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王明清工学专栏:基于RFID系统的超高频室内传播模型研究

作者:江苏天源    添加时间:2014/7/19 19:20:31    浏览量:

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[摘 要]RFID系统的所有信息在信道中的传输特性与环境密切相关——气候特征、电磁干扰情况和使用频段等,它们直接影响到RFID系统设备要采用的传输技术、通信能力以及服务质量。RFID系统室内传播信道的特征,对于保证通信系统得到令人满意的性能是非常重要的,但每个系统的位置测量是非常繁杂且代价高昂的。因此,总结近似的传播模型有助于系统方案的选择研究。
 ?。酃丶剩軷FID;超高频;室内传播模型

  RFID射频识别技术,俗称电子标签,由标签(Tag,即射频卡)、阅读器和天线三个基本部分组成。RFID系统的电子标签与读写器之间是按电磁耦合的原理,利用电磁场或电磁波作为传输手段,完成非接触双向通信,获取相关数据。电磁波在空间中的传播有4种情况:直射、反射、绕射和散射。
  直射:自由空间传播。反射:当在电磁波传播的路径上有一个体积远大于电磁波波长的物体时,电磁波不能绕射过该物体,在不同介质交界处会发生反射。在理想介质表面,一部分能量进入新介质中继续传播,一部分能量则反射回原介质中。绕射:在发射与接收之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体时,该物体的尺寸与电磁波波长接近,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。电磁波的绕射能力与电波的波长有关,波长越长,绕射能力越强。散射:当电磁波的传播路径上存在小于波长的物体。并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时,发生散射,散射发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体处,如吊扇、灯等。超高频RFID系统指电磁波频率超高频或微波段:300MHz—3GHz,根据Rayleigh标准,绝大部分室内物体表面可视为平坦,散射等可忽略不计。在室内环境下,由于墙壁、门窗和其他物体的存在,电磁波传播有直射波与多重反射波、透射波,还有物体棱角边缘的绕射产生的绕射波。这就造成室内电波传播的多样性和复杂性,也就增大了对室内传播研究的难度。室内信道有两个主要的特征:覆盖面小,环境变动大。建筑物内传播受到诸如建筑物布置、材料结构和建筑物类型等因素的强烈影响,室内传播的机理仍然是:反射、绕射和散射。但是,条件却不同。例如,信号电平很大程度上依赖于建筑物内是开是关。天线安装在何处也影响大尺度传播。同样,较小的传播距离也使天线的远场条件难以满足。
  一般来说,室内信道分为视距(LOS)或阻挡(OBS)两种,并随着环境杂乱程序而变化。超高频RFID的室内传播模型主要有以下几种:
  1 同楼层的分隔损耗模型
  建筑物具有大量的分隔体和阻挡物。家用房屋中使用木框与石灰板分隔构成内墙,楼层间为木质或非强化混凝土。另一方面,办公室建筑通常有较大的面积,使用可移动的分隔,以使空间容易划分。楼层间使用金属加强混凝土,作为建筑物结构一部分的分隔,称为硬分隔??梢贫牟⑶椅囱诱沟教旎ò宓姆指舫莆矸指?。分隔的物理和电特性变化范围非常广泛,应用通用模型特定室内情况是非常困难的。因此表1,分别总结列出了不同分隔的平均信号损耗。
  2 楼层间的分隔损耗模型
  建筑物楼层间损耗由建筑物外部面积和材料以及建筑物类型决定。实际经验证明,建筑物一层的衰减比其他层数的衰减要大很多,在5层以上,只有非常小的路径损耗。
  3 对数距离损耗模型
  超高频RFID室内路径损耗模型遵从下式:
  PL(dB)=PL(d0)+10nlog(dd0)+Xσ
  其中,n依赖于周围环境和建筑物类型,范围在1.6~6之间,Xσ表示偏差为σ的正态随机变量。表2列出了不同建筑物的典型n和Xσ值,这个模型简单有效,适合于用计算机实现,但由于是经验数据,精度相对较低。
  4 Ericsson无线系统多层断点模型
  通过测试多层办公室建筑,获得了Ericsson无线系统模型。模型有4个断点并考虑了路径损耗的上下边界。模型假定d=1m处衰减为30dB,这对于频率f=900Hz单位增益天线是准确的。Ericsson模型提供特定地形路径损耗范围的确定限度。右图是基于Ericsson模型的室内路径损耗图。
  5 衰减因子模型
  建筑物内传播模型包括建筑物类似影响以及Seidel描述的阻挡物引起的变化。这一模型灵活性很强,预测路径损耗与测量值的标准偏差为4dB,而对数距离模型的偏差达13dB。衰减因子模型表达式为:
  Ericsson室内路径损耗模型
  PL——(d)[dB]=PL——(d0)[dB]+10nSFlog(dd0)+FAF[dB]
  式中,nSF表示同层测试的指数值。如果同层存在很好的估计值n,则不同层路径损耗可通过附加FAF值获得。
  上述为只适用于超高频RFID系统的室内传播模型。在实际工作中,由于这些模型都是针对某些环境情况下得出的,预测值的误差可能很大,需要进行调整。传播模型的建立过程也就是传播模型的校正过程。掌握了准确的传播模型,就为研究无线电波的传播奠定了坚实的基础,对提高RFID系统的通信能力具有重要的意义。