下载  >  开发技术  >  其它  > 论文研究-多径传播环境下的无源UHF RFID系统电波传播模型.pdf

论文研究-多径传播环境下的无源UHF RFID系统电波传播模型.pdf 评分:

针对自由空间模型在预测射频识别系统识别距离时存在的偏差,综合考虑射频识别系统应用的多径传播环境,建立一种无源超高频射频识别系统电波传播模型,并重点分析了前向链路路径损耗的主要影响因素及其计算方法。基于该电波传播模型,探索性地提出实际环境下的无源超高频射频识别应用模拟思路。仿真和测量结果表明,该模型在预测无源超高频射频识别系统识别距离时更为准确。
唐志军,吴笑峰,詹杰,等:多径传播环境下的无源 UHF RFID系统电波传播模型 2014,50(16)27 其中,d为直接路径的长度,d,为第i条反射路径的长 度,k为波数,N为反射路径的总数,n1m为归一化天 (15) 线散射模式,/为第个波的非涅耳反射系数。考虑 到阅读器天线增益与方向性相关,r,可以用式(10)来4多径传播环境对系统性能的影响分析 表 图1描述了前向链路的多径情况:图1(a)是包含直 r- cos -Pe, - e, 接路径(LOS)的多径信道情况;图1(b)是小尺度衰落 (10)(快速衰落)情况,该多径信道无直接路径,标签接收米 cosh+P、ec sin a 自地面和标签周围物体反射与衍射的功率;图1(c)是大 其中,6为地面的复介电常数,O为入射角,P为极化尺度衰落(慢速衰浴)情况,属于多反射与多衍射信道, 相关因素,水平极化时p-1,垂直极化时p-16 标签接收到的信号为远离标签障碍物的多重反射和多 当仅考虑直接路径时,该模型简化为自由空间模重衍射之和,与第二种情况相反,这些多重路径经历不 型。考虑一个仅包含直接射线和地面反射的简单模同的吋间延迟,此外,阅读器和标签之间的主要障碍物 型ε对于典型的地面参数(介电常数ε,-15,电导率σ=会引起大尺度袞落(也称阴影衰落)。因此,路径损耗随 0.005S/m)和典型的天线离地高度(0.5-2m),菲涅耳识别此离急增大,以平均值为中心呈对数正态分布。 反射系数/几乎是实数,最坏情况是=-1。在平地第二种情况称为小尺度衰落,它是指由于位置的徵小变 模型中,当系统的识別距离R远大于阔读器天线离地高化而引起的信号幅度及相位的变化。慢衰落可以川分 度(n)和标签天线离地高度(h2),即R>>4b1h2时,路贝表示,将其增加到Lm中来表示未知的总路径损 径损耗可以简化为 耗。由于标签的接收功率是·个随机变量,快衰落的影 R 响可以通过总的接收功率(随机变量)而不是路径损耗 -)2 (2兀/)·(h1h2R) (11) (2x)(h1h2R2]h2 来建模。 根据这些假设,对于平地模型,其路径损耗指数因 障碍物 子(或系数)n=4。通常,n的取值主要取决于应川环 境。然而,在RFID实际应用环境中,这些假定存在偏 差,因为实际距离往往小于开启距离R,,其路径损耗 词凌器国天线{碍物)□标鉴 指数因子不同于自由空间(n=2)和平地模型(n=4)。 直接路径 在类似波导环境中,电磁波只沿一个方向传播,路径损 耗可以通过距离的指数形式来描述。通常,RFID室内 (a)具有LOs路径情况 环境中的路径损耗计算可以根据经典的双斜率模型 障碍物 获得: R(1+R/R 阅读器 障碍物)口标答 L (12) 天线 其中,n为距离小于Ra时的路径损耗系数,a为距离 障碍物 大于R时的路径损耗系数,如平地模型-4,los为 b)小尺度哀落情况 行射和介质衰减所引起的损耗。而包含在Lb中的行 射损耗可以通过移动通信广泛使用的刀口模型来获取 根据文献[5可以导出L、的表达式 obs 障碍物 L=69+201g(+o+1) (13) 阅读器 其中,n>0.7,为障碍物的归一化高度,其计算可以 天线 f112 、标签 通过式(14)给出: obs obs (d1-d2) (14) (c)大尺度落情况 其中,h、为直接路径和障碍物边缘之间的距离,d1为 图1前向链路各种多径情况 障碍物边缘到阅读器的距离,d2为障碍物边缘到标签 首先分析快速袁落情况,离散信道的低通脉冲响应 的距离。鉴于实际应川中的无源RFID东统识别距离往(x,1)可以通过若干个具有特定延迟和衰减的离散路 往小于开启距离R,,则式(12)可以简化为: 径来表征。许多向量遭到破坏或重构导致了信号衰 28 014,50(16) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 落。阅读器和标籥间不同传播路径的杂波程度产生随对数就是这些随机变量的总和,根据中心极限定理,该 机阴影影响,该随机变量通常具有正态分布。与此相功率服从高斯正态分布,即对数正态分布。