基于RFID系統的超高頻室內傳播模型研究

　　［摘 要］RFID系統的所有信息在信道中的傳輸特性與環境密切相關——氣候特征、電磁干擾情況和使用頻段等，它們直接影響到RFID系統設備要采用的傳輸技術、通信能力以及服務質量。RFID系統室內傳播信道的特征，對于保證通信系統得到令人滿意的性能是非常重要的，但每個系統的位置測量是非常繁雜且代價高昂的。因此，總結近似的傳播模型有助于系統方案的選擇研究。
　　［關鍵詞］RFID;超高頻;室內傳播模型
　　［中圖分類號］TP393 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1005-6432（2011）15-0108-02
　　
　　RFID射頻識別技術，俗稱電子標簽，由標簽（Tag，即射頻卡）、閱讀器和天線三個基本部分組成。RFID系統的電子標簽與讀寫器之間是按電磁耦合的原理，利用電磁場或電磁波作為傳輸手段，完成非接觸雙向通信，獲取相關數據。電磁波在空間中的傳播有4種情況：直射、反射、繞射和散射。
　　直射：自由空間傳播。反射：當在電磁波傳播的路徑上有一個體積遠大于電磁波波長的物體時，電磁波不能繞射過該物體，在不同介質交界處會發生反射。在理想介質表面，一部分能量進入新介質中繼續傳播，一部分能量則反射回原介質中。繞射：在發射與接收之間有邊緣光滑且不規則的阻擋物體時，該物體的尺寸與電磁波波長接近，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。電磁波的繞射能力與電波的波長有關，波長越長，繞射能力越強。散射：當電磁波的傳播路徑上存在小于波長的物體。并且單位體積內這種障礙物體的數目非常巨大時，發生散射，散射發生在粗糙表面、小物體或其他不規則物體處，如吊扇、燈等。超高頻RFID系統指電磁波頻率超高頻或微波段：300MHz—3GHz，根據Rayleigh標準，絕大部分室內物體表面可視為平坦，散射等可忽略不計。在室內環境下，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生的繞射波。這就造成室內電波傳播的多樣性和復雜性，也就增大了對室內傳播研究的難度。室內信道有兩個主要的特征：覆蓋面小，環境變動大。建筑物內傳播受到諸如建筑物布置、材料結構和建筑物類型等因素的強烈影響，室內傳播的機理仍然是：反射、繞射和散射。但是，條件卻不同。例如，信號電平很大程度上依賴于建筑物內是開是關。天線安裝在何處也影響大尺度傳播。同樣，較小的傳播距離也使天線的遠場條件難以滿足。
　　一般來說，室內信道分為視距（LOS）或阻擋（OBS）兩種，并隨著環境雜亂程序而變化。超高頻RFID的室內傳播模型主要有以下幾種：
　　1 同樓層的分隔損耗模型
　　建筑物具有大量的分隔體和阻擋物。家用房屋中使用木框與石灰板分隔構成內墻，樓層間為木質或非強化混凝土。另一方面，辦公室建筑通常有較大的面積，使用可移動的分隔，以使空間容易劃分。樓層間使用金屬加強混凝土，作為建筑物結構一部分的分隔，稱為硬分隔。可移動的并且未延展到天花板的分隔稱為軟分隔。分隔的物理和電特性變化范圍非常廣泛，應用通用模型特定室內情況是非常困難的。因此表1，分別總結列出了不同分隔的平均信號損耗。
　　2 樓層間的分隔損耗模型
　　建筑物樓層間損耗由建筑物外部面積和材料以及建筑物類型決定。實際經驗證明，建筑物一層的衰減比其他層數的衰減要大很多，在5層以上，只有非常小的路徑損耗。
　　3 對數距離損耗模型
　　超高頻RFID室內路徑損耗模型遵從下式：
　　PL(dB)=PL(d0)+10nlog(dd0)+Xσ
　　其中，n依賴于周圍環境和建筑物類型，范圍在1.6~6之間，Xσ表示偏差為σ的正態隨機變量。表2列出了不同建筑物的典型n和Xσ值，這個模型簡單有效，適合于用計算機實現，但由于是經驗數據，精度相對較低。
　　4 Ericsson無線系統多層斷點模型
　　通過測試多層辦公室建筑，獲得了Ericsson無線系統模型。模型有4個斷點并考慮了路徑損耗的上下邊界。模型假定d=1m處衰減為30dB，這對于頻率f=900Hz單位增益天線是準確的。Ericsson模型提供特定地形路徑損耗范圍的確定限度。右圖是基于Ericsson模型的室內路徑損耗圖。
　　5 衰減因子模型
　　建筑物內傳播模型包括建筑物類似影響以及Seidel描述的阻擋物引起的變化。這一模型靈活性很強，預測路徑損耗與測量值的標準偏差為4dB，而對數距離模型的偏差達13dB。衰減因子模型表達式為：
　　Ericsson室內路徑損耗模型
　　PL——(d)［dB］=PL——(d0)［dB］+10nSFlog(dd0)+FAF［dB］
　　式中，nSF表示同層測試的指數值。如果同層存在很好的估計值n，則不同層路徑損耗可通過附加FAF值獲得。
　　上述為只適用于超高頻RFID系統的室內傳播模型。在實際工作中，由于這些模型都是針對某些環境情況下得出的，預測值的誤差可能很大，需要進行調整。傳播模型的建立過程也就是傳播模型的校正過程。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，對提高RFID系統的通信能力具有重要的意義。
　　
　　［作者簡介］王明清（1971—），男，四川樂山人，樂山職業技術學院電子信息工程系教學主任，講師，本科，碩士在讀。研究方向：電子信息，機電類課程教學。