ISI Cancellation Using Blind Equalizer Based on DBC Model for MIMO-RFID Reader Reception

Under the dyadic backscatter channel (DBC) model, a conventional zero forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE) method for MIMO-RFID reader reception are not able to be rapidly cancelled inter-symbol interference (ISI) because of the error of postpreamble transmission. In order to achieve the ISI cancellation, the conventional method of ZF and MMSE are proposed to resolve a convergence rate without postpreamble by using a constant modulus algorithm (CMA). Depending on the cost function, the CMA is used which based on second order statistics to estimate the channel statement of channel transfer function. Furthermore, the multiple-tag detection is also considered under the assumption of the maximum likelihood estimation. The comparison of the conventional method and the proposed method is analyzed by using computer simulation and experimental data. We can see that the proposed method is better than the conventional method with a faster ISI cancelling and a lower bit error rate (BER) improving as up to 12 tags

High-frequency modulated-backscatter communication using multiple antennas

Backscatter radio - the broad class of systems that communicate using scattered electromagnetic waves - is the driving technology behind many compelling applications such as radio frequency identification (RFID) tags and passive sensors. These systems can be used in many ways including article tracking, position location, passive temperature sensors, passive data storage, and in many other systems which require information exchange between an interrogator and a small, low-cost transponder with little-to-no transponder power consumption. Although backscatter radio is maturing, such systems have limited communication range and reliability caused, in part, by multipath fading. The research presented in this dissertation investigates how multipath fading can be reduced using multiple antennas at the interrogator transmitter, interrogator receiver, and on the transponder, or RF tag. First, two link budgets for backscatter radio are presented and fading effects demonstrated through a realistic, 915 MHz, RFID-portal example. Each term in the link budget is explained and used to illuminate the propagation and high-frequency effects that influence RF tag operation. Second, analytic envelope distributions for the M x L x N, dyadic backscatter channel - the general channel in which a backscatter system with M transmitter, L RF tag, and N receiver antennas operates - are derived. The distributions show that multipath fading can be reduced using multiple-antenna RF tags and by using separate transmitter and receiver antenna arrays at the interrogator. These results are verified by fading measurements of the M x L x N, dyadic backscatter channel at 5.8 GHz - the center of the 5725-5850 MHz unlicensed industrial, scientific, and medical (ISM) frequency band that offers reduced antenna size, increased antenna gain, and, in some cases, reduced object attachment losses compared to the commonly used 902-928 MHz ISM band. Measurements were taken with a custom backscatter testbed and details of its design are provided. In the end, this dissertation presents both theory and measurements that demonstrate multipath fading reductions for backscatter-radio systems that use multiple antennas.Ph.D.Committee Chair: Durgin, Gregory; Committee Member: Ingram, Mary Ann; Committee Member: Nikitin, Pavel; Committee Member: Peterson, Andrew; Committee Member: Steffes, Pau

Design And Simulation For Encoded Pn-ofc Saw Sensor Systems

Surface acoustic wave (SAW) sensors provide versatility in that they can offer wireless, passive operation in numerous environments. Various SAW device embodiments may also be employed for retrieval of the sensed data. Single sensor systems typically use a single carrier frequency and a simple device embodiment since tagging is not required. However, it is necessary in a multi-sensor environment to both identify the sensor and retrieve the information. Overlapping sensor data signals in time and frequency present problems when attempting to collect the sensed data at the receiver. This dissertation defines a system simulation environment exclusive to SAW sensors. The major parameters associated with a multi-device system include the transmitter, the channel, and the receiver characteristics. These characteristics are studied for implementation into the simulation environment. A coupling of modes (COM) model for SAW devices is utilized as an accurate software representation of the various SAW devices. Measured device results are presented and compared with COM model predictions to verify performance of devices and system. Several coding techniques to alleviate code collisions and detection errors were investigated and evaluated. These specialized techniques apply the use of time, frequency, and spatial diversity to the devices. Utilizing these multiple-access techniques a multi-device system is realized. An optimal system based on coding technique, frequency of operation, range, and related parameters is presented. Funding for much of this work was provided through STTR contracts from NASA Kennedy Space Center

On Performance Evaluation And Enhancement Of Rfid Systems Complying With Iso 18000 3, Iso 18000-7 Standards

