭 모델 및 시험 방법을 제시하고, PCR 값을 산출하여 비교분석하였다.
가설 설정
이때 인식 거리를 산출하기 위해 Stag는 0 dBm부터 —20 dBm에까지 단계적으로 증가시켰으며, 리더의 송신 전력 Preader는 30 dBm, 리더 안테나 이득 Greader는 6 dBi, 태그 안테나 이득 Gtag는 1.5 dBi, λ는 각 주파수 대역별로 860 MHz는 0.35 m, 910 MHz는 0.33 m, 960 MHz는 0.31 m로 가정하여 계산하였다[4].
31 m로 가정하여 계산하였다[4]. 일반적으로 이상적인 다이폴 안테나의 이득은 2.13 dBi이지만, 본 논문에서 사용한 태그의 안테나는 유사한 다이폴 형태를 가지므로 태그 안테나의 이득 Gtag를 1.5 dBi로 가정하였다. 또한, 각 태그의 IC 성능이 각기 상이하지만 태그 IC의 감도(Sensitivity)는 동일한 것으로 간주한다.
제안 방법
본 논문에서는 RFID 대역과 가장 인접한 Band 5(824～894 MHz) 대역과의 간섭 영향을 평가하였다. WCDMA는 국내 보편적으로 많이 사용되고 있는 1,920～2,170 MHz에 대해 평가하였다.
본 논문에서는 시중에 유통 중인 UHF 대역 RFID 태그 3종에 대하여 스마트 기기와의 주파수 간섭 영향을 정량적으로 분석하였다. 간섭 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 간섭 모델 및 시험 방법을 제시하고, PCR 값을 산출하여 비교분석하였다. 본 논문에서 제시한 PCR 값은 RFID 시스템 설치 시 발생하는 스마트 기기와의 간섭뿐만 아니라 리더 간 간섭의 양을 정량적으로 제시할 수 있으며, 이는 실제 실험환경을 무반사실에서 구축함으로써 확인할 수 있었다.
먼저 WCDMA와 LTE 시스템으로부터 방사되는 전자파에 의해 발생되는 간섭 영향을 측정하기 전 RFID 태그의 대표 동작 주파수를 선택하기 위해 수행되었다. 그 결과, 그림 8과 같이 동작 주파수에 따라 태그의 인식 거리 성능 측면에서 크게 차이가 나고 있지 않음을 확인할 수있으며, 이에 따라 국내 RFID 기술기준에 의거하여 현장에서 주로 많이 활용되고 있는 920 MHz 동작 주파수에서의 인식 거리 성능 변화를 대표적으로 살펴본다.
이들 장비는 다양한 무선 기술 환경의 DUT(Device Under Test)의 성능을 측정할 수 있도록 기지국 역할을 할 수 있도록 설계되어 있다. 마지막으로 Call Box 장비들과 통신연결을 위한 스마트 기기로 두 가지 통신방식을 모두 지원하는 삼성전자의 갤럭시 탭 10.1을 활용하였다. 스마트 기기는 전파무반실 내에 위치하며, WCDMA 통신 시 스마트 디바이스는 태그로부터 RFID 안테나와 같은 방향으로 3 cm 이격되어 위치하고, LTE 통신 시 태그와 직각 방향으로 3 cm 이격시켜서 측정하였다.
수동형 UHF RFID 태그의 간섭 내성 시험을 위한 전파 무반사실 내부 환경 설정은 EPCglobal 표준에 만족되는 인식 거리 시험환경 중 간섭 내성 시험을 위해 WCDMA 통신과 LTE 통신 환경을 구축하기 위해 두 종류의 신호 발생기를 설치하였다. WCDMA 신호 발생을 위해 R&S社 의 CMU200 Call Box를 이용하였고, LTE 신호 발생을 위해 R&S사의 CMW500 Call Box를 이용하였다.
1을 활용하였다. 스마트 기기는 전파무반실 내에 위치하며, WCDMA 통신 시 스마트 디바이스는 태그로부터 RFID 안테나와 같은 방향으로 3 cm 이격되어 위치하고, LTE 통신 시 태그와 직각 방향으로 3 cm 이격시켜서 측정하였다. 그림 6은 전파 무반실내부 구성도를 보여주며, 그림 7은 간섭 내성 시험환경 사진을 보여준다.
대상 데이터
WCDMA 신호 발생을 위해 R&S社 의 CMU200 Call Box를 이용하였고, LTE 신호 발생을 위해 R&S사의 CMW500 Call Box를 이용하였다.
