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C. Angerer:
"Design and Exploration of Radio Frequency Identification Systems by Rapid Prototyping";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, R. Weigel; Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, 2010; oral examination: 08-16-2010.

In this thesis I describe the setup and design of a flexible rapid prototyping platform for RFID systems to provide an experimental verification environment for RFID systems, that allows their real-time exploration in distinct measurement setups. Furthermore, I
use this system to test the feasibility of novel signal processing algorithms for RFID reader receivers, which promise a performance increase to state-of-the-art-receivers.
Three different scenarios are considered:
1. In the first scenario, a single tag communicates with a single receive antenna reader. The performance of the optimal maximum likelihood sequence decoder is identified, and losses due to channel estimation and synchronisation are discussed. Due to the wide deviation from the nominal data rate in the uplink communication,
especially synchronisation shows to be a critical issue.
2. In the second scenario, the single tag communicates with a multiple receive antenna RFID reader. This multiple receive antenna system allows for mainly two advances: in a strong line of sight environment I demonstrate that a direction of arrival estimation of the tag signal is feasible, while for an environment with strong
multipath components, I propose a maximum ratio combining for diversity combining at the reader receiver. Hence, in the line of sight case I address localisation of RFID tags, while the diversity combining addresses the topic of reliability of the communication in a high fading environment.
3. Finally, in the third scenario multiple tags communicate with the reader simultaneously and generate a collision. Such collisions are modeled on the physical layer, and different receivers with either a single or multiple receive antennas are proposed to recover from a collision at the physical layer. Hence, the topic of throughput in multiple tag communications is addressed here, which is shown to
increase by a factor of 1.6 compared to the throughput of a conventional system, in the case a reader can recover from collisions of up to two tags. Moreover, performance tradeoffs regarding throughput, reliability and receiver complexity are shown.
For all three scenarios, models for the signal constellations at the reader receiver are developed and supported by measurement data. Implementation aspects of the receivers are discussed, and performance comparisons not only by means of simulations but also
by measurements are presented.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Aufbau und Design einer flexiblen Rapid Prototyping Umgebung für RFID Systeme. Diese Testumgebung erlaubt die experimentelle Evaluierung von RFID Systemen sowie deren Erforschung in Echtzeit in verschiedenen Versuchsanordnungen. Zusätzlich wird diese Testumgebung benutzt, um
neuartige Signalverarbeitungsalgorithmen für RFID Lesegeräte zu testen, welche eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Empfängern versprechen.
Drei verschiedene Szenarien werden in dieser Dissertation betrachtet:
1. Das erste Szenario behandelt die Kommunikation eines einzelnen RFID Tags mit dem Lesegerät. Die Effizienz des optimalen Maximum-Likelihood Empfängers wird gezeigt und Verluste durch Kanalschätzung und Synchronisation werden diskutiert. Wegen der großen Abweichung von der nominalen Datenrate in der Tag-Reader Kommunikation zeigt sich, dass Synchronisation den kritischsten Aspekt
im Empfängerdesign darstellt.
2. Im zweiten Szenario kommuniziert das RFID Tag mit einem Lesegerät mit mehreren Empfangsantennen. Das Verwenden mehrerer Empfangsantennen ermöglicht zwei Vorteile: Erstens zeigt die Dissertation, dass eine Richtungslokalisierung mit nur zwei Empfangsantennen am Lesegerät möglich ist, sofern der Übertragungskanal geringem Schwund ausgesetzt ist. Zweitens können mehrere Empfangsantennen in einer Umgebung, die stark von Mehrwegeausbreitung geprägt ist, für Diversitätsempfang benutzt werden. Dieses Szenario adressiert das wichtige Thema der
Zuverlässigkeit von RFID Systemen in Schwundkanälen.
3. In einem dritten Szenario wird die gleichzeitige Kommunikation eines Lesegeräts mit mehreren RFID Tags untersucht. Solche Signalkollisionen werden modelliert, und verschieden Empfängerstrukturen werden entwickelt, um die einzelnen Signalkomponenten der Kollision separieren zu können. Dieses Thema adressiert den Datendurchsatz in RFID Systemen. Es wird gezeigt, dass ein Lesegerät, welches Kollisionen von zwei Tags auflösen kann, eine Datendurchsatzerhöhung um den Faktor 1,6 erreicht. Die Leistungsfähigkeit der einzelnen Empfänger wird gezeigt.
Für alle drei Szenarios wurden Modelle von Signalkonstellationen im Basisband des Lesegeräts entwickelt, welche auch durch Messdaten unterstützt werden. Implementierungsaspekte werden diskutiert, und die Leistungsfähigkeit wird in Simulation und Messung verglichen.

RFID, Radio Frequency Identification, MIMO, Multiple Antennas, Rapid Prototyping, experimental evaluation, digital receiver, Maximal Ratio Combining, MRC, localisation, localization, DOA estimation, reader, collision recovery, signal processing

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_187386.pdf

Project Head Christoph Mecklenbräuker:
Christian Doppler Lab "Funktechnologien für nachhaltige Mobilität"