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J. Kaitovic:
"Collision Recovery Receivers for RFIDs";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, J. Vales Alonso; Institute of telecommunications, 2015; oral examination: 12-11-2015.

Radio Frequency Identification (RFID) is a very fast emerging technology that wirelessly
transmits the identity of a tag attached to an object or a person. It usually operates in
a dense tag environment. My work is focused on passive Ultra High Frequency (UHF)
tags whose transmission on the Medium Access Control (MAC) layer is scheduled by
Framed Slotted Aloha (FSA).
In this thesis, I propose the use of multiple antennas at the reader side in order to
recover from collision. By exploiting the fact that a tag signal is real-valued while all
other components of a received signal are complexed-valued, I have separated real and
imaginary part and in that way I have achieved a recovery from a collision that contains a
two times higher number of tags than the number of the receive antennas at the reader,
under perfect channel knowledge.
Furthermore, I have recommended a modification of a tag signal by an additional part
that is specially designed to facilitate channel estimation. The recommended method
provides excellent results in comparison to perfect channel knowledge. However, due to
the constrained set of the designed sequences, a new issue arised. I have investigated
the distribution of the additional sequence set within a tag population and depending on
that, I have studied different collision scenarios. I have proposed a two phase collision
recovery method that takes out all tags with a unique sequence per slot and if there is
just one pair of tags with a common sequence left, such collision is resolved by projecting
the signal constellation into the orthogonal subspace of the interference. The proposed
method improves collision recovery and further increases the system throughput.
Moreover, in this thesis I have studied the influence of several parameters on the system
throughput, and I have found the maxima of the theoretically expected throughput for
receivers with different collision recovery factors and for different receiver architectures.
Furthermore, in order to approach to the theoretical maxima, I have proposed spatial
filtering in postprocessing. The main intention is to focus separately on different groups
of tags by applying different weights within sector postprocessing. In that way tag
signals are attenuated or amplified depending on the angle of arrival. I have designed a
simple beamformer with the weights modelled by an FFT algorithm and a more complex
beamformer with an eigenfilter design. The obtained results show that the reader has
become more robust.
Additionally, I have derived a semi-analytical formula for calculating the optimal frame
size. This formula incorporates properties of the spatial filter and throughput characteristics.
In this way, further optimization of frame lengths is achieved. Furthermore, I have pointed out what modifications in the protocols are required in order to benefit
from collision recovery and I have proposed two acknowledgement schemes, applicable
for collision scenarios. I have calculated the time necessary to successfully read tags
from the reader´s area. In these calculations I have taken into account the complete
read out process, and the modified slot durations. The obtained results demonstrate
that the proposed multiantenna collision recovery reader identifies tags in significantly
shorter time which is of a great importance for time-sensitive applications.

Radio Frequency Identification (RFID) ist eine neue Technologie welche es erlaubt, die
Identität eines Chips (Tag), das an einem Objekt oder einer Person befestigt ist, über
Funk zu übertragen. In meiner Arbeit fokussiere ich mich auf Ultra High Frequency
(UHF) Tags, deren Übertragung in der Medium Access Control Schicht (MAC) durch
ein sogenanntes Frame Slottet Aloha (FSA) zugeordnet wird.
In dieser Dissertation schlage ich vor, mehrfache Antennen beim Lesegerät (Reader)
zu verwenden, um Kollisionen aufzulösen. Durch Ausnutzen der Tatsache, dass ein
Tagsignal reellwertig ist, während alle anderen Signalkomponenten komplexwertig sind,
teile ich die Signale in ihren Real- und Imaginärteil auf, wodurch ich Kollisionen unter
perfekter Kanalkenntnis auflösen kann, die zweimal so viele Tags enthalten wie Empfangsantennen
am Reader vorhanden sind.
Weiters habe ich eine Modifikation der Tagsignale empfohlen, indem ein spezieller Anteil
hinzugefügt wird, der die Kanalschätzung erleichtert. Die von mir empfohlene
Methode weist exzellente Ergebnisse unter perfekter Kanalkenntnis auf. Allerdings
entsteht durch die beschränkte Menge von erzeugten Sequenzen ein neues Problem.
Ich habe die Verteilung der zusätzlichen Sequenzen in der Tagpopulation analysiert und
darauf basierend habe ich unterschiedliche Kollisionssituationen untersucht. Ich habe
eine zweistufige Kollisionsvermeidung vorgeschlagen, die zunächst alle Tags mit einfach
auftretender Sequenz per Slot entfernt. Bei auftretenden Paaren von gleichen Sequenzen
wird die Kollision durch Projektion in den orthogonalen Unterraum der Interferenz
aufgel¨ost. Die vorgeschlagene Methode verbessert die Kollisionsvermeidung und erhöht
weiterhin den Durchsatz des Systems.
Daruber hinaus habe ich in dieser Arbeit den Einfluss verschiedener Parameter auf den
Durchsatz untersucht und fand das Maximum des theoretisch erwarteten Durchsatzes
für Empfänger mit verschiedenen Kollisionsvermeidungsfaktoren und unterschiedlichen
Empfängerarchitekturen. Weiters habe ich die Verwendung von zus¨atzlichen Ortsfiltern
vorgeschlagen, um noch näher an die theoretisch vorausgesagten Maxima zu gelangen.
Die wesentliche Idee besteht darin, sich auf verschiedene Taggruppen durch unterschiedliche
sektorielle Antennengewichte zu fokussieren. Auf diese Weise werden
Tagsignale verstärkt oder gedämpft, je nach Empfangswinkel. So habe ich einen einfachen
Beamformer per FFT und einen aufwendigeren durch Eigenfilter entwickelt. Die
dadurch erhaltenen Resultate zeigen, dass der Reader robuster wird.
Zus¨atzlich habe ich eine halb-analytische Formel hergeleitet mit der optimale Rahmenl
ängen berechnet werden können. Die Formel beinhaltet Eigenschaften der Raumfilter und der Durchsatzcharakteristika. Auf diesem Wege konnten weitere Optimierungen
erzielt werden. Darüber hinaus habe ich auf Modifikationen der Protokolle hingewiesen,
die nötig sind, um die Kollisionsvermeidung zu nutzen und zwei Acknowledgement
Schemata vorgeschlagen, die zur Kollisionsvermeidung Anwendung finden. Ich habe
die Zeit vorausgesagt, die notwendig ist, die Tags erfolgreich im Readerbereich zu lesen.
Dabei wurde der gesamte Leseprozess modelliert sowie auch die veränderten Slotlängen.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Mehrfachantennensysteme
zur Kollisionsvermeidung Tags in signifikant kürzerer Zeit identifizieren, was von großer
Wichtigkeit bei zeitkritischen Anwendungen ist.

RFID, Collision Recovery, FSA, Throughput Increase

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_243704.pdf