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Bu Yüksek Lisans Tezi iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, ISO 18000-3 ve ISO 18000-7 standartlarına uygun pasif ve aktif RFID sistemlerinin performans değerlendirmesini içermektedir. İkinci kısım ise, 18000-7 standardına uygun RFID sistemlerinin çoklu antenlerle başarım iyileştirilmesini içermektedir. Bu kısım ayrıca değişik sınırlı geri besleme metotlarının çoklu antenlerle birlikte etiket ve okuyucu tarafındaki detaylı karşılaştırmalarını da kapsamaktadır. Radyo frekans tanımlama (RFID) teknolojisi, kablosuz haberleşme alanında oldukça popüler olmaya başlamış ve birçok uygulama alanında yaygın bir şekilde dağılmıştır: temassız kredi kartları, e-pasaport, bilet sistemleri, giriş-çıkış kontrolleri, oyunlar, sağlık, ilaç, doküman ve basın yönetimi... Bu teknoloji, radyo dalgaları yardımıyla herhangi bir nesne ya da canlıyı tanımlama veya takip etmeyi kablosuz olarak sağlamaktadır. RFID sistemleri, kullandıkları frekans bantlarına göre üç gruba ayrılırlar: Düşük frekans (LF, 30-300 KHz), Yüksek Frekans (HF 3-30MHz) ve ultra yüksek frekans (UHF,300MHz-3GHz) / Mikrodalga (>3 GHz). RFID etiketleri ve okuyucuları birbirleriyle havadan haberleşirler. Haberleşme kanalının güvensiz olması ve hafif-siklet etiketlerin sınırlı kapasiteleri güvenlik ve mahremiyet açıklarına neden olur. Bir saldırgan etiketi taklit edebilir, izleyebilir, dinleyebilir veya DoS saldırısında bulunabilir. Bu açıklıklara ek olarak, bir etiket, bir düşman tarafından yaşam döngüsü boyunca farkedilememelidir. Eğer bir saldırgan bir etiketi tanıdıysa, artık onu kolayca takip de edebilir. Bu durumda, iki saldırı söz konusudur: (i) Bir saldırgan etiketin bütün geçmiş konuşmalarını deşifre edebilir veya (ii) gelecek konuşmalarında onu takip edebilir. Bu saldırılar sırasıyla geri dönük takip edilebilme ve ileriye dönük takip edilebilme atağı olarak adlandırılmaktadır. Litaratürde güvenlik ve mahremiyet sorunlarına çözüm olacak açık-anahtar şifreleme çözümleri bulunmaktadır, fakat bu çözümlerin hiçbir tanesi, sınırlı kapasiteleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılan hafif-siklet etiketler için uygun bir çözüm değildir. Bu yüzden, saldırganların sınırlı kapasitedeki etiketleri kandırmasını engellemek için çok sayıda hafi-siklet asıllama prokolleri önerilmiştir. Önemi artan güvenlik ve mahremiyet konuları genellikle yakın alan haberleşmelerinde kullanılan (kablosuz akıllı kartlar) HF RFID sistemleriyle ilgilidir. çünkü bu sistemler, birçok RFID uygulamalarında (e-pasaport, akıllı nüfus kartı, kredi kartları vb.) güvenlik ve mahremiyet gerektiren kişisel bilgileri saklamaktadır. Birçok araştırmacı, standartlara uygun olacak şekilde güvenlik ve mahremiyet problemlerine farklı protokol tasarımlarıyla çözümler sunmuşlardır. Bu protokollerin güvenlik ve mahremiyet konularındaki analizleri oldukça önemli olmasına rağmen, onların gerçek hayattaki verimlilikleri ise önem arz eden başka bir konudur. Maalesef, her bir yeni protokol tasarımının fiziksel olarak test edilebilmesi maliyet, zaman ve pratik uygulama açısından oldukça zordur. Protokollerin performansları, HF RFID uygulamalarının kalitesini etkilemektedir. Bu yüzden, farklı protokolleri değerlendirmek için birçok simülasyon ortamları geliştirilmiştir. Bunlardan hiçbiri kablosuz kanal etkisini göz önüne alacak şekilde protokollerin başarı sınırlarını göstermemiştir. Bu motivasyonla biz, bu tez çalışmasında PETRA simülasyon ortamına AWGN ve Rayleigh sönümlemeli kanal modellerini ekleyerek iyileştirmede bulunduk. Bu kanallarda haberleşen ISO/IEC 18000-3 standardına uygun olan RFID sistemlerindeki protokollerin performans sınırlarını gösterdik. Bu amaca yönelik olarak, güvenli ve mahrem bir kimlik tanıma protokolünü, yeni geliştirdiğimiz simülasyon ortamına uyguladık ve pasif RFID sistemlerin gerçek hayatta kullanılmadan önceki performans değerlendirmesini gözlemledik. Biz RFID protkollerinin en iyi başarıyı AWGN kanalı altında sergilediğini gösterdik. Bu başarım göstergesi bize aslında protokolün başarım üst sınırını vermektedir çünkü AWGN kanal kablosuz haberleşme ortamları içerisinde ideal kanal olarak kabul edilmektedir. Ayrıca, kablosuz kanalın etilerini göstermek için Petra simülasyon ortamının sonuçlarını ekledik. Bunun aynı sıra, Rayleigh sönümlemeli kanalda