基于OPNET的RFID系統(tǒng)信道研究

摘要：在RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的過程中，所有的信息都在信道中傳輸，因此通信質(zhì)量的好壞受信道性能的影響。為了分析信道的性能，在基于OPNET建立RFID軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上仿真了瑞利信道和高斯白噪聲信道對RFID系統(tǒng)通信質(zhì)量的影響，并得出了瑞利信道對RFID通信質(zhì)量的影響更大的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：RFID；OPNET；瑞利信道；高斯白噪聲信道

0 引言
    射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工接觸，不需要光學(xué)可視，即可完成信息輸入和處理，并且操作簡單快捷。另外，由于RFID系統(tǒng)可以從技術(shù)上防止被仿冒、侵入，還具有極高的安全防護(hù)能力。但是，RFID技術(shù)在實(shí)際制造業(yè)中的應(yīng)用仍然面臨著一些問題，如受電磁干擾的影響，標(biāo)簽之間碰撞幾率較高，多徑干擾較為嚴(yán)重，使RFID系統(tǒng)的整體效果具有很大的不確定性。
    對于任何一個(gè)通信系統(tǒng)，信道都是不可少的組成部分。在RFID系統(tǒng)中，所有的信息都在信道中傳輸，信道性能的好壞直接影響著通信質(zhì)量。因此要想在有限的頻譜資源上盡可能提高通信質(zhì)量，大容量傳輸有用信息，就必須對RFID系統(tǒng)的信道進(jìn)行研究。

1 RFID系統(tǒng)簡介
1．1 RFID系統(tǒng)的組成
    一個(gè)最簡單的射頻識(shí)別系統(tǒng)是由讀寫器、標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組成的，如圖1所示。

    RFID標(biāo)簽：存儲(chǔ)著需要被識(shí)別物品的相關(guān)信息，通常被放置在需要識(shí)別的物品上，它所存儲(chǔ)的信息通?？杀蛔x寫器通過非接觸方式讀／寫。
    RFID讀寫器：讀寫器是可以利用射頻技術(shù)讀／寫標(biāo)簽信息的設(shè)備。讀寫器讀出的標(biāo)簽信息可以通過計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。
    計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)：在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)通常用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸功能。讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)相連，以便實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。
1．2 RFID系統(tǒng)的基本原理
    RFID系統(tǒng)的工作原理如下：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)，標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽被激活，將自身的信息代碼通過內(nèi)置天線發(fā)出，讀寫器獲取標(biāo)簽信息代碼并解碼后，將標(biāo)簽信息送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由圖1可以看出，在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，始終以能量作為基礎(chǔ)，通過一定的時(shí)序方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2 OPNET簡介
    OPNET(Optimized Network Engineering Tools)使用有限狀態(tài)機(jī)對協(xié)議和其他過程建模，提供核心庫函數(shù)，全面支持協(xié)議編程。采用基于數(shù)據(jù)包的通信機(jī)制、離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制和面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ǎ窍到y(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)算法仿真的理想工具。采用OPNET來仿真RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以直觀地模擬標(biāo)簽與讀寫器的通信過程，準(zhǔn)確地建立符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的模型，同時(shí)OPNET提供了豐富的測試和參數(shù)統(tǒng)計(jì)工具。OPNET采用三層建模
機(jī)制，最底層為進(jìn)程(Process)模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)(Node)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模塊組成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)(Network)模型，分別使用Process編輯器、Node編輯器、Project編輯器進(jìn)行編輯。OPNET建模機(jī)制框架如圖2所示。

    OPNET仿真步驟如圖3所示。

3 信道研究
    RFID系統(tǒng)是按電磁耦合的原理，利用電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸雙向通信，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。換言之，標(biāo)簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過空氣介質(zhì)以無線電波的形式進(jìn)行的。
3．1 自由空間傳播損耗
    自由空間中不考慮任何大氣的影響，不被障礙物阻擋，所以自由空間傳播損耗計(jì)算方法為：
   
