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軟件平臺的基礎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。
關鍵詞：RFID；OPNET；瑞利信道；高斯白噪聲信道

0 引言
    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術，作為一種非接觸式的自動識別技術，可以通過射頻信號自動識別目標對象，獲取相關數(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。

    RFID標簽：存儲著需要被識別物品的相關信息，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ǎ窍到y(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。

    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：
   
    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”。

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：
   

    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。

    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。

    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。

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，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，瑞利隨機變量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。

    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。

    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。

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。

    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。

    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。