Analysis of performance and interference effects in Radio Frequency IDentification systems

During the last years, the definition of “communication” has been rewritten by the viral diffusion of a class of devices which has been thought and created to open new and fast channels of interaction. The contraction they create on the space of communications is linked to a virtually instantaneous availability, so we all have access to anything, and in any place. Today, in this way, unimaginable amounts of information are transferred through wireless systems. With an image, we could say that the concept of voice has been amplified or even recreated: who could speak, now may go further, without even moving; moreover, inanimate objects have received the gift of speech. A virtual contracture of the world, in which anyone can talk and be listened to, by any other actor. In such a dimension, there must be a specific structured order, to make efficient this unique opportunity, and in this sense rules and strategies are necessary. The whole work describe in these pages is inserted in the context of non wired communications. On the whole and wide field of interest, recalling the image suggested, attention will be mainly focused on devices that give voice to otherwise inanimate things. We will talk about RFID systems, which are diffusing in many practical situations. A RFID system is a very complex system that compresses and synthesizes many fields of study, including signal processing, the design of radio frequency circuits and antennas, networks and information systems, etc.. Down more specifically, attention will be primarily focused on systems developed for large-scale applications, such as the management of inventories, or the supply chain. In this context, the most promising technology utilizes electromagnetic waves in the Ultra High Frequency (UHF) spectrum, and passive devices with no internal power supply. RFID is not a new technology, but it represents the maturity of a technology known since about seventy years. Despite of such an age, until the first of the nineties, the potential of technology in civil applications has not actually been experienced, and it came with the revolution in the supply chain and the perspective of continuous monitoring, tracking and localization. In recent years, RFID technology continues to evolve and change, in the direction of improving reliability and minimize risk of error. Along these pages, RFID UHF technology will be carefully analysed, paying particular attention to reliability issues still open, and all aspects and strategies that can help to improve performance. The effects of electromagnetic interference represent an innovative aspect of the work proposed. Because of the peculiar nature of RFID systems, disturbances on the communication channel can be interpreted from two points of view: as a random loss of function, still important and dangerous, and as voluntary noise. Knowledge of system behaviour in the presence of interfering agents is very important to assess risk situations and minimize consequences. The ultimate goal is to provide useful metrics to improve performance and increase the robustness of the RFID systems against interference, to designers of both hardware and protocols.

Nel corso degli ultimi anni, la definizione di comunicazione è stata riscritta con metodica cura dalla diffusione virale di una classe di dispositivi pensati e creati per aprire nuovi rapidissimi canali di interazione. La contrattura dello spazio delle comunicazioni che essi generano è legata a una disponibilità prati- camente istantanea, per cui ne abbiamo accesso tutti, e in qualsiasi luogo. Oggi, in questo modo, impensabili quantità di informazioni vengono trasferite at- traverso sistemi senza fili. Con una immagine, potremmo dire che è stato am- plificato o addirittura ricreato il concetto di voce: chi poteva parlare, ora può spingersi più in là, senza neppure muoversi; oggetti inanimati hanno ricevuto il dono della parola. Una contrattura virtuale del mondo, nel quale chiunque può parlare e farsi ascoltare, da qualsiasi altro attore. È naturale che deve esistere un ordine preciso e strutturato, per rendere fattiva questa straordinaria opportunità, e in questo senso si rendono necessarie regole e strategie. Il contesto nel quale si innesta il lavoro descritto in queste pagine, è proprio quelle delle comunicazioni non cablate. Di tutto il vasto campo di interesse, l’attenzione sarà concentrata principalmente sui dispositivi che, nel paragone proposto, danno voce a “cose” altrimenti inanimate. Si tratta dei sistemi di identificazione a radio frequenza (RFID), che, seppur lentamente, si stanno diffondendo a macchia d’olio in un gran numero di situazioni pratiche. Un sistema RFID è un sistema molto complesso che comprime e sintetizza numerosi campi di studio, tra i quali il processamento di segnali, la progettazione di circuiti a radio frequenza e di antenne, le reti e i sistemi informativi, ecc. Scendendo più nello specifico, l’attenzione sarà concentrata principalmente sui sistemi sviluppati per le applicazioni di larga scala, come ad esempio la gestione delle scorte di magazzino, o della catena di distribuzione, tra loro facilmente correlate. In questo contesto, i sistemi più promettenti sfruttano onde elettromagnetiche nello spettro UHF, e impiegano dispositivi passivi privi di circuiti interni di alimentazione. I sistemi RFID di oggi non costituiscono una tecnologia nuova, ma la vicina maturità di una tecnologia nota da almeno settanta anni. Nonostante questo, prima degli anni novanta non si è potuto sperimentare concretamente la potenzialità della tecnologia in ambiti civili, che è giunta con la rivoluzione della catena di distribuzione e la prospettiva del monitoraggio continuo, del tracciamento e della localizzazione. In questi anni, la tecnologia dei sistemi RFID continua a evolversi e cambiare, nella direzione di migliorare l’affidabilità e ridurre al minimo i rischi di errore. In queste pagine verrà analizzata con cura la tecnologia dei sistemi UHF, ponendo particolare attenzione ai problemi di affidabilità ancora aperti, e a tutti gli aspetti e le strategie che possono aiutare a migliorare le prestazioni. Un aspetto particolarmente innovativo del lavoro proposto riguarda lo studio sul campo degli effetti di interferenza elettromagnetica. Per la particolare natura dei sistemi RFID studiati, i disturbi del canale di comunicazione possono essere interpretati da due punti vista: sia in un’ottica di perdita di funzionalità casuale ma comunque importante e dannosa, sia in un’ottica di disturbo volontario. La conoscenza del comportamento del sistema in presenza di agenti di interferenza è molto importante al fine di valutare le situazioni di rischio e limitarne il più possibile le conseguenze. L’obiettivo finale è fornire ai progettisti dell’hardware e dei protocolli un insieme di metriche e indicazioni utili a migliorare le prestazioni e aumentare la robustezza dei sistemi RFID contro l’interferenza.