그림 4는 선정된 태그 3종을 보여주고 있으며, 표 2에서 볼 수 있듯이 선정된 수동형 UHF RFID 태그 제품은 유사한 다이폴 안테나 형태를 가지고 있으며, EPCglobal Class-1 Gen-2 프로토콜을 지원하는 각기 다른 Chip으로 구성된다. 또한, 안테나 사이즈는 가로 길이가 약 95 mm인 제품들을 선정하였다.
본 절에서는 시중에 유통 중인 수동형 UHF RFID 태그 (인레이)에 대하여 간섭 내성 특성을 비교 분석하기 위하여 국내외 3종의 제품을 선정하였다. 그림 4는 선정된 태그 3종을 보여주고 있으며, 표 2에서 볼 수 있듯이 선정된 수동형 UHF RFID 태그 제품은 유사한 다이폴 안테나 형태를 가지고 있으며, EPCglobal Class-1 Gen-2 프로토콜을 지원하는 각기 다른 Chip으로 구성된다.
수동형 UHF RFID 태그 인식 거리 시험환경은 ISO 18000-6 Type A, B, C와 EPCglobal UHF Class-1 Gen-2 규격[12],[14]을 만족하는 RFID 에뮬레이터와 신호생성기, 스펙트럼분석기, 전파무반사실(Anechoic Chamber)로 구성된다. 그림 5는 EPCglobal의 Tag Performance Parameters and Test Methods (Version 1.
이론/모형
간섭 내성 시험 방법은 EPCglobal의 Tag Performance Parameters and test Method 표준문서[13] 8절에 기술된 시험 방법에 따라 인식 거리 시험을 진행하였으며, 수정된 부분은 측정의 정밀도를 높이기 위해 리더의 EIRP Power Step 0.25 dB에서 0.1 dB로 변경하여 진행하였다. 인식 거리 시험 절차는 다음과 같이 6단계로 요약될 수 있다.
마지막으로 본 논문에서는 RFID 리더와 태그 간의 인식 거리 성능 변화를 정량적으로 평가하기 위하여 PCR (Performance Change Rates)을 정의하였다. PCR 계산은 간섭원의 영향을 받지 않은 상태에서 인식 거리 성능 (Rbefore)에서 간섭원의 신호를 인가하여 간섭을 발생시킨 후 인식 거리 성능(Rafter)을 뺀 다음 절대 값을 취한후, 원래의 간섭원의 영향을 받지 않은 상태에서의 인식 거리 성능으로 나누어 주면 된다.
성능/효과
A 태그의 경우, WCDMA 신호 간섭에 약 12 %, LTE 신호 간섭의 경우 약 20 %의 인식 거리 저하를 보이고 있다. B 태그의 경우, WCDMA 신호 간섭에 약 20 %, LTE 신호 간섭의 경우, 약 62 %의 인식 거리 저하를 보였으며, C 태그의 경우, WCDMA 간섭 신호에 약 12 %, LTE 간섭 신호의 경우, 약 56 %의 인식 거리 저하를 보였다.
표 4는 3개의 태그 제품에 대하여 태그 별 간섭 내성에 대한 PCR 지수를 산출한 결과이다. 그 결과, WCDMA 신호 간섭에 비해 LTE 신호 간섭이 더 큰 것을 확인할 수 있으며, B와 C 제품이 특히 취약함을 알 수 있다.
다음 그림 9부터 그림 11까지는 동작 주파수 920 MHz 대역에서의 간섭 신호에 따른 각 태그별 인식 거리 성능 변화를 비교하여 보여준다. 그 결과, WDCMA 시스템에서 방사되는 전자파보다 LTE 시스템에서 방사되는 전자파에 대해 두배 이상의 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 각 태그의 특성에 따라 간섭 신호 내성 특성에서 차이가 남을 알 수 있다.
간섭 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 간섭 모델 및 시험 방법을 제시하고, PCR 값을 산출하여 비교분석하였다. 본 논문에서 제시한 PCR 값은 RFID 시스템 설치 시 발생하는 스마트 기기와의 간섭뿐만 아니라 리더 간 간섭의 양을 정량적으로 제시할 수 있으며, 이는 실제 실험환경을 무반사실에서 구축함으로써 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 UHF 대역 RFID 시스템에서 발생하는 주파수 간섭 문제를 정량적으로 분석한 논문으로서 국내 RFID 도입 및 산업 활성화에 기여할 수 있을것으로 판단된다.