    式中：d為距離。
    在自由空間中由于沒有阻擋，電磁波傳播只有直射，不存在其他現(xiàn)象。然而在室內(nèi)環(huán)境下，由于墻壁、門窗和其他物體的存在，電磁波傳播有直射波與多重反射波、透射波，還有物體棱角邊緣的繞射產(chǎn)生的繞射波。這就造成室內(nèi)電波傳播的多樣性和復(fù)雜性，所以在研究這種情況下的信道時(shí)就必須考慮多徑、噪聲等對通信質(zhì)量的影響。
3．2 BPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過高斯白噪聲信道和瑞利信道
    BPSK是用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制載波的兩個(gè)相位，通常這兩個(gè)相位相隔π弧度，例如用相位0和π分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。

3．2．1 BPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過高斯白噪聲信道
    在通信系統(tǒng)中噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程，很難通過簡單的計(jì)算方式預(yù)測某個(gè)時(shí)刻噪聲信號(hào)的強(qiáng)度，因此從概率論的角度去分析噪聲。白噪聲存在于整個(gè)頻譜范圍內(nèi)，所以在任何的信道內(nèi)都存在高斯白噪聲。
    對于一維的高斯隨機(jī)變量x，如果它的均值為μ，方差為σ2，則隨機(jī)變量x的概率p(x)為：
   

    在了解了信道的特點(diǎn)后對信號(hào)通過信道后的誤碼率進(jìn)行仿真分析。本文采用Matlab中自帶的Simulink模塊，對BPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過高斯白噪聲信道的性能進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)組成如圖4所示。

    對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行仿真分析，BPSK調(diào)制信號(hào)在高斯白噪聲信道模型下的仿真圖形如圖5所示。

    將所得的誤比特率數(shù)組存儲(chǔ)在OPNET的modulation curve產(chǎn)生的EMA代碼中，并命名為bpskawgn，所得的調(diào)制曲線如圖6所示。

3．2．2 BPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過瑞利信道
    如果一個(gè)隨機(jī)變量r服從瑞利分布，則它的概率密度函數(shù)為，0<r<8。式中的σ2是決定瑞利分布的參數(shù)，稱為瑞利分布的包絡(luò)，瑞利隨機(jī)變量r的值等于，方差等于(4-π)σ2／2。采用Matlab中自帶的Simulink模塊，對BPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過瑞利信道的性能進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)組成如圖7所示。

    對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行仿真分析，BPSK調(diào)制信號(hào)在瑞利信道模型下的仿真圖形如圖8所示。

    將所得的誤比特率數(shù)組存儲(chǔ)在OPNET的modulation curve產(chǎn)生的EMA代碼中，并命名為bpskrayleigh，所得的調(diào)制曲線如圖9所示。

4 兩種信道下RFID系統(tǒng)性能分析
    在基于OPNET建立的RFID軟件仿真平臺(tái)中通過設(shè)置調(diào)制參數(shù)來設(shè)置不同的信道模型，具體參數(shù)設(shè)置如圖10所示。

    兩種不同信道下，每秒識(shí)別標(biāo)簽個(gè)數(shù)的仿真結(jié)果比較如圖11所示。

    兩種不同信道下，碰撞次數(shù)的仿真結(jié)果比較如圖12所示。

    通過上述兩個(gè)圖的比較可以看出，在瑞利信道下，識(shí)別標(biāo)簽所用的時(shí)間長，碰撞次數(shù)多，所以在研究室內(nèi)采用復(fù)雜的RFID系統(tǒng)時(shí)，要考慮不同信道的影響，建立合適的傳播模型。掌握了準(zhǔn)確的傳播模型，就為研究無線電波的傳播奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這對提高RFID系統(tǒng)的通信能力具有重要的意義。

5 結(jié)論
    本文在基于OPNET建立的RFID仿真平臺(tái)上比較了高斯白噪聲信道和瑞利信道對RFID系統(tǒng)的影響，得出瑞利信道對RFID系統(tǒng)的通信質(zhì)量影響更大的結(jié)論。通過分析比較兩種信道下誤碼率和信噪比的關(guān)系，對建立合適的傳播模型，提高RFID系統(tǒng)的通信能力具有指導(dǎo)意義。