[논문]RFID 리더의 주파수 조정을 통한 태그 위치 센싱

백경진; 장병준

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.5.348

RFID 리더의 주파수 조정을 통한 태그 위치 센싱
Distance Sensing of an RFID Tag Using RFID Reader Frequency Control 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.5, 2019년, pp.348 - 355

초록
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UHF 및 초고주파 대역의 RFID 시스템은 13.56 MHz 대역 RFID에 비해 RFID 리더 전방 수 m 반경 안에 위치한 복수 개의 태그 정보를 역산란 방식으로 읽을 수 있어 유통 물류 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 하지만 반경이 넓으면서 특정한 위치에 있는 태그만을 인식하는 응용분야에서는 태그의 위치 센싱이 어려워 적용에 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 기존 RFID 리더에서 주파수의 조정만으로 태그의 위치 정보를 센싱하도록 함으로써 특정 거리의 태그만을 인식할 수 있는 RFID 시스템을 새롭게 제안한다. 제안된 시스템의 가능성을 검증하기 위하여 PLL을 이용하여 주파수를 가변하는 RFID 리더와 부하변조방식으로 역산란하는 태그를 2.4GHz 대역에서 구현하고 주파수 가변을 통해 태그의 위치를 센싱 할 수 있는 시스템을 실험적으로 검증하였다. 검증 결과, 주파수 조정으로 태그의 위치를 센싱할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

UHF and microwave RFID systems are widely applied in various fields because they can read a plurality of tag information within a radius of several meters ahead of the RFID reader. However, they cannot detect the position of the tag in applications that recognize only a tag at a specific position. In this study, we propose a new RFID system that can interrogate the tag of a specific location selectively by using the position information of the tag. This can be done by only adjusting the reader's operating frequency. To verify the feasibility of the proposed system, we implemented a 2.4 GHz RFID reader whose frequency can be varied by using a phase-locked loop circuit and a backscattered tag. Experimental results confirm that the tag position can be sensed exactly.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 타이어 생산공장에서 RFID 적용 사례 Fig. 1. RFID system in tire manufacturing.
그림 그림 2. RFID 시스템의 구성도 Fig. 2. Configuration of a RFID system.
그림 그림 3. 주파수 및 위치 변화에 따른 위상차 변화 Fig. 3. The variation of phase difference with respect to frequency and tag location.
그림 그림 4. RFID 태그 Fig. 4. RFID tag.
그림 그림 5. 태그 거리 센싱 시스템 구성 Fig. 5. RFID tag distance sensing system.
그림 그림 6. 주파수에 따른 IQ 신호 Fig. 6. IQ signal of each frequency set.
그림 그림 7. DC offset 제거한 I/Q 신호의 궤적(10 cm) Fig. 7. The I/Q trajectories without DC offset(10 cm).
표 표 1. 실험결과 Table 1. Experimental results.

AI 본문요약
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문제 정의

먼저, 제안된 방식의 동작원리를 제시하고, 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 제시한다. 또한 실험실에서 제작한 RFID 리더와 태그를 이용하여 구현가능성을 확인하고, 결론을 맺도록 한다.
본 논문에서는 기존의 RFID 시스템에서는 불가능했던 태그와의 거리를 센싱하기 위한 새로운 방법을 제안하였고, 2.4 GHz RFID 시스템을 실제 제작하여 실험적으로 검증하였다. 이를 통해 RFID 리더의 주파수 차이에 따라 발생하는 위상차 정보로부터 태그와의 거리를 정확히 파악할 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

먼저 리더와 태그 사이의 거리에 따라 Θ0 + 4πd/λ의 주기적인 위상변화가 발생함을 확인하기 위하여 미국 UHF 대역(902～928 MHz)의 RFID 시스템을 가정하였고, 리더와 태그의 사양은 참고문헌[6]의 규격을 가정하였다.

