專利名稱：自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播仿真方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線通信技術領域的仿真方法，具體的是一種自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法。
背景技術：
無線射頻識別技術(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，近年來得到了迅速發(fā)展。計算機仿真是研究射頻識別系統(tǒng)電波傳播特性的重要手段。在實際運用中，需要根據射頻識別系統(tǒng)的工作原理，使用合適的仿真方法對實際系統(tǒng)的工作特性進行計算機仿真。一種簡單易行、又能體現(xiàn)各種實際情況下系統(tǒng)工作特征的仿真方法是非常重要的。
經對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Klaus Finkenzeller等在<RFID Handbook>(射頻識別系統(tǒng)手冊，2003年出版)一書中<Chapter 4 Physical Principles of RFIDSystem>(射頻識別系統(tǒng)物理層，61頁至161頁)提出基于結合反向散射原理自由空間中單閱讀器和電子標簽系統(tǒng)的仿真方法。然而在該方法中電子標簽和閱讀器者均處于相對固定的位置，無法根據實際應用環(huán)境作調整；同時該方法缺少對天線極化因素的考慮，而在實際應用中，天線的極化因素對系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播仿真方法，使其在現(xiàn)有技術的基礎上，能有效地體現(xiàn)閱讀器和電子標簽的相對位置和相對角度，天線的極化種類和天線的方向圖函數等特性對系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，同時保證了相當高的計算效率。這是傳統(tǒng)的射頻識別系統(tǒng)仿真方法無法達到的。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步采用現(xiàn)有技術(如通過實測)確定閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數，形成閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數的數據文件。
在實際仿真系統(tǒng)確定的情況下，通過實測的方法確定系統(tǒng)中的閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數，即確定Greader(θ，)和Gtag(θ，)。其中，Greader(θ，)為閱讀器天線的方向圖函數，Gtag(θ，)為電子標簽天線的方向圖函數。
第二步采用現(xiàn)有技術(如通過實際系統(tǒng)的技術手冊或者實測)確定閱讀器天線和電子標簽天線的極化種類，通過分析兩者極化種類間關系，確定極化衰落因子γ。
在實際仿真系統(tǒng)中，確定閱讀器天線和電子標簽天線極化方向對于信號衰減的影響。閱讀器天線和電子標簽天線可能為線極化、圓極化或橢圓極化。發(fā)射天線的極化方向和接收天線的極化方向對于兩者間的信號衰減影響很大。當兩個線極化天線極化方向相同，兩者間信號功率衰減最??；相反，當極化方向為90°或270°時，兩者間的信號功率衰減最大。圓極化或橢圓極化分解成線極化進行分析。極化方向相互垂直的兩個天線，兩者之間由于極化造成的信號功率衰減為20dB，γ＝0.01。一個線極化天線和另一個圓極化天線，兩者之間由于極化造成的信號功率衰減量為3dB，γ＝0.5。
第三步，建立坐標系，表征電子標簽和閱讀器天線的相對位置和相對角度。
為了在仿真中體現(xiàn)電子標簽和閱讀器天線的相對位置和相對角度，需要分別建立直角坐標系和球面坐標系。為了減少計算量和參量個數，按如下方法建立坐標系以閱讀器天線(半波振子)的中心點為原點，軸線為Z軸建立坐標系，用五個參數(x，y，z，θ，φ)來表征電子標簽天線的位置和方向。
第四步，根據反向散射原理，結合前三個步驟的結果分析從閱讀器到電子標簽的信號功率衰減，建立計算電子標簽的接收信號功率的表達式，通過計算電子標簽的接收信號功率，得到實際系統(tǒng)中閱讀器和電子標簽處于不同位置和不同角度下電子標簽的接收信號功率，仿真實際系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
根據射頻識別系統(tǒng)的工作原理，對于前向鏈路，電子標簽天線的輸入阻抗和負載阻抗完全匹配，建立電子標簽的接收信號功率的表達式
