Les systèmes RFID UHF passifs et leur environnement

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1 Les systèmes RFID UHF passifs et leur environnement Anthony GHIOTTO 1, Tan-Phu VUONG 2, Smail TEDJINI 1 LCIS, Grenoble INP, Valence 1, IMEP-LAHC, Grenoble INP, Grenoble 2 Mots clés RFID UHF passive, Lecteur RFID, Antenne RFID, Régulation RFID La RFID UHF passive par ses principes physiques bien spécifiques pose de nombreux problèmes de conception et de déploiement liés à son environnement. 1. Introduction La RFID (Radio Frequency Identification) est une technique d identification qui utilise les ondes radio pour détecter des objets ou des êtres vivants. Elle constitue une avancée technologique qui révolutionne les méthodes d identification et de traçabilité qui sont parmi les préoccupations majeures du monde industriel. Les applications sont nombreuses et concernent entre autres : la logistique, la gestion des procédés industriels, la maintenance, le contrôle de flux, la lutte contre la contrefaçon, le contrôle d identité En tant qu outil d identification, elle est de plus en plus répandue et est amenée à remplacer le codebarres dans de nombreux domaines. Les systèmes RFID utilisent principalement quatre bandes de fréquence : 125 khz (bande BF, basses fréquences), 13,56 MHz (bande HF, hautes fréquences), MHz (bande UHF, ultra hautes fréquences) et 2,45 GHz (bande micro-onde). Une description de ces différentes technologies peut être consultée dans la référence [1]. Ces dernières années, un intérêt grandissant dans le domaine de l industrie et de la recherche est porté sur la technologie RFID UHF passive. Cette dernière présente une solution à très faible coût. Elle permet également d avoir un débit de données plus important (de l ordre de 200 kbit/s) et d atteindre une distance de lecture plus grande que les autres technologies RFID dites passives (de 3 à 10 m). Cet intérêt a permis la mise en place, dans la majeure partie du monde, de régulations et de normes industrielles permettant le développement du marché de cette technologie. Dans la première partie de ce document, une brève présentation de la technologie RFID UHF passive est exposée. Ensuite, une revue des principales problématiques spécifiques à la conception et au déploiement des systèmes RFID UHF passifs dans leur environnement, et plus particulièrement des tags RFID, est présentée. 2. La RFID UHF passive Un système RFID UHF passif, tel qu illustré sur la figure 1, est constitué de deux entités : un tag, permettant l identification d un objet ou d un être vivant auquel il est associé, et un lecteur. Un tag RFID UHF passif est constitué d une puce et d une antenne. Il est dit passif car il ne possède pas de source d énergie propre. Il est télé-alimenté en transformant l énergie électromagnétique rayonnée par le lecteur en énergie électrique continue nécessaire à l activation et au fonctionnement de sa puce (principe des rectennas). L adaptation entre l antenne et la puce à une impédance de valeur complexe (différente de l impédance 50 ohms conventionnelle) est critique. Elle permet de maximiser la puissance reçue par le circuit de la puce et ainsi, la distance de lecture d un tag [2]. Le tag reçoit des commandes du lecteur auxquelles il répond en modulant sa surface radar par une modulation de l impédance d entrée de la puce (figure 2). Cette opéra- L e s s e n t i e l S y n o p s i s Ce document présente les principales problématiques de la conception et du déploiement des systèmes d identification par radio fréquence (RFID, Radio Frequency IDentification) UHF passifs. Les développeurs de ces systèmes doivent prendre en compte les contraintes apportées par les régulations établies par les autorités publiques et les effets de l environnement. This article introduces the main problematic of the design and implementation of passive UHF RFID (Radio Frequency Identification) systems. Designers working on those systems have to take into account local regulation and environment effects. Juin/Juillet