başarım sonuçlarını elde ettik. Bu sonuçlar ise bize RFID protokollerin başarım alt sınırını vermektedir çünkü Rayleigh sönümlemeli kanalın bozucu etikeleri AWGN kanalına göre daha çoktur ve en kötü kanal yapılarında birisidir. AWGN kanalında çerçeve hata oranı sinyal gürültü oranına göre üstsel olarak azalırken, Rayleigh sönümlemeli kanalda linear olarak azaldığı simülasyonlarla gösterilmiştir. RFID etiketleri aynı zamanda enerji kaynaklarına göre üç gruba ayrılır: pasif, yarı-pasif ve aktif etiketler. Pasif RFID etiketlerin kendi enerji kaynakları yoktur. Bunun yerine bu etiketler, okuyucudan yayınlanan enerjiyi kullanırlar. Yarı-pasif ve aktif etiketlerde ise kendilerine ait bir enerji kaynakları vardır. Aktif etiketlerle yarı-pasif etiketlerin farkı ise yarı-pasif etiketlerin ilk konuşmayı başlatmaması ve okuyucudan gelen sorgu ile konuşabilmesidir. Kendi enerji kaynağını, okuyucudan gelen sorgu ile kullanmaya başlar. Aktif RFID etiketleri ise okuyucu ile kendi konuşma başlatabildiği gibi ondan gelen sorgu ile de konuşmaya başlayabilir. Aktif RFID etiketleri, birçok uygulamada sahip oldukları görünürlük, güvenlik, kaliteli ve uzak mesafeli haberleşme kabiliyetleri açısından tercih edilebilmektedir. Bir aktif RFID etiketi, içerisindeki veriyi iç enerji kaynağı yardımıyla oldukça uzak mesafelere iletilebilir. Ancak batarya süresi, etiketin aktif parçaları sebebiyle azalmaktadır. Böylece bu, haberleşme mesafesiyle enerji tüketimi arasında kayıp-kazanç dengesine dönüşmektedir (yani mesafe artarken, enerji tüketiminde artma veya tam tersi). Bununla birlikte iletim mesafesinin artması, girişim problemlerine de neden olabilir çünkü bir okuyucunun okuma ortamında olabilecek etiketler ve/veya okuyucular haberleşmede zorluklara zemin hazırlayabilir. ISO/IEC 18000-7 bir aktif RFID standardıdır. Bu standardın etiketleri 433 MHz frekansında çalışmaktadır. Biz fark ettik ki, bu standartta uyan aktif bir RFID etiketi, Rayleigh sönümlemeli kanalda tatmin edici bir haberleşme gerçekleştirebilmesi için oldukça fazla enerji tüketmektedir. Bu tezde ikinci olarak biz, ISO/IEC 18000-7 standardındaki aktif RFID sistemlerinin haberleşme kalitesi ve enerji verimliliği açısından performanslarını iyileştirdik. Simülasyon sonuçlarımız göstermiştir ki, gerek etiket gerekse hem etiket hem de okuyucu tarafındaki çoklu anten tasarımları, sınırlı geri besleme tekniklerinin kullanılmasıyla çerçeve hata oranlarını düşürmüş ve enerji kaynağının yaşam süresini arttırmıştır.This M.Sc. thesis is mainly two folds: First part includes the performance evaluation of passive and active RFID systems complying with ISO 18000-3 and ISO 18000-7 standards respectively. Second part shows the performance improvement of active RFID systems with multiple antennas in ISO 18000-7 standard. It also includes a detailed comparison of different limited feedback schemes for multiple antennas at tag side and both tag-reader side. Radio Frequency IDentification (RFID) has become very popular in wireless technologies and pervasively deployed in many applications area, such as contactless credit cards, e-passports, ticketing systems, access control, gaming, healthcare, pharmaceuticals, document and media management. This technology provides wireless communication with an object or someone to automatically identify or track by using radio waves. RFID systems can be grouped into three basic ranges by their using operating frequency: Low frequency (LF, 30-300 KHz), high fequency (HF 3-30MHz) and ultra high frequency (300MHz-3GHz) / microwave (>3 GHz). RFID tags and readers communicate with each other over air interface. This insecure channel and the limited capabilities of RFID tags cause security and privacy vulnerabilities. An adversary may do tag impersonating, tracking, eavesdropping, and denial of service (DoS) attack. Besides the vulnerabilities, a tag might be distinguishable in its life-span by an attacker. If it is once recognized by an adversary, it will be easily able to be traceable. At that situation, there might be two attacks. (i) An attacker might track the previous interactions of the tag or (ii) he may track the future ones. These two attacks are called backward traceability and forward traceability, respectively. There are public-key cryptography solutions in literature but none of them are