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應用RFID 於醫療院所之讀取器通道配置之研究

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應用

應用

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應用 RFID 於醫療院所之讀取器通道配置之研究

於醫療院所之讀取器通道配置之研究

於醫療院所之讀取器通道配置之研究

於醫療院所之讀取器通道配置之研究

黃永發

黃永發

黃永發

黃永發、

、洪勝偉

洪勝偉

洪勝偉

洪勝偉

朝陽科技大學 網路與通訊研究所 yfahuang@cyut.edu.tw

沈培輝

沈培輝

沈培輝

沈培輝

國立中興大學 電子商務研究所 pfsum@nchu.edu.tw

James C.S. Wong

Dept. of Computer Science San Francisco State University, USA

jwong@sfsu.edu 摘要 摘要 摘要 摘要 本文探討應用於醫療院所中無線射頻識別系統之讀取 器之子通道配置問題,在一個空間內配置過多的讀取 器,會造成讀取器與電子標籤做資料傳輸時,讀取器 之間會導致許多接取干擾,因此本文探討讀取器之間 的子通道配置時造成之干擾統計特性,並找出最佳的 子通道配置組合,使干擾碰撞問題降至最低。 關鍵字 關鍵字 關鍵字 關鍵字:無線射頻辨識系統、讀取器、通道配置、路 徑損失 Abstract

In this paper, we investigate the access interference statistics of the radio frequency identification (RFID) systems when the readers are densely deployed in hospital. In a room the multiple readers with the same channel may interfere each other to destroy the transmission data. Therefore, in this paper we investigate the sub-channel arrangement to reduce the access interference among the readers.

Keywords: RFID, reader, channel arrangement, access interference.

1、、、、前言前言前言前言

因無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID) 技術之無線電波傳輸特性,可隨時讀取資訊,已廣泛 應用在許多地方[1]。由於微小的 RFID 系統晶片裡可 儲存足夠之數位資料,可應用範圍相當廣泛,例如企 業、國防、政府、門禁管制、圖書館自動化、醫療病 歷系統、交通運輸、貨物管理、收費系統以及動物追 蹤晶片系統等。RFID 利用射頻信號空間耦合,實現無 線傳輸信號的方式,來達到信息識別的目的,在美國 許多大型公司都廣泛運用 RFID 系統,當技術與企業結 合時也就表示此技術能快速的成長及發展,因此 RFID 的技術,也逐漸的替代了現有的條碼系統,而受到廣 泛應用。 基本的 RFID 系統有三個部份:標籤(Tags)、讀取機 (Readers)和中介軟體(Middleware)。當標籤進入磁場 區域後,接收的讀取器發出信號,憑借感應電流所獲 得的能量發送出並儲存在於芯片中的晶片(Passive 電 子標籤,無線源標籤或稱被動標籤),或者主動發送 某一頻率的信號(Active 電子標籤,有電源標籤或稱 主動標籤);讀取器讀取信息並譯碼後,送至中央信 息系統進行有關處理[1][2]。 此系統具備非接觸式讀取,資料可以更新,可重複使 用,可同時讀取多個電子標籤及資料安全性佳等優 點。現今 RFID 已被廣大的國際社會廣泛地應用,不論 是早期的門禁管制、人員追蹤、倉儲管理與物流業、 零售流通業,甚至是現今的醫療管理、生物晶片等等, 目前在台灣導入 RFID 於醫療體系中也有許多的案 例,例如 RFID 在急診室中,讓醫生可以快速即時透過 網路得知病患資料;RFID 在手術室時可以確認病患相 關資料及確認患者所需開刀的部位,等許多的相關案 例[3],而目前世界各國已廣泛建設 RFID 系統做為醫 療體系的相關應用,例如醫院設備,藥物管理、病人 辦識、血液保存,也因導入此技術而大量減少多餘人 力的浪費,且達到即時又快速的優勢,但也因此發現 了 RFID 技術的不足之處,而大大降低了此技術的可信 度,其問題在於 RFID 是利用無線傳輸做為讀取器與電 子標籤之間的訊息溝通來達到傳送的目的。 而在醫療院所中的應用案例都是將系統安裝於一個建