2 Figure 1. Schéma illustrant un système RFID UHF passif. Figure 2. Schéma illustrant le principe de la modulation de l onde réfléchie d un tag RFID UHF passif. tion permet de moduler le signal réfléchi par son antenne et donc de transmettre des données [2]. La régulation régissant les systèmes RFID UHF dépend des autorités publiques. Ses objectifs sont de permettre l interopérabilité et la protection des données sensibles, de garantir les libertés, ainsi que de protéger la santé. Elle est cependant différente d un pays à l autre, ce qui ne facilite pas la mise en place d un système universel particulièrement intéressant pour la logistique dans le contexte de la mondialisation. Le tableau 1 présente en fonction de la région les spectres alloués à la RFID UHF passive [3]. Régions 1 (Europe) 2 (Amérique) 3 (Asie et Océanie) Spectres alloués à la RFID UHF passive 869,4 à 869,65 MHz 500 mw ERP - 10% DC 865 à 868 MHz 100 mw ERP - LBT 865,6 à 867,6 MHz 2 W ERP - LBT (10 canaux de 200 khz) 865,6 à 868 MHz 500 mw ERP - LBT 902 to 928 MHz 4 W EIRP - FHSS (80 canaux de 325 khz) Japon : 952 à 954 MHz 4 W EIRP Corée : 908,5 à 914 MHz 4 W EIRP Australie : 915 à 928 MHz 1 W EIRP Tableau 1. Spectres alloués à la RFID UHF passive en fonction de la région. La réglementation aux Etats-Unis est définie par la réglementation déterminée par la FCC (Federal Communication Commission). En Europe, la réglementation pour cette technologie est plus contraignante. Elle est définie par la réglementation déterminée par l ETSI (European Telecommunications Standards Institute) [5]. Elle stipule qu un lecteur doit opérer avec une puissance maximale de 2 W ERP (Effective Radiated Power), ou l équivalent de 3,2 W EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). D autre part, elle introduit la réglementation LBT (Listen Before Talk). Cette dernière signifie qu un lecteur RFID doit vérifier la présence d un autre signal dans sa sous-bande de transmission avant de pouvoir l utiliser. Cette contrainte a été apportée afin d éviter qu un tel système ne vienne perturber d autres systèmes opérant dans la même bande de fréquence. 3. Les systèmes RFID UHF passifs et leur environnement Dans ce chapitre, nous présentons les différentes problématiques liées à la conception et au déploiement des systèmes RFID UHF passifs. Nous nous intéressons à la fois au déploiement du système dans une première partie et aux tags RFID dans une seconde partie Le déploiement des systèmes RFID UHF passifs dans leur environnement Le déploiement des systèmes RFID est particulièrement intéressant du point de vue de la compatibilité électromagnétique. Il nécessite de réaliser dans un premier temps une analyse spectrale du site et de prendre en compte les interférences pouvant intervenir entre lecteurs L analyse spectrale de l environnement L implantation sur un site implique de réaliser une analyse spectrale afin de minimiser les interférences [7]. En effet, la RFID UHF opère dans la bande ISM (Industrial, Scientific and Medical), dans laquelle de très nombreux perturbateurs dont le GSM peuvent intervenir [6]. Cette mesure permet d identifier les sources perturbatrices et de prendre des précautions permettant de minimiser leurs effets sur les systèmes RFID. 2 Juin/Juillet 2009

3 L environnement multi-lecteurs Le tableau 2 détermine, à partir d un modèle adapté à la RFID et en considérant la régulation FCC, la distance minimale entre deux lecteurs en fonction de la distance d un tag [8]. On voit que, pour une distance entre un tag et un lecteur de 1 mètre, un lecteur situé à seulement moins de 29 mètres peut être une source d interférence. Distance du tag en m Distance entre lecteurs en m 1 28,7 2 76, ,5 Tableau 2. Effet de la distance du tag sur la distance minimale d interférence entre deux lecteurs face à face [8]. D autre part, le LBT en Europe demande des précautions particulières dans le déploiement des systèmes RFID [8]. La réglementation en Europe est plus contraignante, particulièrement dans un environnement multi-lecteurs. En effet, la réglementation de l ETSI définit un seuil de puissance pour le LBT, à partir duquel on peut déterminer la distance minimum entre deux lecteurs. Les résultats sont donnés dans le tableau 3 extrait de [8]. On voit donc que le LBT apporte une contrainte forte. ERP en dbw Seuil en dbw Distance entre lecteurs en m Jusqu à -10 < ,1 De -10 à -3 < De -3 à 3 < Tableau 3. Seuil en fonction de la puissance de transmission définie par le LBT et