基于NS-3的RFID系統的設計及仿真

周 丹，鄭 欣，劉志杰

（貴州師范大學 貴州省信息與計算科學重點實驗室，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種新興的自動識別技術，具有無需視距通信，能夠承受惡劣的物理環境，允許多標簽同時識別等特點，廣泛應用于智能交通、物品跟蹤、防偽識別等領域。同時，不同的應用需求造成了RFID系統的多樣性與復雜性。RFID系統中的一些關鍵問題，如標簽碰撞、閱讀器碰撞、系統安全等問題都有待進一步研究和完善。網絡仿真實現了對真實環境的模擬，是協議算法評價和系統性能評估不可缺少的工具。

目前使用較為廣泛的網絡仿真工具有OPNET[1]，NS-2[2]等。OPNET是一種功能強大的網絡仿真和建模工具，幾乎可以模擬任何網絡設備，支持各種網絡技術，同時還支持面向對象的建模方式 ，并提供了圖形化的編輯界面。但是OPNET價格昂貴，當仿真網絡規模和流量很大時，仿真效率會降低，且軟件所提供的模型庫也有限。NS-2同樣是面向對象的模擬器可以對固定、無線、衛星以及混合等多種網絡進行仿真。與OPNET相比，NS-2是一種開源的網絡仿真工具，可擴展特性和開源特性賦予了其強大的生命力。但NS-2中存在不支持多類型接口節點，無線物理層模型過于簡化等問題。美國華盛頓大學Thomas R. Henderson教授及其項目組研究了新的網絡模擬工具NS-3[3]。NS-3是新型開源的離散事件網絡模擬器，重新改寫了NS-2網絡模塊，不支持NS-2的API，使用C++或Python語言。相比NS-2，NS-3使用更加方便，且提供了對網絡協議的更低抽象層次，使其更貼近真實系統[4]。因此本文選用NS-3建立RFID系統仿真平臺。

1 RFID系統仿真平臺的搭建

RFID系統基于NS-3模擬器仿真，采用模塊化設計，通過C++語言編程實現所需功能。閱讀器與標簽之間通常采用詢問-應答的半雙工通信方式，Reader先發送命令，Tag根據Reader發送的命令執行相應操作，需要時，發送響應數據包[5]。閱讀器和標簽是RFID仿真系統中兩種結構相似但功能不同的無線節點，均由MAC層對象和物理層對象組成，通過信道層對象實現通信。通信架構如圖1所示。

圖1 閱讀器與標簽通信架構

MAC層將數據包封裝成幀；完成幀的發送接收；完成閱讀器與標簽的邏輯操作。

閱讀器的功能通過在MAC層對象中對標簽的選擇、盤存和訪問操作實現[6]，閱讀器的操作邏輯如圖2所示。閱讀器發送Select命令選擇查詢標簽，廣播攜帶幀長參數Q的Query命令，盤存開始，收到命令的標簽產生一個0～2Q－1的隨機數，并裝入時隙計數器中，當時隙計數器的值為0時，標簽回復一個16位隨機數（RN16）。閱讀器判斷是否收到RN16，如果收到就立即發送ACK命令；如果沒有收到就判斷是否發生碰撞。若發生碰撞則采用Q算法防碰撞，若沒有發生碰撞則閱讀器發送QueryRep命令重復查詢。

圖 2 閱讀器的操作邏輯

標簽的功能通過在MAC層對象中根據閱讀器命令轉換狀態實現[6]。從閱讀器開始查詢到獲取標簽存儲的信息，標簽共經歷四個狀態的轉換，分別是就緒、仲裁、應答和確認。標簽的狀態轉換如圖3所示。標簽進入射頻區后上電進入就緒狀態，收到Query命令，若時隙計數器的值不為0，則進入仲裁狀態并等待QueryRep或QueryAdjust命令，直到時隙計數器的值為0并進入應答狀態。若時隙計數器的值為0，則進入應答狀態反向散射RN16，當接收到正確RN16的ACK命令時進入確認狀態，進入確認狀態的標簽反向散射其存儲的信息。

圖3 標簽的狀態轉換

物理層：定義了閱讀器與標簽之間無線通信的鏈路，包括工作頻率、數據速率和編碼調制方式等技術參數以及數據的發送接收。

信道層：閱讀器與標簽通過信道層互相通信。信道層中加入傳播損耗模型（Propagation Loss Model），并計算系統的最遠工作距離。通過式（1）計算標簽芯片獲得的功率Pr：

暫時不考慮天線之間的極化損失，可以得出系統的最遠工作距離dmax為：

其中：Pt為閱讀器的發射功率；Gt為閱讀器天線增益；Gr和d為標簽天線增益和工作距離；Pth為標簽芯片的最低功耗。

2 RFID系統測試

為驗證基于NS-3的RFID系統仿真平臺的搭建功能，在此系統上運行一個實例，發現閱讀器與標簽可成功通信，獲取標簽信息，如圖4所示。Reader向Tag1發送Query命令開始查詢，收到命令后的Tag1在（0，2Q－1）范圍內挑選一個隨機數，并將該數值載入。

當時隙計數器為0時，發送RN16；當閱讀器收到RN16時發送含有相同RN16的ACK命令確認該標簽，標簽收到ACK命令后，發送存儲的ID。

圖4 閱讀器與標簽通信

3 結 語

本文搭建了一個基于NS-3的RFID仿真系統，對其MAC層對象、物理層對象、信道層對象給出了具體的仿真實現，并通過實例驗證了此系統。NS-3模塊化設計的靈活性便于給RFID系統加入各種不同的模塊，有利于RFID系統的深入研究與探討，以及測試RFID系統性能，解決RFID相關問題。

[1]周慧.OPNET網絡仿真及其應用研究[D]. 武漢：武漢科技大學，2009.

[2] The network simulator NS-2：Documentation[DB].http：//www.isi. edu/nsnam/ns /ns-documentation. html

[3] HENDERSON T R， LACAGE M，RILEY G F.Network simulations with the NS-3 simulator[C].ACM SIGCOMM’08， Seattle，Washington DC，2008.

[4] 張登銀，張保峰.新型網絡模擬器NS-3研究[J].計算機技術與發展，2009，19（11）：80-84.

[5] 丁治國.RFID關鍵技術研究與實現[D].合肥：中國科學技術大學，2009.

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[7] 潘琢金，吳昊，羅振，等. 無線Mesh網絡先驗式多樹路由協議的研究與NS-3仿真[J].微電子學與計算機，2016，33（8）：45-49.

[8] 余騰，劉志敏. 基于NS-3的衛星鏈路TCP仿真研究[J].計算機工程與應用，2015（22）：90-94.