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築物的室內環境中,為達成良好之覆蓋率(coverage rate),必須使用許多個讀取器,於是密集的部署讀取 器是必要的,但在大規模的部署或在密集的部署環境 下,讀取器與讀取器之間會有干擾(interference)的問 題,甚至會有碰撞(collision)的問題,因為在頻率與通 道相同時,所產生的干擾與碰撞會造成 RFID 系統的不 穩定甚至癱瘓[8-10],因此解決 RFID 的路徑損失與干 擾碰撞問題是必要的。所以我們將針對在密集環境下 RFID 讀取器與讀取器之間所產生的干擾、甚至碰撞的 問題來提出一個通道分配的方法做解決。此外,RFID 讀取器在傳送訊號時,訊號強度的衰減與距離有關, 而導致傳輸時產生的路徑損失(Path loss)[4-7],因此, 本文中,我們探討 RFID 讀取器受到之干擾與其配置拓 樸之關係及其子通道之配置,以降低系統之干擾。 在本文中我們將分為五個章節,在第二節中我們介紹 自由空間的傳播模式及室內空間路徑損失,並從中我 們了解 RFID 的干擾問題,在第三節中我們探討讀取器 中天線的配置情況並與干擾量之關係,並定義總干擾 量之計算,在第四節描述一個模擬的個案,最後我們 將在第五節中做出本文的總結。 2、、、、傳輸傳輸傳輸傳輸模型模型模型 模型

2.1 、、、、 自 由 空 間自 由 空 間自 由 空 間自 由 空 間 傳 播傳 播傳 播 模 型傳 播模 型模 型模 型 ((( Free space propagation

model))) 在自由空間裡的傳播模型,假如接收端與傳送端之間 有直接波的通訊路徑,在行動通訊中就有許多的例 子,無線電磁波的衰減與載波頻率,以及傳訊雙方的 距離有關,在不考慮損失天線增益的理想環境下,我 們可以利用接收端天線收到的傳輸功率比[4-5]如下: 2 4 t t r t P g g P d λ π =

(1) 在這 Pt為傳輸信號能量,Pr為接收訊號能量 λ 為載波 信號的波長,d 為傳輸與接收之間的天線距離,gr為接 收端的接收天線增益,gt為傳輸端的傳送天線增益,n 為路徑損失指數,在自由空間的環境下,而路徑損失 指數 n 為 2,又稱為理想的自由空間路徑損失[4-5]我們 以[dB]表示。 10 4 ( ) 20 log L d P dB π λ =

(2) 若使用的 f= 915MHz, λ=c/f=0.33m,c 為光速,d=1m 10 4 1 ( ) 20 log 31.6139 32 0.33 L P dB =

π

= dBdB

(3)

2.2、、、、在室內空間的路徑損失在室內空間的路徑損失在室內空間的路徑損失(In-building path loss) 在室內空間的路徑損失 無線電傳輸時,訊號強度主要之衰減是路徑損失,由 於 在 室 內 傳 輸 時 會 受 到 反 射 ( reflection )

繞 射 (diffraction)

散射(scattering)等因素而造成訊號衰 減[5],其中反射為當傳播中的電波撞擊一個遠大於本 身波長的平均物體時之現象,反射物通常會吸收部份 電波能量造成損失。而繞射是一個在發射與接收沒有 直接路徑時電波的傳播現象,其中,阻礙物大小與到 達接收端的二次波能量成反比。當傳播路徑被不可穿 透的阻礙物遮蔽時,繞射場卻可以到達接收端,所以 繞射又稱為遮蔽(shadowing)。而散射是當電波撞擊 到的物體大小與電波波長比較下是差不多或小於波長 時,如同撞擊多面的反射物體,使電波的能量散射到 各個方向。在這種環境下必需考慮到反射、繞射、散 射現象,當電波在室內造成的路徑損失等,其它會造 成衰減效應,如路徑衰減、多重路徑遮蔽效應,而在 室內路徑損失可定義為[4] PL=PL(