제안 방법

먼저 RFID 리더를 고정하고, 태그의 위치를 가변하였다. RFID 리더와 태그 사이의 거리는 10 cm와 15 cm로 설정하여 태그로부터 반사된 신호의 위상을 측정하였다.
Ⅱ장에서 제시한 이론의 타당성을 확인함으로써 특정 거리 범위에 위치한 태그만을 인식할 수 있는 새로운 RFID 시스템을 모의실험하였다. 먼저 리더와 태그 사이의 거리에 따라 Θ₀ + 4πd/λ의 주기적인 위상변화가 발생함을 확인하기 위하여 미국 UHF 대역(902～928 MHz)의 RFID 시스템을 가정하였고, 리더와 태그의 사양은 참고문헌^[6]의 규격을 가정하였다.
다음으로 RFID 태그는 RF 스위치를 이용하여 2.4 GHz 에서 입사된 CW 신호를 ASK 방식으로 역산란할 수 있는 태그를 제작하였다. 그림 4는 실제 제작된 태그의 블록도와 2.
리더는 2.4 GHz 대역에서 동작하는 국내 RFID 리더 기술기준을 참고하여 동작주파수를 설정(2.440 GHz, 2.450 GHz, 2.455 GHz)하였고, 출력은 0 dBm으로 송신하였다. 태그의 정보는 함수 발생기를 이용하여, 10 Hz 속도로 생성하여 컨트롤 포트로 인가하면서, RFID 리더로부터 수신되는 신호를 오실로스코프로 관찰하였다.
첫 번째 실험은 RFID 태그와 리더 사이의 거리를 10 cm로 고정하여 진행하였다. 먼저 PLL 제어를 통해 RFID 리더의 동작 주파수를 설정하고, 태그에 인가된 정보가 실린 신호를 리더로 수신하였다. 동일한 거리에서 RFID 리더의 주파수를 3가지(2.
본 논문에서 제안한 주파수 조정 특성을 갖는 RFID 리더를 통해 태그의 위치 인식 시스템의 실험구성을 그림 5와 같이 구성하였다. 먼저 RFID 리더를 고정하고, 태그의 위치를 가변하였다. RFID 리더와 태그 사이의 거리는 10 cm와 15 cm로 설정하여 태그로부터 반사된 신호의 위상을 측정하였다.
먼저 RFID 리더의 경우, 도플러 레이다와 RFID 리더가 동일한 동작원리를 갖는다는 것을 참고하여 기존에 개발된 2.4GHz 도플러 레이다를 RFID 기능을 갖도록 변형하여 구성하였다^[8]. 특히 RFID 리더는 PC에 연결하여 리더 내에 내장된 Atmega128 마이컴을 통해 리더 내부의 PLL을 구동함으로써 임의로 주파수를 가변할 수 있도록 하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저, 제안된 방식의 동작원리를 제시하고, 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 제시한다. 또한 실험실에서 제작한 RFID 리더와 태그를 이용하여 구현가능성을 확인하고, 결론을 맺도록 한다.
5 m로 거리가 늘어남에 따라 점선의 기울기가 조금씩 커지는 것을 알 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법의 핵심은 모호성이 있는 절대적인 위상값으로 거리를 계산하지 않고, 주파수 변화에 따라 거리에 따른 위상의 변화에 차이가 있음을 이용하는 것이다.
태그의 정보는 함수 발생기를 이용하여, 10 Hz 속도로 생성하여 컨트롤 포트로 인가하면서, RFID 리더로부터 수신되는 신호를 오실로스코프로 관찰하였다. 실제 RFID 신호는 최대 4W의 EIRP 출력에 따라 수 m의 인식거리와 수십 kHz 이상의 태깅 속도를 갖지만, 본 논문에서는 제안한 방식의 본 논문에서 제안한 방식의 타당성만을 보여주기 위한 실험이므로 짧은 거리에서 저속의 경우로 대체하였다.
이에 본 연구에서는 안테나는 기존 RFID 안테나를 동일하게 사용하면서도 RFID 리더의 동작 주파수의 조정만으로 리더와 태그 사이의 위치 정보를 센싱할 수 있도록 함으로써 특정 거리의 태그만을 인식할 수 있도록 하는 가상의 빔포밍 기능을 갖는 RFID 시스템을 새롭게 제안한다. 제안된 방식은 도플러 레이다 등에서 새롭게 연구가 시작되고 있지만, 아직까지 RFID 시스템에 적용된 바는 없다^[4],[5].
첫 번째 실험은 RFID 태그와 리더 사이의 거리를 10 cm로 고정하여 진행하였다. 먼저 PLL 제어를 통해 RFID 리더의 동작 주파수를 설정하고, 태그에 인가된 정보가 실린 신호를 리더로 수신하였다.
태그의 입력 데이터는 임의의 속도로 스위치 제어가 가능한 함수발생기(function generator)로 가장 간단한 단 극성 NRZ-OOK 신호를 생성하여 제어단자로 인가하였다. 이를 통해 제작된 태그는 소스에서 송신한 정현파 전파를 태그의 부하임피던스를 임의의 속도로 안테나 임피던스를 변경하여 역산란함으로써 태그의 정보를 리더에게 전송할 수 있게 된다.
455 GHz)하였고, 출력은 0 dBm으로 송신하였다. 태그의 정보는 함수 발생기를 이용하여, 10 Hz 속도로 생성하여 컨트롤 포트로 인가하면서, RFID 리더로부터 수신되는 신호를 오실로스코프로 관찰하였다. 실제 RFID 신호는 최대 4W의 EIRP 출력에 따라 수 m의 인식거리와 수십 kHz 이상의 태깅 속도를 갖지만, 본 논문에서는 제안한 방식의 본 논문에서 제안한 방식의 타당성만을 보여주기 위한 실험이므로 짧은 거리에서 저속의 경우로 대체하였다.
4GHz 도플러 레이다를 RFID 기능을 갖도록 변형하여 구성하였다^[8]. 특히 RFID 리더는 PC에 연결하여 리더 내에 내장된 Atmega128 마이컴을 통해 리더 내부의 PLL을 구동함으로써 임의로 주파수를 가변할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

