《電子技術(shù)應用》
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基于OPNET的RFID系統(tǒng)信道研究
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摘要: 射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù),作為一種非接觸式的自動識別技術(shù),可以通過射頻信號自動識別目標對象,獲取相關(guān)數(shù)據(jù),不需要人工接觸,不需要光學可視,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能力。但是,RFID技術(shù)在實際制造業(yè)中的應用仍然面臨著一些問題,如受電磁干擾的影響,標簽之間碰撞幾率較高,多徑干擾較為嚴重,使RFID系統(tǒng)的整體效果具有很大的不確定性。
關(guān)鍵詞: RFID|NFC 射頻識別 OPNET
Abstract:
Key words :
  0 引言

  射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù),作為一種非接觸式的自動識別技術(shù),可以通過射頻信號自動識別目標對象,獲取相關(guān)數(shù)據(jù),不需要人工接觸,不需要光學可視,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能力。但是,RFID技術(shù)在實際制造業(yè)中的應用仍然面臨著一些問題,如受電磁干擾的影響,標簽之間碰撞幾率較高,多徑干擾較為嚴重,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)的信道進行研究。

  1 RFID系統(tǒng)簡介

  1.1 RFID系統(tǒng)的組成

  一個最簡單的射頻識別系統(tǒng)是由讀寫器、標簽和計算機通信網(wǎng)絡組成的,如圖1所示。

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  RFID標簽:存儲著需要被識別物品的相關(guān)信息,通常被放置在需要識別的物品上,它所存儲的信息通??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/寫標簽信息的設備。讀寫器讀出的標簽信息可以通過計算機以及網(wǎng)絡系統(tǒng)進行管理和信息傳輸。

  計算機通信網(wǎng)絡:在射頻識別系統(tǒng)中,計算機通信網(wǎng)絡通常用于對數(shù)據(jù)進行管理,完成通信傳輸功能。讀寫器可以通過標準接口與計算機通信網(wǎng)絡相連,以便實現(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,標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時,標簽被激活,將自身的信息代碼通過內(nèi)置天線發(fā)出,讀寫器獲取標簽信息代碼并解碼后,將標簽信息送至計算機進行處理。由圖1可以看出,在射頻識別系統(tǒng)工作過程中,始終以能量作為基礎,通過一定的時序方式來實現(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)包的通信機制、離散時間驅(qū)動機制和面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?,是系統(tǒng)和網(wǎng)絡算法仿真的理想工具。采用OPNET來仿真RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡,可以直觀地模擬標簽與讀寫器的通信過程,準確地建立符合協(xié)議標準的模型,同時OPNET提供了豐富的測試和參數(shù)統(tǒng)計工具。OPNET采用三層建模機制,最底層為進程(Process)模型,以狀態(tài)機來描述協(xié)議;其次為節(jié)點(Node)模型,由相應的協(xié)議模塊組成,反映設備特性;最上層為網(wǎng)絡(Network)模型,分別使用Process編輯器、Node編輯器、Project編輯器進行編輯。OPNET建模機制框架如圖2所示。

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  OPNET仿真步驟如圖3所示。

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  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算方法為:

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  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雜性,所以在研究這種情況下的信道時就必須考慮多徑、噪聲等對通信質(zhì)量的影響。

  3.2 BPSK調(diào)制信號經(jīng)過高斯白噪聲信道和瑞利信道

  BPSK是用二進制數(shù)字信號控制載波的兩個相位,通常這兩個相位相隔π弧度,例如用相位0和π分別表示二進制“1”和“0”。

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  3.2.1 BPSK調(diào)制信號經(jīng)過高斯白噪聲信道

  在通信系統(tǒng)中噪聲是一個隨機過程,很難通過簡單的計算方式預測某個時刻噪聲信號的強度,因此從概率論的角度去分析噪聲。白噪聲存在于整個頻譜范圍內(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變量x,如果它的均值為μ,方差為σ2,則隨機變量x的概率p(x)為:

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

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

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  將所得的誤比特率數(shù)組存儲在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。

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  3.2.2 BPSK調(diào)制信號經(jīng)過瑞利信道

  如果一個隨機變量r服從瑞利分布,則它的概率密度函數(shù)為o.jpg,0,方差等于(4-π)σ2/2。采用Matlab中自帶的Simulink模塊,對BPSK調(diào)制信號經(jīng)過瑞利信道的性能進行仿真分析。系統(tǒng)組成如圖7所示。

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

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  將所得的誤比特率數(shù)組存儲在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。

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  4 兩種信道下RFID系統(tǒng)性能分析

  在基于OPNET建立的RFID軟件仿真平臺中通過設置調(diào)制參數(shù)來設置不同的信道模型,具體參數(shù)設置如圖10所示。

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  兩種不同信道下,每秒識別標簽個數(shù)的仿真結(jié)果比較如圖11所示。

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  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。

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  通過上述兩個圖的比較可以看出,在瑞利信道下,識別標簽所用的時間長,碰撞次數(shù)多,所以在研究室內(nèi)采用復雜的RFID系統(tǒng)時,要考慮不同信道的影響,建立合適的傳播模型。掌握了準確的傳播模型,就為研究無線電波的傳播奠定了堅實的基礎,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意義。




 

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