d

o)+10n⋅log10( 0 d d ) (dB) (4) 其中d 為任意參考距離,天線之間的距離為 d=2 公o 尺,n 是與環境有關的變數,參考距離

d

o為 1m,因為 有室內 路徑損失的路徑與自由空間路徑損失的總路 徑損失近似,因在此空間這麼小的一段離不至於有太 大的差異。 在式(4)中,n 是取決於環境之變數,而且經由模擬可 以證實,在圖 1 中虛線代表各種環境下的 n 值,n 值愈 高表示環境越不好,路徑損失相對提高,反之 n 值愈 低表示路徑損失相對愈低,室內的路徑損失模型定義 為[8-10] 32 25 log 0 8 1 ( ) 23 35 log 8 1 L d d m P dB d d m + ≤ < = + ≥

 

 

 

 

 

 

(5) 式(5)是由學者[6]對 Rappaport 的量測結果[4]作統計後 而得到之片斷線性模型,如圖 1 所示,其模型中的實 線為片斷式線性(piece-wise linear)函式,虛線是 n=4 及

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n=2.5,而片斷線性函式之起點在 1m 處,路徑損失為 32dB,此黑色實線模型在距離在 8m 處,呈片斷現象, 即此黑色實線模型在小於 8 公尺處時,n 值為 2.5,當 距離大於 8 公尺時,黑色實線之 n 值為 3.5,因此,當 距離在 8 公尺以上時,其路徑損失將會上升。 圖 1 路徑損失[4] 2.3、、、讀取器、讀取器讀取器讀取器配置配置配置配置 讀取器會有干擾甚至碰撞的問題在於頻率之間的互相 干擾,所以本文探討並提出一個通道分配的方法,將 一個頻率通道切割為多的子通道,再以快速方法,將 各子通道適當的安排給每一個讀取器使用,因 RFID 屬 於短距離無線傳輸,所以讀取器的部署也較為密集, 而在超高頻(UHF)時更有多路徑(multiple path)的問題 存在,因此在多讀取器的傳輸信號過程中,就會受到 一個或多個讀取器的干擾甚至是碰撞造成 RFID 系統 判斷錯誤。而所謂干擾與碰撞是指讀取器與電子標籤 在做信息傳輸,在相同的時間點上如有二筆以上的資 料做傳輸,造成頻率的干擾碰撞破壞了傳輸時的完 整,造成信號判斷錯誤,甚至無法判讀的結果。 RFID 產生信號的干擾碰撞一般有兩種情況:第一種是 讀取器與讀取器之間的干擾碰撞[11] ,主要是因為當 一台讀取器進行讀取時,當電子標籤向讀取器發生信 號過程中,遭遇到別的讀取器信號的干擾,而造成電 子標籤與讀取器傳輸失敗,如圖 2 所示,當讀取器 A 與電子標籤做信號傳輸時,受到讀取器 B 的信號干 擾,最後有可能導致誤判的結果,導致發生干擾甚至 碰撞,而造成讀取失敗。 圖 2 讀取器與讀取器之間的干擾碰撞[8] 而第二種情況為多讀取器對電子標籤的干擾碰撞[11] 當一個電子標籤在二個讀取器或二個以上的讀取器的 讀 取 範 圍 內 , 電 子 標 籤 同 時 收 到 多 筆 的 控 制 指 令 (command),會造成電子標籤受到多個讀取器頻率的干 擾,及讀取器之間的頻率影響[2],造成電子標籤無法 判別,而導失敗的因素在於讀取器之間的讀取距離重 覆所產生的碰撞干擾問題。如圖 3[9]所示,當 2 個以 上的讀取器同時讀取到相同的電子標籤,而讀取器之 間的讀取範圍重覆時,造成電子標籤無法判別,如圖 3 中,當 R1 與 R2 同時讀取 T1,而造成 T1 無法判別, 而造成彼此之間信號的干擾,甚至碰撞,而造成讀取 失敗,雖其它不在重疊範圍內的電子標籤仍可正常讀 取,但在現今醫療體系中,這種錯誤是不被允許的。 圖 3 多讀取器對電子標籤的干擾碰撞[8] 以上 2 種情況是目前較常遇見的碰撞模型,而本文中 主要針對第一種讀取器之間的碰撞或干擾做探討,當 一個可使用的頻道比讀取器還少時,如何配置子通 道,以減低這種干擾,來達到一個較理想之 RFID 之讀 取環境。 3、、、讀取器部署、讀取器部署讀取器部署讀取器部署與干擾分析與干擾分析與干擾分析 與干擾分析 若醫院是一個密集部署 RFID 讀取器的環境,那麼讀取 Reader A Tag Reader B Antenna Antenna    ● Reader □Tag T4 T2 T1 T3 R2

