1 par Audrey Pouzin Sous la direction de : Prof. Tân-Phu Vuong (Directeur de thèse) Prof. Smail Tedjini (Co-directeur de thèse) M. Jacques Perdereau (Co-encadrant LNE) Soutenance de thèse - Valence, le 17 décembre 2009

Sommaire La technologie RFID : état de l’art Les paramètres fondamentaux des systèmes RFID Caractérisation des tags en milieu perturbé Automatisation du banc de mesure Conclusions et perspectives 2

LA TECHNOLOGIE RFID : ÉTAT DE L’ART 3

Présentation de la RFID RFID : Identification par Radiofréquences Communication basée sur l’échange d’ondes électromagnétiques Évolution des applications Militaire (Seconde guerre mondiale) Nucléaire (1970) Animal (1980) Grande distribution ( ) … de la production à la distribution 4

Principe de fonctionnement Antenne + Unité de contrôle Puce Antenne Packaging Liaison montante Liaison descendante Tag Station de base Energie + Informations Réponse du tag Système hôte 5

Les différents types de systèmes RFID Les systèmes RFID « classiques » Fréquences de fonctionnement LF (125 et 135 KHz)HF (13.56 MHz) UHF (de 860 à 960 MHz et de 2.4 à 2,45 GHz) Autres fréquences peu utilisées Alimentation du tagTag actifTag semi-actifTag passif 6

UHF Fonctionnement en champ lointain Champ électromagnétique rayonné Tag passif Pas de source d’énergie à bord Pas d’émetteur radiofréquence Les différents types de systèmes RFID Les systèmes RFID « classiques » Fréquences de fonctionnement UHF USA MHz Europe MHz Japon MHz Alimentation du tag Tag passif 7

Les systèmes RFID UHF passifs lecteur Z1 Tag Station de base Z2 Antenne Puce Onde incidente Signal re-rayonné Puissance transmise à la puce Notion de rétro-modulation 8

Pourquoi mesurer les caractéristiques physiques des systèmes RFID  Une multitude de solutions proposées Test du protocole de communication Bien normalisé et standardisé Bien mesuré  Performances physiques des lecteurs et des tags Absence de norme finalisée Tests propriétaires Critères d’évaluation non comparables Problématique 9

Réglementation Allocation de bandes de fréquences spécifiques à la RFID Limitation de la puissance d’émission Normalisation ISO ISO : Méthodes d’essai de performance des tags Réglementation et normalisation ISO : Paramètres de communication d’une interface d’air à MHz Norme Internationale définissant les protocoles de communication possibles 2 types : A et B 1er amendement Extension avec type C et mise à jour des types A et B 2010 Demande de modification Date limite du vote en janvier 2010 Publication ISO ??? TR : Méthodes d’essai de performance de dispositifs RFID Rapport technique définissant quelques paramètres liés à la performance du système global (lecteur+tag) ISO Transformée en IS Séparée en 3 parties Date limite du vote en janvier 2010 Publication ISO et ISO ???

Normalisation concernant le tag Beaucoup de paramètres identifiés Etapes de mesure proposées Pas d’information sur les moyens et les méthodes de mesure Environnement, Support, Appareils, Calibration Formules, Incertitudes Outils propriétaires Solutions « clé en main » Apparaissent en milieu 2007 Equipes de recherche University of Washington (Nikittin, Rao …) Tampere university of technology - Finland (Panttilä, Ukkonen, Raumonen …) … Bilan de l’existant sur la mesure de performance 11 Proposer une méthodologie de mesure simple et efficace

Côté fabricants Certification des tags et des lecteurs Conformance Performance Distinction par rapport à la concurrence Distinction par rapport à la concurrence Côté acheteurs/utilisateurs Aide à la décision Evaluation neutre et indépendante Limite la mise en place de pilotes dans les entreprises Gain de temps et d’argent Gain de temps et d’argent Objectifs à long terme 12

Une difficulté Caractérisation des lecteurs Méthodes classiques pour la mesure d’antennes. Caractérisation des tags « inlays »  Connexion impossible entre les appareils de mesure et la puce ou l’antenne du tag. Mise en place de méthodes de mesures sans contact après assemblage du tag. 13

LES PARAMETRES FONDAMENTAUX DES SYSTEMES RFID Paramètres du lecteur Paramètres du tag Évaluation des incertitudes de mesure 14

Caractérisation de l’antenne Coefficient de réflexion (Γ, BP et Z 11 ) Gain Caractérisation de l’intégralité du lecteur Spectre d’émission Paramètres du lecteur 15