然后,标签 反,当多径传播环境中IOS波占主导地位时,信号包络的平均接收功率大于其开启功率的概率可以通过式 线的振幅服从莱斯概率分布,在快速衰落情况中,(20)来求解: 标签接收功率大于开启功率Pt的概率可以由下列互补 Prob(P rf( lt receive I: )(20) 分布函数给出: Prob(Receive tag >Puh)=1-Q(2k,、2PPm)(16)其中,e(为误差积分函数,为用分贝表示的功率标 其中,g为马库姆函数,莱斯系数k定义为LOs镜面准偏差。功率延迟分布P(0显示标答天线的接收功 反射功率P与多径漫反射功单m之比。K值越率是不同路径到达时间的函数:可以从频率信道响应 大,则IOS链路则越多。 的傅里叶逆变换来获取脉冲信道响应h(τ,,而P(τ,f) 在近LOS链路中,由于来自物体的多重反射信号和可以通过式(21)获得: 其他拓扑特征的变化,接收功率强度随时间和空问发生 P(r,)=h。r,) (21) 变化。接收信号强度的变化量取决于非视距(N.Os)的其中,τ为时间延迟,t为测量完成的时间点。若假定 程度。因为需要额外的发射功率来保证特定电平的可RFID是静态的,则遍历性条件满足,P(z,D)的平均值等 用性(定义为检测标签的慨率),所以,当天线接收到的于瞬吋值 信号电平低于预定电平时,通信则发生中断。由于发射 延迟分布决定了频率分散特性,也就是说,两个不 功率(即有效全向辐射功率,EIRP)受限于RFID法规,同频率信道衰落的相关程度。从平均P(,1)中可以获 所以,该额外功率是很小的。因此,在非视距链路中提得平均超量延时τ和均方根时延扩展τ。t是反射 高可用性的关链是空间分集。如果没有主导IOs波存延迟的均方根或标准偏差,它可以通过式(22)获取 在,即P=0或K=0,则可以通过增加大量独立场分 量来获得h、(τ,1),然后,h(τ,)被建模为一个零均值高 (t-1) P(t b)dt 斯过程,任何时间的包络h(r,)服从瑞利分布。对 「"P(r,fd 于NIOS下的单输入单输出信道,随机接收信号电平服 在一个高速数字系统中,该分散将经历频率选择性 从瑞利分布。标签的平均接收功率大」其开启功率的衰落和码间干扰。典型 UHF RFID应用中,码持续时间 概率可以用式(17)来表示 通常大于10倍x,所以不会产生严重的码间十扰。 Prob( p eceive lig>Ph)=e M!precive.ag (17) 另外一个重要的信道参数是相干带宽B。,定义为 在移动通信系统中,慢衰洛可以解释为大尺度内的组件之间的自相关函数首次低于预定水平(通常为最大 快衰落平均水平。而RFD应用环境不同于移动通信环值的03倍)时的频率间隔。相干带宽可以从实际测 境,由于其散射体的距离较低,所以该大尺度必须缩减° 量中近似获得 正如前亩所讨论的,在RFID大部分应用中,由于LOS B 周围存在各种物体的阻挡.使得RFID环境为近LOS情 基于上述关键参数分析,实际环境下的无源超高 形。RFD发射信号在到达接收端之前不是单的散射频RFD系统应用模拟思路可以描述为:①通过式(3) 机制而是需要经过多次反射、折射、行射和散射。假定和双斜率模型来计算每一个点的平均功率;②利用式 不存在LOS路径,则接收信号S(O0、可以用所有路径项(20)来计算近NLOS对数正态环境下的覆盖概率;③用 的和来表示 式(16)或(17)来分别计算莱斯或瑞利信道模型中的 S,(1) J9 I (18)概率 其中,a为某个路径幅度系数,表示各反射或衍射系数5结果分析 的级联相乘,!为相位,该相位与各路径的行程差(相 基于平地模型,根据式(9)和(10),选择离地高度相 对直接路径)到达时间波长和周围环境等因素相关。同的阅读器天线和标签天线,路径损耗和识别距离的关 从而,幅度系数a,可以表示为 系如图2所示。 (19) 从图2中的仿真和测量结果可以看出,与白由空间 模型相比,平地模型更接近实际,并且其对路径损耗的 其中,b为瑞利分布随机变量,M为沿路径i的散射次预测值大于测量值。由于阅读器天线带宽减少了直接 数。这些多重散射会影响接收功率的平均值。功率的和反射波束的局部消除,所以一些其有相似延迟路径的 唐志军,吴笑峰,詹杰,等:多径传播环境下的无源 UHF RFID系统电波传播模型 2014,50(16)29 10r 自由空间 一水平极化 h=1m(预测) 垂直极化 h=2m(预测) h=1m(测量) h-2m(测量 湘 0 3 1.0 0 距离 天线高度 图2路径损耗与识别距离及天线离地高度的关系 图4标准偏差与天线离地高度的关系 叠加引起预测与测量的偏差。尽管平地模型存在局限 设定n的值为2,标签天线增益为0dBi,阅读器天 性,但其衰落位置的预测与测量基本保持一致。