convenient for the low-cost tags used in lots of applications because of their limitations. It needs to find much light-weight approaches. Therefore, many light-weight authentication protocols are proposed to have a win against the adversaries that deceive the capacity-restricted tags. A growing security and privacy concerns are most commonly related with high frequency (HF) RFID devices, using near field communication (NFC), such as contactless smart cards (CSC), because they are used to store secure and private personal information in many RFID applications: e-passport, govern ID, credit cards etc. Many researches offer different protocol designs to overcome the security and privacy problems for the standards. Although, their security and privacy analysis are quite important, their effectiveness is also another vital point for real world RFID applications/systems. Unfortunately, it is a troublesome to physically test every new protocol desings because of cost, time and it is also impractical. The performance of the protocols affects the quality of HF RFID applications. Therefore, many simulation environments have been improved to evaluate the performance of these kinds of protocols. However, none of them shows the success bounds of the protocols by considering wireless channel effect. Motivated by this need, in this thesis, firstly, we improve the PETRA simulation environment by adding two channel models, AWGN channel, Rayleigh fading channel and show the performance bounds of an RFID authentication protocol in these channels for ISO/IEC 18000-3 standard. For this purpose, we implement a secure authentication protocol in our new simulation environment to understand the effect of the wireless channel in a real life scenario. This work may guide the protocol designers to test their protocols and observe the performance of passive RFID systems before using them on real systems. We show that RFID protocols perform best performance in AWGN channel. This performance gives us the upper bound performance because the AWGN channel is an ideal case in wireless communication environment. We added the results of Petra simulation environment to evaluate the wireless channel effect. On the other hand, the performance of RFID protocols in Rayleigh fading channels gives the lower bound of the performance. The effects of the Rayleigh fading channel are extremely severe when it is compared to the AWGN channel. The FER curve is inversely linear proportional with the SNR for Rayleigh fading while it is exponentially decreasing for AWGN channel. RFID tags can also be categorized in three groups by using energy source such as passive, semi-passive and active (battery assisted) tags. Passive RFID tags do not have own internal energy source. Instead, they use the radio energy transmitted by the reader. Semi-passive and active RFID tags have their own energy source. The difference between them is that semi-passive tags do not talk first and they are powered up by the reader’s request. The energy source is used after the request. Active tags might talk to RFID reader first or answer its first request. Active RFID tags are preferred in many applications for their advantages: Visibility, security, quality and high distance communication. An active tag can transmit its data at great range by using its internal source. However, the battery life is decreased by the active parts of the tag. Hence, it causes a trade-off between communication distance and power consumption. In addition to this, the increased transmission distance might also cause interference problem because a large number of tags or multi-reader multi-tag environment within the range of a reader grounds communication difficulties. ISO/IEC 18000-7 is an active RFID standard that their tags operatea at 433 MHz. We realize that a tag consumes too much energy source to perform a satisfactory communication compliance with the standard in Rayleigh fading channel. In this thesis, secondly, we aim to ameliorate an active RFID system performance from the perspective of better communication and energy efficiency. Our simulation results show that multiple-antenna designs at tag side and tag-reader side using limited feedback schemes significantly decreases the frame error rates and increases the battery lifetime.Yüksek LisansM.Sc