Définition Représente l’adaptation entre l’impédance d’entrée de l’antenne l’impédance de la ligne de transmission Rôle de la mesure Déterminer la bande passante de l’antenne Bande étroite (sélective en fréquence) Bande large (multi bandes RFID) 1 er paramètre du lecteur : Γ, BP et Z11 16

Résultats de mesures Bande étroite Bande large BP = 18 MHz (2.1%) f r = 869 MHz Antenne sélective Bande RFID européenne BP = 123 MHz (13.6%) f r = 905 MHz Antenne bande large Toutes bandes RFID UHF 17 1 er paramètre du lecteur : Γ, BP et Z11

2 ème paramètre du lecteur : Gain Définition Pour l’IEEE : Prise en compte de l’efficacité de l’antenne (η) Gain réalisé : Prise en compte des pertes par adaptation ( |1- Γ |² ) Rôle de la mesure Déterminer le rayonnement de l’antenne En fonction de la fréquence En fonction de l’orientation 18

Dispositif de mesure Transfert de gain Résultats de mesures Antenne en émission d AST Chambre anéchoïque Axe 1 Axe 2 VNA Contrôleur de position Plan HPlan EObservations Antenne à polarisation linéaire Gain max = 11 dB Facteur de polarisation ~ 25 dB  Gain important dans une seule polarisation Antenne à double polarisation Gain max = 3 dB Facteur de polarisation ~ 3 dB  Gain plus faible mais identique en co et X-polarisation 19 2 ème paramètre du lecteur : Gain

Définition Caractérisation de l’ensemble du lecteur : antenne + UC Puissance EIRP pour chaque fréquence Rôle de la mesure Vérification que le lecteur répond à la réglementation (EN ) 3 ème paramètre du lecteur : Spectre d’émission Masque global sur la bande MHz Masque de chaque sous-bande MHz MHz MHz 868 MHz 20 dBm 100mW ERP 164mW EIRP 27 dBm 500mW ERP 820mW EIRP 33 dBm 2W ERP 3.28W EIRP 200 KHz 0dBc -30dBc -36dBc Sous-bande choisie pour la communication Sous-bande adjacente haute Sous-bande adjacente basse f p est la fréquence porteuse du signal émis par le lecteur 20

Dispositif de mesure Résultats de mesures Antenne de référence d Antenne du lecteur Chambre anéchoïque RTSA (Analyseur de spectre temps réel) UC lecteur Masque de chaque sous-bande Gabarit ETSI Masque global sur la bande MHz 21 3 ème paramètre du lecteur : Spectre d’émission

Paramètres du tag 22 Surface équivalente radar (σ) Distance maximale d’activation (D max ) Surface équivalente radar différentielle (Δσ)

Préambule Quelles relations entre les caractéristiques du tag et les paramètres mesurés ? Tag P Tag = S i. A e tag Lecteur Station de base Station de base Z Densité de puissance incidente S i 23

24Préambule Puce ZaZa ZcZc P Tag Coefficient de réflexion modifié Quelles relations entre les caractéristiques du tag et les paramètres mesurés ?

25Préambule σ et Δσ D max Puce P Tag P puce P reflex P re-ray Coefficient de re-rayonnement Coefficient de transmission Quelles relations entre les caractéristiques du tag et les paramètres mesurés ?

Configuration mono-statique 1 antenne commune Tx/Rx 26 Configuration bi-statique ou mono-statique ? Métal G (90°) G (180°) G (-90°) G (0°) G (180°) G (90°) Mesures en bi-statique biaisées lorsque le diagramme n’est pas omnidirectionnel Diagramme non omnidirectionnel Diagramme de rayonnement omnidirectionnel Configuration bi-statique 2 antennes séparées Tx/Rx Tx Rx Tx Rx Bi-statiqueMono-statique Désadaptation antenne (Γ) -20 dB Couplage entre antennes -30 dBX Isolation circulateur S21 X-1 dB Isolation circulateur S32 X-1 dB Isolation circulateur S31 X-25 dB Isolation Tx/Rx -30 dB-22 dB Rapport Signal/Bruit -30 dB-21 dB Meilleur isolation en bi-statique

27 1 er paramètre du tag : Surface équivalente radar (σ) Définition Capacité du tag à réfléchir une onde incidente Rôle de la mesure Déterminer le rayonnement du tag En fonction de la fréquence –Fréquence de résonnance du tag –Bande de fonctionnement En fonction de l’orientation –Polarisation de l’antenne –Diagramme de rayonnement de l’antenne Coefficient de re-rayonnement (K)