distance minimale d interférence correspondante entre deux lecteurs face à face [8]. La façon de prévenir le problème d interférence entre lecteurs dans un environnement multi-lecteurs est de réaliser leur synchronisation Les tags RFID UHF passifs dans leur environnement Bien qu étant un élément passif ne transmettant pas d onde radiofréquence, la conception d un tag RFID UHF passif doit prendre en compte les contraintes liées à son environnement. Tout d abord, un tag doit être opérationnel dans un environnement multi-tags. Il doit également être adapté à son environnement proche, et tout particulièrement à l objet auquel il est associé. Enfin, il doit être immunisé au mieux contre les décharges électrostatiques auxquelles il peut être contraint. Figure 3. Antenne dipôle RFID UHF conçue pour l identification d objets métalliques L environnement multi-tags Dans le processus d identification, plusieurs tags peuvent être présents dans le champ électromagnétique d un lecteur RFID. La collision entre les tags est évitée de manière générale par deux types d approches, toutes deux décrites dans [1] : les approches probabilistes basées sur le protocole ALHOA, qui permettent de réduire la probabilité de collision en faisant répondre les tags à des intervalles de temps différents ; les approches déterministes basées sur les protocoles à arbre de tri. Ce type de protocoles consiste à diviser les groupes de tags interrogés en sous-groupes jusqu à ce que tous les tags aient été identifiés L effet de l environnement Les tags RFID sont conçus pour être associés à des objets dont les propriétés électromagnétiques sont différentes et influent sur les propriétés du tag (adaptation de l antenne à la puce ). Ces caractéristiques doivent donc être prises en compte dès la conception des tags afin de minimiser les effets de l environnement et d optimiser les performances [9, 10]. Le tableau 4 illustre l effet sur la désadaptation d une antenne de type dipôle en fonction de la proximité d un plan métallique. On voit que la proximité d un plan conducteur détériore fortement l adaptation de l antenne. Le plan conducteur a pour effet de réduire l impédance de l antenne. Distance dipôle/plan métallique en mm Pertes d insertion en db -17, ,4 40-9,6 20-2,7 10-0,8 5-0,34 Tableau 4. Effet sur la désadaptation d une antenne dipôle en fonction de la proximité d un plan métallique infini (obtenue par simulation). Afin de s affranchir de ce problème, l influence d un plan conducteur localisé dans l environnement proche du tag demande sa prise en compte. La figure 3 illustre un exemple d antenne de tag RFID UHF de type dipôle conçue pour fonctionner à proximité d un plan conducteur [2]. Juin/Juillet

4 Figure 4. Modèle circuit équivalent du tag RFID pour l identification des objets métalliques. Le circuit électrique équivalent de ce tag est représenté sur la figure 4. Il est composé des éléments RLC équivalent de l antenne dipôle (R d, L d et C d ), du circuit équivalent de la puce RFID composée d une capacité et d une résistance en série (C s et R s ), et d un élément inductif (L s ) en série permettant de réaliser l adaptation de l antenne à la puce. En pratique, cette inductance d adaptation peut être implémentée par un méandre comme dans le cas de l exemple illustré sur la figure Immunité contre les décharges électrostatiques Enfin, [11] présente une étude sur l immunité contre les DES (décharges électrostatiques) des étiquettes RFID et la mise en place de tests. Cette étude montre la nécessité de procéder à ces tests et apporte des conclusions intéressantes sur les précautions à prendre au niveau de la conception des tags, et plus particulièrement de leurs antennes. Ainsi, les DES peuvent provoquer une baisse des performances, voire la destruction des tags RFID. Cette étude a montré que les antennes de tags possédant un plan de masse étaient moins susceptibles, et qu une résistance plus élevée du support physique de l antenne réduisait la susceptibilité des tags aux DES. 4. Conclusion Cet article a présenté les systèmes RFID UHF passifs et leur environnement. La première partie a consisté en une brève présentation de cette technologie, que les lecteurs pourront approfondir à travers [1, 2]. La seconde partie a traité