然而,线增益为6.0dBi,ERP采用FCC-15规定的4W来预测 对于更远的距离,需要考虑更多路径来描述大衰落。此RFID系统的识别范围。图5描述了标签和阅读器平均接 外,衰落幅度与频率相关,对于不同的频带,最大和最小收功夲与识别距离的关系。考虑到典型的标籥开启功率 值的位置依赖于极化特性。因而,极化的多样性可以有或灵敏度为-10dBm左右,阅读器的灵敏度为-80dBm 效防止多径信道衰落。 左右,从图5中可以看出,影响RFID系统识别距离的通 根据式(12),对缴标度上的双斜率模型阐明了路径信链路主要是前向链路,即阅读器到标签的通信链路。 损耗对应于一条斜率为n1的直线,该直线提供了随机 路径损耗的平均值。这相当于通过散射路径损耗测量 值拟合一条最小二乘线性回归线,使得回归线路径损耗 的均方差最小化。从该回归中可以获得不同离地高度 切eaa 天线的路径损耗系数平均值n1,结果如图3所示。从图 3中可以看岀:平地模型预测的路径损耗系数仿真值要比 实测值低;多径环境对较低离地高度天线影响较大,其路 标签接收功率 径损耗系数大于2,当天线离地高度增加时,其路径损耗系 4阅该器接收功率 数则趋向于自由空间的损耗系数值2;也就是说,天线离 地高度越低对路径损耗的影响就越大。此外,相对垂 识别距离/m 直极化,水平极化的路径损耗系数曲线具有更多纹波。 图5平均接收功率与识别距离的关系 给定标激活概率 Prob(P>Pn)-95%,根 据式(3)、(16)、(17和(20)可以得出RFID系统最大识 别距离与有效全向辐射功率的关系如图6所示。从图6 中可以看出,在EIRP一定的情况下,基于自由空间模型 1.5 的识别距离最大,基于莱斯分布和瑞利分布的次之,而 H 水平极化仿真值 垂直极化仿真值 基于对数正态分布的识别距离与功率标准差有关。 水平极化测量值 垂直极化测量值 自由空向 1.5 1.0 1.5 2.0 8 莱斯分布(K=10) 对数正态分布(=2) 天线离地高度/m 瑞利分布 图3路径损耙系数与天线离地高度的关系 对数正态分布(s=4) 图4显示了基于双斜率模型仿真计算与测量值之 间的标准方差随天线离地高度变化的关系,两种极化的 平均值接近2dB,水平极化的方差要大于垂直枚化的方 差,这是因为对于水平极化来说,地面的反射系数是负 的,其入射更接近正常地面入射。此外,可以通过图4 有效全向辐射功率/dBm 获得功率标准偏差s 图6不同多径信道的最大识别距离预测 30 014,50(16) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 该仿真结果显示,通过自由空间模型计算的识别距 Conference, Rome, Italy, 2009: 1105-1108 离过于理想,偏差较大,基于莱斯分布、瑞利分布和对数[7] Raffaele d e. An indoor backscattering channel charac 正态分布的认别距离预测值更接近实际。此外,当 terization for UWb passive RFID applications[C] the EIRP取值较小时,上述几种情况的差别不明显,当EIRP 6th European Con ference on Antennas and Propagation 取值较大时,则有明显的差别。 Prague, Czech, 2012: 1169-1173 [8 Daniel A, Ulrich M Characterization and modeling of UhF 6结束语 RFID channels for ranging and localization. IEEE Trans actions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60(5 基于自由空间和单站雷达模型,本文研究了多径传 2491-2501 播环境下的无源超高频RFID电波传播模型,分析了多 [9 Nikitin P V, Rao k v s, lam s F Powcr reflcction coffi 径传播环境对系统性能的影响。