Dispositif de mesure Mesure simple et rapide Equation de la surface équivalente radar en fonction des composants du banc Prise en compte du bruit ambiant 28 Antenne De référence d Chambre anéchoïque Axe 1 Axe 2 VNA Contrôleur de position Tag Contribution du tag seul Mesure en présence du tag Mesure de référence Chambre vide Mesure de référence Chambre vide 1 er paramètre du tag : Surface équivalente radar (σ)

Lot non homogène Lot homogène Test sur lots 29 1 er paramètre du tag : Surface équivalente radar (σ) Résultats de mesures En fonction de la fréquence Bande de fonctionnement

Résultats de mesures En fonction de l’orientation 30 Co-polarisation DogBone Frog Co-polarisation 1 er paramètre du tag : Surface équivalente radar (σ)

31 2 ème paramètre du tag : Distance d’activation (D max ) Dispositif de mesure Communication tag ↔ lecteur Configuration mono-statique Recherche de la puissance minimale permettant l’activation du tag Antenne de référence d Tag Chambre anéchoïque RTSA (Analyseur de spectre temps réel) Générateur arbitraire Circulateur P 1 <P seuil P 2 > P seuil

32 Cheminement P seuil : Puissance minimum d’activation Dépend de la distance tag ↔ lecteur E seuil : Champ électrique minimum d’activation Indépendant de tout paramètre D max : Distance maximum d’activation Dépend de la puissance EIRP maximale autorisée 2 ème paramètre du tag : Distance d’activation (D max )

33 Résultats de mesures En fonction de l’orientation Mesure de D max pas à pas Déduction à partir du diagramme de rayonnement et d’une seule mesure de D max Plan H Plan E 2 ème paramètre du tag : Distance d’activation (D max )

34 3 ème paramètre du tag : Surface radar différentielle (Δσ) Définition Variation de la surface équivalente radar du tag entre les deux états de modulation Rôle de la mesure Déterminer la qualité de la modulation du lien descendant (du tag vers le lecteur) En fonction de la puissance En fonction de la fréquence

35 Méthode de calcul Grandeur mesurée en tension avec Résultats de mesures En fonction de la puissance En fonction de la fréquence Avec 3 ème paramètre du tag : Surface radar différentielle (Δσ)

Définition Méthodologie d’évaluation Application aux paramètres du tag Évaluation des incertitudes de mesure 36

Évaluation des incertitudes de mesure Incertitude de mesure Paramètre associé au résultat d’une mesure qui caractérise l’étendue des valeurs dans laquelle se situe la vraie valeur de la grandeur mesurée. Indication quantitative de la qualité de la mesure Sans cette indication des résultats de mesure ne peuvent pas être comparés Ni entre eux Ni avec des valeurs de référence La méthode d’évaluation et l’expression des incertitudes de mesure doivent être uniformes pour que les mesures soient comparables. 37

Méthodologie d’évaluation et d’expression des incertitudes de mesure Modélisation de la mesure Définition du mesurande : Y Expression du model mathématique : Y=f(X 1,X 2, …, X n ) Evaluation de l’incertitude type de chaque grandeur d’entrée Incertitude : u(x i ) Méthode utilisée pour obtenir l’incertitude : loi de distribution Détermination de l’incertitude type composée du résultat Calcul de la variance de chaque incertitude : u²(x i ) Calcul de la variance composée : u c ²(y)=∑ u²(x i ) Calcul de l’incertitude type composée : u c (y) Expression du résultat Calcul de l’incertitude élargie (éventuel) : U= k.u c (y) Évaluation des incertitudes de mesure 38

39 Exemple de D max Définition du mesurande, expression du modèle Grandeurs d’entrée indépendantes donc Passage sous forme logarithmique –Facilite le calcul des dérivées partielles –Majorité des incertitudes types des grandeurs d’entrée données en dB 17,3636 %soit en % 1,3907 dBIncertitude étendue avec un facteur k=2 U (y) 0,6953 incertitude composée u c (y) 0,4835 variance composée u c ²(y) 0,35920,5993U10,84757d 0,00020,015rectangle0,06 0,05330,2309rectangle0,50,8 0,00050,0231rectangle10,04 0,06250,252normale k=20,51 0,00250,052normale k=2 0,5 0,2 0,00520,0722rectangle0,50,25 Variance u²(x i ) Incertitude type u(x i ) (en dB) Facteur de division Loi de distribution Coefficient de sensibilité Valeur de l’incertitude U(x i ) (en dB) Dénomination des valeurs d’entrée X i où Évaluation des incertitudes de mesure Coefficient de sensibilité

