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(duì)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(duì)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(duì)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)的信息通常可被讀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(duì)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(duì)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?，是系統(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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
對(duì)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(duì)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(duì)RFID系統(tǒng)的影響,，得出瑞利信道對(duì)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(duì)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。