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器之間的頻道若沒有適當的安排,那麼讀取器之間便 會發生干擾的問題,造成 RFID 的可信度大降,甚至發 生讀取器之間的訊號碰撞,而導致整個 RFID 系統癱 瘓,造成醫院的損失以及不堪設想的後果,因此我們 針對頻道有限的環境中,探討如何作分配子頻道給讀 取器,進而降低讀取器間之干擾與碰撞。 我們用一個簡單的例子來說明讀取器間干擾之關係, 假設只有二個讀取器分別為 X1 與 X2,若在相同子通 道下,則干擾為 α,分配不同子通道,則干擾為為 0。 而在現實環境下,為達成良好之覆蓋率,因此密集的 部署讀取器是必要的,於是我們進一步,假設有六個 讀取器之配置,而只有四種不同的通道變數,如圖 4 所示為其配置拓樸(topology),其中我們中所假設以 6 個讀取器分別為 X1、X2、X3、X4、X5、X6與四個環境 下的子通道為 A、B、G、E 分別代表四種不同的干擾 特性,在這條件下做此配置,因為讀取器內都有天線 (Antenna),所以依一般天線特性我們做以下 4 種天線 的配置假設第一種為讀取器天線為,正面對正面的方 式,分別為(X1,X2)(X3,X4)(X5,X6)第二種為讀取器天線 為,背面對背面的方式,分別為(X2,X3)(X4,X5)第三種 為 讀 取 器 天 線 為 , 正 面 對 背 面 的 方 式 , 分 別 為 (X1,X3)(X2,X4)(X3,X5)(X4,X6)(X1,X5)(X2,X6)最後一種為 讀取器天線遠距離為,為正面對正面的方式 ,分別為 (X1,X4)(X3,X6)(X1,X6) X1 X2 X3 X4 X5 X6 圖 4 六個讀取器與四種不同的通道變數[7] 因為 Leong [8]所提出修改 Rappaport[4]的路徑損失的 模型,當兩個讀取器天線如果使用同一個子通道且天 線特性為正面對正面,我們將干擾量定義為 ( , ) 0 t i j L i j i j P if X X P A X X if X X  =  =  ≠  (6) ( , ) 0 t i j L i j i j P if X X P E X X if X X  =  =  ≠  (7) 在公式中 PL(dB)利用 Leong 模型中求出,從讀取器 Xi 發射至 Xj位置的路徑損失,公式(5)中 Pt(mw)為讀取器 在 868MHZ~960MHZ 的傳輸功率為 4W。此外,當兩 個讀取器天線為正面對正面,但使用不同子通道,則 其干擾量為 0。 若讀取器天線為背面對背面,並在同一個子通道時, 其干擾量定為 ( , ) 0 t i j L i j i j P if X X P B X X if X X β  × =  =  ≠  (8) 此外,若天線為正面對背面時,且在同一個子通道時 其干擾量為 ( , ) 0 t i j L i j i j P if X X P G X X if X X γ  × =  =  ≠  (9) 其中β與γ之關係與條件為

0<β <

γ

< (10) 1 由上述之天線配置特性與子通道之關係及圖 4 可以得 到總干擾量為

I(X1,X2,X3,X4,X5,X6)=A(X1,X2)+A(X3,X4)+A(X5,X6) +B(X2,X3)+B(X4,X5)+G(X1,X3)+G(X2,X4)+G(X3,X5) +G(X4,X6)+G(X1,X5)+G(X2+X6)+E(X1,X4)+E(X3,X6) +E(X1,X6) (11) 我們假設讀取器與讀取器之間的距離各固定為 3 公 尺,且在室內環境中距離若大於 8 公尺,我們假設環 境變數 n=3.5,若小於等於 8 公尺,則假設環境變數 n=2.5,由上述條件可以求得各讀取器之間的總路徑損 失如表 1 所示。因此可得知距離越大相對的路徑損失 越大,反之干擾量則越小與路徑損失成反比,我們以 讀取器為 868MHZ~960MHZ 的傳輸功率 Pt = 4W,由 式(7),第 i 個讀取器 Xi與第 j 個讀取器 Xj的干擾量 A(Xi, Xj)如表 2 所示。 Nov. 16-17 2007