40 Exemple de D max Evaluation de l’incertitude de chaque grandeur d’entrée Lois de distribution usuelles –Loi normale si x i est estimée à partir d’une spécification du fabriquant, d’un certificat d’étalonnage, d’une publication … –Loi uniforme (rectangle) si seules les limites de l’intervalle d’incertitude sont données et si aucune précision n’est donnée sur la répartition de X i dans cet intervalle. –Loi dérivée d’arc sinus (en forme de U) si x i est estimé a priori. Détermination de l’incertitude type composée du résultat Expression du résultat 17,3636 %soit en % 1,3907 dBIncertitude élargie avec un facteur k=2 U (y) 0,6953 incertitude composée u c (y) 0,4835 variance composée u c ²(y) 0,35920,5993U10,84757d 0,00020,015rectangle0,06 0,05330,2309rectangle0,50,8 0,00050,0231rectangle10,04 0,06250,252normale k=20,51 0,00250,052normale k=20,50,2 0,00520,0722 rectangle 0,5 0,25 Variance u²(x i ) Incertitude type u(x i ) (en dB) Facteur de division Loi de distribution Coefficient de sensibilité Valeur de l’incertitude U(x i ) (en dB) Dénomination des valeurs d’entrée X i Évaluation des incertitudes de mesure

41 Pour un niveau de confiance proche de 95 % ( soit un facteur d’élargissement k=2 ) Mise en évidence de l’importance de l’incertitude associée au résultat de la mesure A prendre en compte lors d’essais comparatifs Valeur de l’incertitude surEn dBEn % σ % D max % ΔσΔσ % Évaluation des incertitudes de mesure

42 CARACTERISATION DES TAGS EN MILIEU PERTUBÉ Les supports perturbateurs Simulations Résultats de mesure

Les supports Objets de la vie courante Échantillons de matériaux 43 Caractérisation des tags en milieu perturbé Désignation Dimensions lxLxh (mm) Permittivité Pertes diélectriques PTFE (RT-Duroid)20x20x102,120,002 PC20x20x103,23NC PET20x20x103,680,021 PU/PUR20x20x104,10,02 CARP20x20x105,87NC

Distance de lecture limitée soit En liaison montante En liaison descendante En fonction de la distance En fonction de la fréquence En fonction de la distance En fonction de l’orientation En fonction de la fréquence 44 Tags en milieu perturbé : Simulations

45 Mesures de D max en fonction de la distance entre le tag et le support D max oscille autour de la valeur obtenue en espace libre Amplitude des oscillations dépend de la surface Cas du diélectrique Zones constructives et destructives variables en fonction de d et de Interférence constructive pour Interférence destructive pour Tags en milieu perturbé : Mesures DésignationPermittivité PTFE (RT-Duroid)2,12 PET3,68 CARP5,87

Mesures de D max en fonction de la fréquence Cas d’un matériau conducteur Pas de variation de la fréquence de résonnance Cas des diélectriques Fréquence de résonnance décalée vers le bas quand la permittivité augmente 46 DésignationPermittivité PTFE (RT-Duroid)2,12 PET3,68 CARP5,87 Tags en milieu perturbé : Mesures

47 AUTOMATISATION DU BANC DE MESURE Configuration du banc de mesure Programmes développés Bilan

48 Automatisation du banc de mesure Les problèmes à résoudre Pertes de temps : paramétrage des appareils et saisie des résultats Demande de compétences spécifiques sur la RFID pour faire une mesure L’automatisation est un outil qui Evite de mener des opérations répétitives Permet des tests impossibles à mener à la main Procédures d’essais complexes difficiles ou lourdes à exécuter sans automatisation Test un plus grand nombre de combinaisons de paramètres Optimisation de la durée du test : Plus de tests en moins de temps ou tests plus précis dans le même temps Fourni des tests de meilleur qualité et reproductibles Limitation des erreurs de l’opérateur Procédure reproduite à l’identique

49 Configuration du banc de mesure Liaison entre les appareils et l’ordinateur GPIB-GPIB GPIB-USB Synchronisation des horloges Déclanchement par événement Antenne de référence d Tag RTSA Générateur arbitraire Synchro Event Interface logicielle