또한, 각 태그의 특성에 따라 간섭 신호 내성 특성에서 차이가 남을 알 수 있다. 지금까지의 시험 결과를 종합 하면 RFID 태그는 WCDMA, LTE 등 다양한 간섭 신호에 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 이러한 신호원들은 사람이 필수 불가결하게 몸에 지니고 다니는 모바일 기기의 신호원에 해당되기 때문에 RFID 태그 공정 시 설계 마진에 반드시 반영되어야 하는 항목임을 알 수 있다.
후속연구
본 논문에서 제시한 PCR 값은 RFID 시스템 설치 시 발생하는 스마트 기기와의 간섭뿐만 아니라 리더 간 간섭의 양을 정량적으로 제시할 수 있으며, 이는 실제 실험환경을 무반사실에서 구축함으로써 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 UHF 대역 RFID 시스템에서 발생하는 주파수 간섭 문제를 정량적으로 분석한 논문으로서 국내 RFID 도입 및 산업 활성화에 기여할 수 있을것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수동형 UHF RFID 시스템이란 무엇인가?
수동형 UHF RFID 시스템은 원하는 정보를 송수신하기 위해 RFID 리더와 고유한 ID 값을 저장하고 있는 수동형 RFID 태그로 그림 1과 같이 구성된다[1]. 수동형 UHF RFID 시스템의 신호전달 과정은 순방향 링크와 역방향 링크로 구분된다.
단품 단위 태깅을 위한 UHF 대역 RFID Tag를 사용할 때 예상되는 문제는 무엇인가?
현재 단품 단위 태깅(Item-level tagging)을 위한 UHF 대역 RFID Tag는 원거리 인식 거리와 저가 등의 장점들 때문에 유통산업 현장에서 폭발적으로 확대 보급되고 있다. 그러나 스마트폰과 태블릿 시장의 확대에 따라 실제 현장에서는 RFID 태그와 스마트 기기 간의 신호 간섭 문제가 예상된다. 이로 인해 RFID 태그는 인식률 및 인식 거리 감소 등 성능 저하가 발생하고 있다.
수동형 UHF RFID 시스템의 장점은 무엇인가?
특히 RFID 기술 중 수동형 UHF RFID 시스템은 기존의 스마트 카드와 같은 HF RFID 시스템에 비하여 긴 인식 거리와 태그 제작 가격에 있어서 유리한 장점이 있어, 전 세계적으로 유통, 물류 등의 용도에 가장 적합하다고 평가되고 있으며, 특히 최근 단품 단위 태깅에 적극적으로 활용되고 있다. 예를 들어 미국의 월마트와 아메리칸 어패럴 등과 같은 대형 유통회사 및 대형 패션 업체에서는 이미 RFID 기술을 도입하여 물품 도난 방지부터 실시간 재고 관리, 물품 위치 추적 관리 등을 통해 유통 선진화를 이끌어 내어 업무 시간 절감, 매출 증대 등 명확한 ROI를 확인하고 있다.
참고문헌 (14)
윤현구, 강민수, 장병준, "908.5-914 MHz 대역에서 RFID와 USN 시스템의 주파수 공유 조건에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 19(6), pp. 647-656, 2008년 6월.
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K. Finkenzeller, RFID Handbook: Radio-Frequency Identification Fundamentals and Applications, Wiley, 2004.
Y. Tanaka, Y. Umeda, O. Takyu, M. Nakayama, and K. Kodama, "Change of read range for UHF passive RFID tags in close proximity", RFID, 2009 IEEE International Conference on, pp. 338, 345, Apr. 2009.
W. Strauss, S. Kraus, M. Hartmann, C. Grabowski, and J. Bernhard, "Read range measurements of UHF RFID transponders in mobile anechoic chamber", RFID, 2009 IEEE International Conference on, pp. 48, 55, Apr. 2009.
Jae-Young Jung, Hyunseok Kim, Heyung-Sub Lee, and Kyung-Whan Yeom, "An UHF RFID tag with long read range", Microwave Conference, 2009. EuMC 2009. European, pp. 1113, 1116, Sep. 2009-Oct. 2009.
ISO/IEC 18000-6 Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz.
EPCglobal의 Tag Performance parameters and test methods Version 1.1.3.
ISO/IEC 18046-3, Information technology radio frequency identification device conformance test methodspart 6.
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