Contributions to the design of an underwater Rfid Reader/Tag Software Transceiver

Abstract

Underwater and undersea communication is a challenging topic and one of the main tasks addressed within the research SURF project (TEC2014- 60527-C2-1-R), in which this work is framed. The SURF project, a project of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, aims for the development of an undersea communication system for aquaculture. This system is based on Radio Frequency Identification (RFID) technology and consists of a base station (reader) and multiple tags (transponders), which are powered remotely and retrieve the information from wireless low power and low size sensors implanted in the living fish. The focus of this work is set on two main pillars and so is this work structured. The first part of this thesis covers the characterization of the seawater as the physical media in which the RFID link takes place. Its electrical properties are presented, along with the effect they produce on the electromagnetic propagation. The goal is to characterize the influence that seawater will have on the remote powering of the low frequency passive RFID devices. The approach followed in this work is to address this question by studying the magnetic coupling between the reader and tag antennas and the impact that the lossy media will have in the coupling and in the antennas themselves, when they are embedded in the seawater. The effects of the moving tags (implanted in the living fish) are also discussed in terms of the misaligments that the antennas undergo, which affect the coupling. The results of the electromagnetic study allow the characterization of the system by modelling it by means of an equivalent circuit, adopted for further analyses and in which the media and misalignments are considered. The second part of this work covers the study of the efficiency of the wireless power transfer. This question is approached from the point of view of the circuit theory, and takes the already proposed equivalent circuit as a starting point, in order to characterize the wireless power transfer by means of the scattering parameters. The effects that the moving tags have in the efficiency of the power transfer are discussed, where the phenomena of bifurcation and splitting are visible. We study the multi-receiver RFID scenario in terms of the scattering parameters, and discuss possible techniques to improve the efficiency of the link. We propose an approach based on impedance adaptation networks, which can be adjusted to the given coupling i between the reader and the tag. The advantages of this approach are that the system presents the flexibility of adapting to the movement of the tags, which results in a variation of the coupling factor and therefore overcoming the effects of the detuned system. The practical implementation of these tunable adaptation networks by means of gyrators or simulated inductances remains as an open research line.

En los últimos años ha crecido la demanda de identificación de e intercambio de datos con objetos de manera inalámbrica y con la que no se tiene línea de visión directa. A pesar de que la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID, Radio Frequency Identification) no es nueva, está gozando de un auge en su popularidad debido, en gran parte, al reducido tamaño de los dispositivos y a los costes de producción que permiten el desarrollo de transceptores de bajo costo. La aplicación de esta tecnología a nuevos campos, como el de bioimplantes y la obtención de datos biométricos, abre nuevos horizontes de gran interés a sectores como el de la acuicultura, en el que se enmarca este proyecto. En el caso particular de la acuicultura, se presenta, además, otro reto como es el de la transmisión de datos en el canal submarino. La comunicación submarina sigue considerándose como un reto debido a las características físicas del propio medio acuoso y a las exigencias en cuanto a consumo de potencia y tiempo de vida de transceptores y estaciones submarinas en general. En el canal acuoso se han explorado en los últimos años varios tipos de comunicación: óptica, electromagnética y acústica. La comunicación óptica subacuática alcanza velocidades de propagación muy altas aunque es susceptible a partículas flotantes y en general a la turbiedad del agua, produciendo dispersión y difracción y no siendo adecuada para distancias largas. La comunicación acústica alcanza, por el contrario, distancias mayores, aunque la velocidad de propagación del sonido en agua (en torno a los 1500 m/s) y la pérdida de trayecto afectan y limitan la eficiencia de la comunicación y transmisión de datos. Debido a la atenuación moderada que experimenta la comunicación acústica, es el canal físico típico en medios marinos. En los últimos años ha habido un importante auge en la investigación de la comunicación submarina principalmente centrada en redes de sensores acústicos. Las grandes limitaciones de este tipo de comunicación se encuentran en la limitada velocidad de transmisión de datos, la susceptibilidad al efecto Doppler, unido a las reflexiones y refracciones que se experimentan iii en comunicaciones cercanas a la superficie. En cuanto a la propagación electromagnética en el canal acuoso, sobre todo en el submarino, presenta retos, que se analizarán en este trabajo, y que explican la poca notoriedad y uso de este canal para ciertos tipo de comunicación, sobre todo a alta frecuencia, dadas las características del canal. Las tareas de la tesis doctoral están enmarcadas dentro del ámbito de aplicación de RFID para acuicultura y están, por tanto, relacionadas con la caracterización del medio acuoso desde el punto de vista electromagnético, la caracterización del acoplo entre el lector y la etiqueta, dadas las características del medio, y la transferencia de energía y la optimización de la misma.