50 Programme de mesure de D max f=F min P=P min Réglage amplitude générateur et analyseur Réglage fréquence générateur et analyseur P seuil trouvée? P=P+ ΔP f=f+ΔF f=F max ? NON OUI FIN NON Acquisition/Analyse signal Détermination de l’état du tag OUI A la main Long et répétitif Analyse visuelle sur l’écran du RTSA Automatique Facilité Difficile à implémenter avec des fonctions logiques Fonction 1 : Détermination de l’état du tag de façon automatique Fonction 2 : Recherche de la puissance d’activation

51 Programme de mesure de D max Fonction 1 : Détermination de l’état du tag 1 ère méthode : analyse de la réponse du tag sous sa forme temporelle Ref = moyenne+cst Tag actif Ref = moyenne+cst … … … … … … … … … … 0 Tag inactif Problème lorsque le rapport Signal/Bruit est trop faible Ref = moyenne+cst Pour dépasser le seuil de bruit Tag actif Tag inactif

52 Fonction 1 : Détermination de l’état du tag 2 nde méthode : analyse de la réponse du tag sous sa forme fréquentielle Répartition du bruit sur l’ensemble des fréquences Application d’une fenêtre de pondération (Blackman-Harris) Principe de la méthode spectrale Comparaison des deux méthodes Programme de mesure de D max

53 Fonction 2 : Recherche de la puissance minimum d’activation Manuellement : recherche empirique Automatique : recherche par dichotomie Temps de recherche de la puissance d’activation pour chaque fréquence pour ΔP = 0.1 dB ManuellementAutomatique non optimisé Automatique optimisé 5 minutes3.2 min1.2 min Programme de mesure de D max

Déterminer les niveaux des signaux I ref, Q ref, I 0/1 et Q 0/1 54 FIN P=P min Réglage amplitude générateur et analyseur Réglage fréquence générateur et analyseur P=P+ΔP P=P max ? NON OUI Mesures sans tag I ref et Q ref Mesures avec tag I 0, I 1, Q 0 et Q 1 A la main Estimation visuelle du niveau des signaux Pour éviter la dérive temporelle, mesures « simultanées » avec et sans tag pour chaque puissance Autant de manipulations du tag que de puissances testées FIN P=P min Réglage amplitude Réglage fréquence générateur et analyseur P=P+ΔP P=P max ? OUI Mesures sans tag I ref et Q ref Mesures avec tag I 0, I 1, Q 0 et Q 1 P=P max ? NON P=P+ΔP NON Réglage amplitude P=P min OUI Une seule manipulation du tag Automatique Mesure sans tag pour toutes les puissances Mesure avec tag pour toutes les puissances Programme de mesure de ∆σ Positionner le tag dans la chambre

Déterminer les niveaux hauts et bas de la modulation Niveau logique 0 Niveau du signal continu Niveau bas du signal 1 ére méthode : identification des niveaux à partir du 1 er point de l’acquisition 2 nde méthode : identification des niveaux à partir de la moyenne du signal continu Problème lorsque le rapport Signal/Bruit est trop faible 55 Premier point > moyenne mais  niveau bas Premier point > moyenne et  niveau haut Niveau 0 Programme de mesure de ∆σ

56 Interface utilisateur Video

57 Bilan des améliorations Gain de temps : plusieurs heures à quelques minutes Paramétrage des appareils Lecture des résultats Mesures reproductibles car indépendantes de l’utilisateur Minimum de manipulations des appareils et des tags Le logiciel reproduit à l’identique la même procédure de test Meilleure qualité des mesures Pas d’interprétation sur les résultats Niveaux des signaux calculés par le logiciel Pas de compétences spécifiques en RFID pour faire une mesure Génération automatique de rapports standardisés

58 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

59 Conclusions et perspectives Synthèse Contexte normatif et applicatif de la RFID Identification des paramètres spécifiques mesurables liés aux systèmes RFID Protocole de mesure établi Etude de l’influence de l’environnement Automatisation du banc de mesure

60 Conclusions et perspectives Perspectives Poursuivre l’automatisation du banc Contrôle des axes tournant et du VNA Génération des requêtes Soumettre le système à d’autres contraintes d’environnement Mécaniques / climatiques / CEM … Evoluer vers les nouvelles technologies RFID Adaptation du banc (tags semi-actifs, actifs, avec capteur, sans puce …) Procédure totalement différente (champ proche, Térahertz … ) sur la même interface