通过上述理论研究和 cient analysis for complex impedances in RFID tag design[J] 实验仿真结果可以得出:(1)要正确地预测RFID系统识 IEEE Transaction on Microwave Theory and Technologies 别距离,需要建立符合其实际应用环境的电波传播馍 2005,53(9):2721-2725 型;(2)路径损耗是RFID无线链路预算中的关键叁 [10]唐志军,何恰刚无源射频识别系统中的雷达截面分析与 其计算方法取决于实际应用的多径条件;(3)鉴于阅读 计算[物理学报,2009,58(7):757-763 器的灵敏度远小于标签的开启功率,则影响RFID系统1] Nikitin p v, Rao Ky s, Martinez d differential rcs 识别距离的通信链路主要是前向链路;(4)RFID应用环 of RFID tag[I].Electronics Letters, 2007, 43(8): 431-432 境不是静态的而是动态的标签接收功率是一个随机变12 riffin J L, Durgin G L, Haldi a, et al.Rf tag antenna 量,同多径传播条件卜的标签接收功率服从不同的统 performance on various materials using radio link bud 计概率分布。此外,基于多径传播环境下的电波传播模 gets.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters 2006,5(1):247-250 型,本文为无源超高频RFI系统提供一种新的应用模 [13 Antonio L, David G. David S Radio link budgets for UHF 拟思路 RFID on multipath environments J]IEEE Transaction on Antenna and Propagation, 2009,57(4):1241-1251 参考文献: [14 Rappaport T S.Wireless communication: principles and [1 BANSAL R Coming soon to a Wal-Mart near you[J.IEEE practice[M].2nd ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall Antennas Propagation Magazine, 2003, 45(12): 105-106 [2]唐忐军席在芳,詹杰无源反向散射RFD系统识别距离的[15] LEE C Y Mobilc communications cnginccring[M]New 影响因素分析计算机工程与应用,2012,48(23):85-89 York: McGraw-Hill, 1995 3] Nikitin p v.RaoKⅴS. Antennas and Propagation in UHF[16]佘开,何怡刚,李兵,等无源超高频RHD系统链路预算 RFID systems[C]/IEEE International Conference on RFID 分析[J仪器仪表学报,2010,31(5):974-979 The Venetian, Ias Vegas, Nevada, USA, 2008: 277-288 [17 Helstrom C w. Computing the generalized Marcum Q 「4]程鹏亮戎蒙恬射频识别系统电波传播模型与仿真[J.计 function J].IEEE Transaction on Information Theory 算机仿真,2008,25(2):322-324. 1992,38(4):1422-1428 [5] Zhuo S, Cheung s C Investigation of radio link budget for [18] Saleh AA M, Valenzuela R A.A statistical model for UHF RFID systcms[C]/IEEE International Conference on ndoor multipath propagation J].IEEE Journal on Selected RFID-Technology and Applications, Guangzhou, China Areas in Communications. 1987, 5(2): 128-137 010:164-169 [19] Bertoni H L, Honchareko W, Rocha L, et al. UHF propa [6 Lazaro A, Girbau D, Salinas D Channel modeling for UHF ation for wireless personal communicationsIEEE RFID[]/Proceedings of the 39th European Microwave Procceding,1994,82(9):1333-1359.