les principales problématiques spécifiques à la conception et au déploiement des systèmes RFID UHF passifs dans leur environnement. Cette partie a abordé le déploiement de ces systèmes dans leur environnement, et notamment la problématique de l environnement multilecteurs. Elle s est également consacrée aux tags RFID UHF passifs. Elle a présenté les deux principales techniques d anticollision mises en œuvre dans les environnements multi-tags, la nécessité de la prise en compte de l environnement dans la conception de l antenne des tags (point détaillé dans [2]), et enfin les conclusions d une étude portant sur l immunité contre les décharges électrostatiques des tags. Références [1] K. Finkenzelle, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons, second edition, [2] A. Ghiotto, «Conception d antennes de tags RFID UHF, application à la réalisation par jet de matière», thèse de doctorat de l Institut polytechnique de Grenoble, 26 novembre [3] G. Dessenne, «La normalisation RFID», presented at the 19 th Int. Conf. on Hertzian Optic and Dielectrics, Valence, 5-7 September [4] Federal Communications Commission, Title 47, telecommunication, chapter 1, Part 15, radio frequency devices, 1 st October [5] ETSI EN V1.1.1, [6] C. Chantepy, «Mesures des tags RFID», presented at the 19 th Int. Conf. on Hertzian Optic and Dielectrics, Valence, 5-7 September [7] D. Arnaud-Cornos, T. Letertre, A. Diet, A. Azoulay, «Influence des ondes électromagnétiques sur les performances de systèmes RFID», 19 th Inter. Conf. on Hertzian Optic and Dielectrics, Valence, 5-7 September [8] K. Seong Leong, M. Leng Ng, P. H. Cole, Operational Considerations in Simulation and Deployment of RFID Systems, 17 th Int. Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, 27 February-3 March 2006, pp [9] D. Dobkin, S. Weigand, Environmental Effects on RFID Tag Antennas, IEEE MTT-S International microwave symposium, June [10] A. Ghiotto, S. F. Cantalice, T. P. Vuong, A. Pouzin, G. Fontgalland, S. Tedjini, Miniaturized Patch Antenna for the Radio Frequency Identification of Metallic Objects, Oral, IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2008), Atlanta, June [11] C. Bauer-Reich, R.M. Nelson, D. Vaselaar, The Effects of ESD in Multiple Testing Environments on Adhesives-Label RFID Tags, 2007 IEEE Inter. Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2007, 9-13 July 2007, pp Juin/Juillet 2009

5 L e s a u t e u r s Anthony Ghiotto vient de terminer sa thèse de doctorat à l Institut polytechnique de Grenoble. Ses travaux de recherche ont porté sur la conception d antennes de tags RFID UHF passifs et leur réalisation par un procédé d impression par jet de matière. Il les a réalisés au sein du laboratoire de conception et d intégration des systèmes localisés à Valence (Drôme). En 2008, ses travaux ont été récompensés par le prix de Young Scientist de l Union RadioScientifique Internationale (URSI). Tan-Phu Vuong, professeur des universités à l Institut polytechnique de Grenoble, enseigne à l école d ingénieurs de physique, électronique et matériaux (Phelma) du groupe Grenoble INP. Il effectue sa recherche au sein du laboratoire IMEP-LHAC. Il s intéresse à la modélisation en électromagnétisme, ainsi qu à la conception des circuits micro-ondes passifs et actifs. Actuellement, ses activités de recherche portent sur la conception, la miniaturisation et la caractérisation des antennes pour les objets communicants sans fils, tels que les téléphones mobiles, les systèmes RFID et les systèmes UWB. Il a dirigé 10 thèses de doctorat, est auteur/co-auteur de plus de 90 publications. Smail Tedjini, professeur à Grenoble-INP, est à l origine de plusieurs thèmes et équipes de recherche au sein des laboratoires IMEP et LCIS. Il est le fondateur du LCIS en 1996 et du groupe ORSYS. Ses activités ont concerné l opto et les radiofréquences, en particulier la RFID. Il a conduit de nombreux contrats de recherche publics et industriels. Il a dirigé 25 thèses de doctorat, est auteur/co-auteur de plus de 250 publications. Membre de plusieurs commissions et comités scientifiques, dont un groupe de l ISO pour la RFID. Il est Senior member IEEE, vice-président de IEEE Section France, vice-chairman de la commission D de l URSI. Juin/Juillet