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表 1 讀取器之間的路徑損失 PL X1 X2 X3 X4 X5 X6 X1 0 43 51 56 60 64 X2 43 0 43 51 56 60 X3 51 43 0 43 51 56 X4 56 51 43 0 43 51 X5 60 56 51 43 0 43 X6 64 60 56 51 43 0 表 2 干擾量 A(Xi, Xj),Xi=Xj A(Xi,,Xj) j=1 j =2 j =3 j =4 j =5 j =6 i=1 0 0.2 0.03 0.01 0.004 0.001 i=2 0.2 0 0.2 0.03 0.01 0.04 i=3 0.03 0.2 0 0.2 0.03 0.01 i=4 0.01 0.03 0.2 0 0.2 0.03 i=5 0.004 0.01 0.03 0.2 0 0.2 i=6 0.001 0.004 0.01 0.03 0.2 0 4、、、、模擬模擬模擬模擬結果結果結果 結果 我們以一個案例說明模擬的結果,如圖 5 所示有六個 讀取器並排而放,讀取器與讀取器之間的距離為 3 公 尺,讀取器 1 跟 2、3 跟 4、5 跟 6 為面對面放置。 圖 5 讀取器的配置圖 並且假設可供配置通道只有四個,因此通道的配置共 有 4096 種組合,分別為(1,1,1,1,1,1), (1,1,1,1,1,2),…., (4,4,4,4,4,3), (4,4,4,4,4,4)。由式(6)至式(11),以及表 4 所示之干擾量,再令β =0.04和γ =0.2,則求出最差 的 通 道 配 置 為 (1,1,1,1,1,1) 、 (2,2,2,2,2,2) 、 (3,3,3,3,3,3)、(4,4,4,4,4,4),其總干擾量為 0.6572W,而 最好的配置組合共有 24 種,如下: 123421 213412 312413 412314 124321 214312 314213 413214 132431 231432 321423 421324 134231 234132 324123 423124 142341 241342 341243 431234 143241 243142 342143 432134 其干擾量小於 0.0012。而將 4096 種組合的干擾量作統 計圖(見圖 6),便可發現有 1728 個組合,其干擾量少 於 0.032,佔超過 42%。 圖 6 總干擾量的統計圖 5、、、結論、結論結論結論 本文提出修正之路徑損失模型,並以四個子通道配置 於六個 RFID 讀取器為例,探討各別的干擾量並計算不 同子通道配置時的總干擾量,由模擬結果可找出最好 的子通道配置方法,以增加在醫療體系的環境下導入 RFID 的信賴程度,並防止 RFID 在醫療體系的疏失。 此外,由於醫院的環境甚為複雜,部署 RFID 讀取器會 出現許多不同之情況,這些都會令碰撞問題更加嚴 重,未來將針對所有可能之此實際情況,進一步提出 可行之子通道配置法。 參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻 [1] 邱瑩青, “RFID 實踐- 非接觸智慧卡- 系統開發,” 學貫行銷股份有限公司, July, 2005. [2] 洪瑞文, 李美文, 洪勝偉, 林坤億, 林志銘, “圖書 館自動化流程之研究-以嶺東科大為例,” 台灣學 術 網路研討會, TANET, Oct 2006.

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X1 X2 X3 X4 X5 X6

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數據

表 1  讀取器之間的路徑損失  P L X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 1 0  43  51  56  60  64  X 2 43  0  43  51  56  60  X 3 51  43  0  43  51  56  X 4 56  51  43  0  43  51  X 5 60  56  51  43  0  43  X 6 64  60  56  51  43  0  表 2  干擾量 A(X i , X j ),X i =X j A(X i ,,X j )  j=

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