...展开详情
2019-09-10 上传 大小:578KB
举报 收藏
分享
论文研究-多径信道下的自适应LDPC解码器 .pdf

多径信道下的自适应LDPC解码器,肖扬,Kiseon Kim,现有低密度校验码(LDPC)的解码在多径信道下呈现很差的误码率(BER)性能,其BER可能大于25%。为了解决这个问题,本文提出了一种自��

立即下载
论文研究-多径衰落信道下OFDM系统联合定时同步及信道估计 .pdf

多径衰落信道下OFDM系统联合定时同步及信道估计,范建存,殷勤业,针对正交频分复用(OFDM)系统在多径衰落信道下对定时同步和信道估计误差十分敏感的问题,提出了一种新的基于训练序列的联合定时��

立即下载
论文研究-多径分级定向扩散路由协议 .pdf

多径分级定向扩散路由协议,周丰,王璇,提出了改善传感网络性能的路由协议--多径分级定向扩散路由协议(Multiple Path Assort Direct Diffuse)。此协议以定向扩散协议为研究基础,��

立即下载
论文研究-多径TCP传输性能模型与分析 .pdf

多径TCP传输性能模型与分析,刘垠,徐恪,多径TCP协议(MPTCP)是一种利用多条路径并发传输的传输层协议,可以提高端到端的吞吐率,增加网络利用率。针对多径TCP协议的性能模型��

立即下载
论文研究-多径信道下OFDM信号特征分析 .pdf

多径信道下OFDM信号特征分析,李露露,宁晓燕,OFDM技术由于其高效的频谱利用率和优越的抗多径干扰能力被广泛应用于现代通信系统中。随着非合作通信技术的不断进步,寻找出一种��

立即下载
论文研究-CDMA码片内多径分离及其RAKE接收 .pdf

CDMA码片内多径分离及其RAKE接收,高芳,张晓光,传统的RAKE接收机只能接收相对延时大于一个码片宽度的路径,但是在建筑物密集、室内等环境中,多径之间的相对延时很小,小于一个��

立即下载
论文研究-定位接收机码跟踪环路中的短多径抑制算法设计与实现 .pdf

定位接收机码跟踪环路中的短多径抑制算法设计与实现,邓中亮,范时伟,近年来,随着人们的生活越来越智能化,位置服务(Location Based Service)已渐渐成为人们日常生活不可或缺的一项关键技术。然而相对于��

立即下载
论文研究-多径瑞利衰落信道下的OFDM信号盲检测与参数估计 .pdf

多径瑞利衰落信道下的OFDM信号盲检测与参数估计,袁泽林,张文惠,本文提出了一种基于循环前缀的OFDM信号盲检测与参数估计算法,适用于多径瑞利衰落信道环境。该算法利用多个OFDM符号的循环前缀与信�

立即下载
论文研究-UWB无线通信技术在矿井中的应用研究 .pdf

UWB无线通信技术在矿井中的应用研究,张传祥,杨海波,介绍了我国煤炭开采中数据通信的现状和UWB的发展,详细分析了UWB抗多径、低功耗、强穿透力和高集成化等特点。结合煤矿井下的实际情��

立即下载
论文研究-基于labview的慢衰落信道模拟 .pdf

基于labview的慢衰落信道模拟,黎威,李平安,复杂、恶劣的传播条件是移动通信信道的特征,在移动通信系统中,不论是上行链路还是下行链路,无线信号在传播过程中都会产生多径,�

立即下载
论文研究-基于并行干扰抵消的UFMC系统信道均衡 .pdf

基于并行干扰抵消的UFMC系统信道均衡,余翔,高燕妮,通用滤波多载波(UFMC)技术作为5G的一种候选波形,传输中不加循环冗余(CP),多径衰落信道下会产生符号间干扰(ISI)以及子载波间干扰(ICI)��

立即下载
论文研究-无线通信中角度扩散对波束赋形的影响 .pdf

无线通信中角度扩散对波束赋形的影响,李平安,胡奕,本文在CDMA通信系统波束赋形的性能分析中,应用了拉普拉斯功率角度谱分布模型;推导了多径传播时空信道环境下,使用智能天线阵列��

立即下载
论文研究-基于多径信道的宽带电力线通信性能分析 .pdf

基于多径信道的宽带电力线通信性能分析,刘玉凤,刘桂红,电力线通信是以电力线作为媒质来传递消息的一种通信方式。因为电力线通信在布线方面连接方便且成本不高,随着人们对网络传输质量��

立即下载
论文研究-MIMO-OFDM系统的多径干扰抵消算法研究 .pdf

MIMO-OFDM系统的多径干扰抵消算法研究,付丽娜,张洪明,本文提出了一种MIMO-OFDM系统中采用加权多径干扰抵消(W-MPIC)来减少保护间隔开销的方法。当某条路径时间延迟较长时,为克服这条多径需�

立即下载
论文研究-一种多径后台传输系统的研究与改进 .pdf

一种多径后台传输系统的研究与改进,钟琴,李庆,传统的多径传输其实只有一条路径工作,其它路径备份,本文研究了HARP多径后台传输系统,该系统采用覆盖网构成多径,将后台传输分��

立即下载
论文研究-通信高效的多径ZigBee路由协议 .pdf

通信高效的多径ZigBee路由协议,王群,王潜平,本文针对ZigBee网络单径路由算法提出了通信高效的多径ZigBee路由协议(Multi-Path ZigBee)。仿真结果表明相对于单径ZigBee协议,多径MP-ZigBee协��

立即下载
论文研究-cdma20001x多径衰落信道建模 .pdf

cdma20001x多径衰落信道建模,惠超峰,,本文是在对cdma20001x系统进行链路级仿真时,对仿真信道建模的研究。由于移动通信信道是一种多径衰落信道,发射的信号要经过直射、��

立即下载
论文研究-一种在多径信道下LDPC码的解码设计 .pdf

一种在多径信道下LDPC码的解码设计,仲亚丽,黄河,本文首先简单介绍了基带编码调制的LDPC系统与信道模型,接着设计了一种适合应用在多径信道下的自适应均衡器;然后,对LDPC码以及编�

立即下载
论文研究-无线Mesh网络移动自适应多径路由协议 .pdf

无线Mesh网络移动自适应多径路由协议,张鹏,廖青,由于无线Mesh网络具有高移动性和链路失效率,从而导致整个网络的吞吐率下降和端到端时延的增加。多径路由的提出就是为了减少链路��

立即下载
论文研究-基于SBR/IM的室内超宽带信号多径传播特性研究 .pdf

基于SBR/IM的室内超宽带信号多径传播特性研究,李双德,刘芫健,文中基于入射及反弹射线/镜像法研究了室内短距离办公室环境中超宽带信号多径传播特性。比较分析了仿真中得到的视距传播和非视距��

立即下载