4GHz WiFi 안테나가 연결된 제작사진을 보여준다. 그림 4(a)와 같이 태그의 정보에 따라 부하임피던스를 조절하기 위하여 Peregrine Semiconductor사의 PE4244 SPDT 스위치를 사용하여 PCB를 제작하였다. RF스위치의 제어는 외부포트를 통해 태그의 정보가 입력되면 그 정보에 따라 부하 임피던스가 조절된다.
일반적으로 상용 RFID 리더의 경우, 주파수 호핑 기능이 있으나, 사용자가 펌웨어를 임의로 조정하여 호핑 주파수 및 호핑 시간을 조정하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 2.4 GHz에서 동작하는 RFID 리더와 태그 시제품을 직접 제작하였다.

이론/모형

455 GHz의 궤적(5 MHz 주파수 차이가 날 경우)을 비교하면 주파수차가 2배가 될 경우 위상차 역시 2배가 됨을 알 수 있다. 정밀한 위상 차이는 MATLAB에서 간단한 위상추출 알고리즘을 사용하여 위상을 구하였다^[9]. 이를 통해 주파수 차이에 따른 위상차 정보를 이용하여 계산한 거리는 표 1과 같다.

성능/효과

다음으로 거리를 15 cm로 가변한 후 동일한 실험을 반복하였다 그림 6(b)와 같이 거리가 늘어남에 따라 I신호와 Q신호의 크기는 작아져 15 cm 이상에서는 관찰이 어려우므로 15 cm와 10 cm 만을 비교하였다. 본 실험에서는 0 dBm으로 송신하여 15 cm 떨어진 태그에서 역산란된 신호를 인식하였으나, 실제 기술기준에 따르면 2.4 GHz의 경우 300 mW, RFID/USN 대역의 경우 1W 까지 안테나 공급전력이 가능하므로 실제 상용화할 경우 수 m까지 가능할 것으로 판단된다.
이를 통해 RFID 리더의 주파수 차이에 따라 발생하는 위상차 정보로부터 태그와의 거리를 정확히 파악할 수 있음을 확인하였다. 본 제안 기술을 활용하면 타이어 공장의 태그 인식에 활용할 경우, 가까이 있는 타이어에 부착된 태그의 신호와 거리가 먼 타이어에 부착된 태그의 신호를 구분하는 것이 가능하다. 따라서 배열안테나를 이용한 빔포밍 기술이나 빔폭이 좁은 고이득 안테나를 사용하지 않고도 특정위치의 태그만을 인식할 수있는 가상의 빔포밍 기능을 갖는 RFID 시스템을 구성할 수 있다.
즉, RFID 리더의 중심주파수를 f₁에서 f₂로 가변하고, 이에 따른 위상 변화를 측정하여 리더와 태그와의 거리를 계산할 수 있다. 이를 바탕으로 특정 거리 범위에 위치한 태그만을 인식할 수 있는 새로운 RFID 시스템을 구현하는 것이 가능하다.
4 GHz RFID 시스템을 실제 제작하여 실험적으로 검증하였다. 이를 통해 RFID 리더의 주파수 차이에 따라 발생하는 위상차 정보로부터 태그와의 거리를 정확히 파악할 수 있음을 확인하였다. 본 제안 기술을 활용하면 타이어 공장의 태그 인식에 활용할 경우, 가까이 있는 타이어에 부착된 태그의 신호와 거리가 먼 타이어에 부착된 태그의 신호를 구분하는 것이 가능하다.
이와 동일한 방법으로 태그와 리더 사이의 거리를 15 cm로 고정하여 반복 실험하였으며, 그 결과 또한 표 1에서 확인할 수 있다. 표에서 알 수 있듯이 본 논문에서 제안한 주파수 가변에 따른 위상변화를 이용하여 RFID 태그의 위치를 정확히 인식하는 것이 가능함을 확인하였다.

후속연구

따라서 배열안테나를 이용한 빔포밍 기술이나 빔폭이 좁은 고이득 안테나를 사용하지 않고도 특정위치의 태그만을 인식할 수있는 가상의 빔포밍 기능을 갖는 RFID 시스템을 구성할 수 있다. 그 외에도 특정한 거리의 태그만을 인식할 필요가 있는 유통․물류 등 다양한 RFID 응용 분야에 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 단, 실제 RFID 리더에 위상검출 기능을 추가하여야 하며, 실제 생산 공장 적용 시 발생하는 다양한 영향, 예를 들어 타이어 부착위치, 이동하는 태그에 의해 발생하는 도플러 편이 등 실제 환경을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
그 외에도 특정한 거리의 태그만을 인식할 필요가 있는 유통․물류 등 다양한 RFID 응용 분야에 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 단, 실제 RFID 리더에 위상검출 기능을 추가하여야 하며, 실제 생산 공장 적용 시 발생하는 다양한 영향, 예를 들어 타이어 부착위치, 이동하는 태그에 의해 발생하는 도플러 편이 등 실제 환경을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RFID 리더 안테나의 한계는?	이를 극복하기 위해서는 RFID 리더 안테나가 특정방향으로만 방사패턴을 갖도록 하는 것이 필요한데, UHF 대역의 긴 파장으로 인해 안테나 크기가 커진다는 단점이 있다. 예를 들어 참고문헌 [3]에서는 반파장 떨어진 안테나 2개와 하이브리드를 이용한 모노펄스 기능의 RFID 리더가 제안된 바 있다.
	UHF 및 초고주파 대역의 RFID의 특징은?	UHF 및 초고주파 대역의 RFID 시스템은 13.56 MHz 대역 RFID에 비해 RFID 리더 전방 수 m 반경 안에 위치한 복수 개의 태그 정보를 역산란 방식으로 읽을 수 있어 유통 물류 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 하지만 반경이 넓으면서 특정한 위치에 있는 태그만을 인식하는 응용분야에서는 태그의 위치 센싱이 어려워 적용에 어려움이 있다.
	태그와의 거리를 센싱하는 새로운 방법이 가지는 기대 효과는?	본 제안 기술을 활용하면 타이어 공장의 태그 인식에 활용할 경우, 가까이 있는 타이어에 부착된 태그의 신호와 거리가 먼 타이어에 부착된 태그의 신호를 구분하는 것이 가능하다. 따라서 배열안테나를 이용한 빔포밍 기술이나 빔폭이 좁은 고이득 안테나를 사용하지 않고도 특정위치의 태그만을 인식할 수 있는 가상의 빔포밍 기능을 갖는 RFID 시스템을 구성할 수 있다. 그 외에도 특정한 거리의 태그만을 인식할 필요 가 있는 유통․물류 등 다양한 RFID 응용 분야에 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 단, 실제 RFID 리더에 위상검출 기능을 추가하여야 하며, 실제 생산 공장 적용 시 발생 하는 다양한 영향, 예를 들어 타이어 부착위치, 이동하는 태그에 의해 발생하는 도플러 편이 등 실제 환경을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

참고문헌 (9)

M. D. Daniel, The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice, Amsterdam, Elsevier Newnes, 2008.
C. M. Park, H. Y. Jang, and J. H. Han, "What characteristics make an enterprise more proactive toward innovation? Case of adopting RFID at Kumho Tire in Korea," in 2016 IEEE International Conference on Management of Innovation and Technology (ICMIT), Bangkok, 2016, pp. 309-312.
T. Sakogawa, K. Aoki, and F. Kuroki, "A technique to narrow down radiation patterns of broad beam antenna operationally and its application to security gate to prevent shoplifting based on monopulse system," in 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP), Paris, 2017, pp. 1945-1948.
J. Huang, Y. Zhang, and S. Luo, "A simple estimator for localization of moving targets using dual-frequency radar with minimum system architecture," IEEE Sensors Letters, vol. 2, no. 1, p. 3500604, Mar. 2018.
C. Gu, J. Lien, "A two-tone radar sensor for concurrent detection of absolute distance and relative movement for gesture sensing," IEEE Sensors Letters, vol. 1, no. 3, p. 16865659, Jun. 2017.
장병준, 송호준, "UHF RFID 수신기의 위상 다이버시티 및 최적 I/Q 신호결합 방법에 관한 연구," 한국전자파학회논문지, 19(4), pp. 442-450, 2008년 4월.

원문보기 상세보기
B. Jang, H. Yoon, "Range correlation effect on the phase noise of an UHF RFID reader," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, no. 12, pp. 827-829, Dec. 2008.

상세보기
장병준, 박재형, 육종관, 문준호, 이경중, "하나의 원형편파 안테나와 PLL을 이용하여 소형이면서도 개선된 잡음 성능을 갖는 2.4 GHz 바이오 레이다 시스템," 한국전자파학회논문지, 20(12), pp. 1325-1332, 2009년 12월.
장병준, 장병준, "2.4 GHz 도플러 레이더의 주파수 조정을 통한 이동체 거리 센싱," 한국전자파학회논문지, 30(2), pp. 152-159, 2019년 2월.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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