式中，Ptag為電子標簽的接收信號功率，實際系統(tǒng)中，這一功率必須大于一定的門限值電子標簽才進入工作狀態(tài)，系統(tǒng)才能正常工作。所以這一功率決定了電子標簽的工作狀態(tài)，也即系統(tǒng)的工作狀態(tài)。γ為由第二步確定的極化衰落因子，R為電子標簽天線和閱讀器天線中心點距離，λ為系統(tǒng)工作波長。θ1，1和θ2，2分別為閱讀器和電子標簽天線的角度參量。PPA為閱讀器天線輸入功率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的顯著效果在于閱讀器和電子標簽的相對位置和相對角度，天線的極化種類和天線的方向圖函數均作為參量出現(xiàn)在由該方法得出的表達式中，所以該發(fā)明適用范圍比現(xiàn)有技術更廣，同時該發(fā)明簡單易行，在獲得閱讀器和電子標簽天線方向圖函數的數據文件后，可以很容易地用MATLAB實現(xiàn)計算機仿真。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
以下通過利用MATLAB仿真工具對本發(fā)明進行仿真的實施例作詳細說明。仿真環(huán)境為自由空間中的單一閱讀器和電子標簽組成的工作頻率在900MHz的超高頻射頻識別系統(tǒng)。其中閱讀器和電子標簽天線均采用半波振子天線，閱讀器天線發(fā)射功率100mW。同時以閱讀器天線(半波振子)的中心點為原點，軸線為Z軸建立坐標系。用五個參數(x，y，z，θ，φ)來表征電子標簽天線的位置和方向。在該實施例下電波傳播表達式如下式Ptag=12PPA·λ02(4π)2(x2+y2+z2)·cos2(π2cosθ1)cos2(π2cosθ2)sin2θ1sin2θ2·2.7]]>其中θ1=tg-1x2+y2z]]>
首先考察閱讀器與電子標簽間距離與信號功率衰減的定性關系。仿真中，令x可變，θ＝0，考察x與Ptag的變化關系。確定不同的y，z，仿真兩組數據，第一組(y＝2.5m，z＝2.5m)，見

圖1。第二組(y＝1.5m，z＝1.5m)，見圖2。對仿真結果進行分析表明，Ptag隨著x的變化而迅速減小，即信號衰減隨著距離的增大而迅速增大。這一結論與射頻識別系統(tǒng)實際場景相吻合。
再考察角度關系和信號衰減的定性關系。仿真中，令θ可變，考察θ與Ptag間的關系。其中θ的變化范圍為-0.5π至0.5π。確定不同的x，y，z，仿真三組數據，結果如圖3所示。從三條曲線峰值對應的角度值看出當電子標簽軸向與閱讀器和電子標簽連線方向垂直時電子標簽接收到的功率最大，信號衰減最小。這一結論與射頻識別系統(tǒng)實際場景相吻合。
從本實施例中可以看出按照本實施例獲取的仿真結果可以有效地用于射頻識別系統(tǒng)工作狀態(tài)分析。
權利要求
1.一種自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播仿真方法，其特征在于，包括以下步驟第一步采用現(xiàn)有技術確定閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數，形成閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數的數據文件；第二步采用現(xiàn)有技術確定閱讀器天線和電子標簽天線的極化種類，通過分析兩者極化種類間關系，確定極化衰落因子γ；第三步，建立坐標系，表征電子標簽和閱讀器天線的相對位置和相對角度；第四步，根據反向散射原理，結合前三個步驟的結果分析從閱讀器到電子標簽的信號功率衰減，建立計算電子標簽的接收信號功率的表達式，通過計算電子標簽的接收信號功率，得到實際系統(tǒng)中閱讀器和電子標簽處于不同位置和不同角度下電子標簽的接收信號功率，仿真實際系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
2.根據權利要求1所述的自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法，其特征是，所述的第一步中，在實際仿真系統(tǒng)確定的情況下，通過實測的方法確定系統(tǒng)中的閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數，即確定Greader(θ，)和Gtag(θ，)，其中，Greader(θ，)為閱讀器天線的方向圖函數，Gtag(θ，)為電子標簽天線的方向圖函數。
3.根據權利要求1所述的自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法，其特征是，所述的第二步中，通過實際系統(tǒng)的技術手冊或者實測確定閱讀器天線和電子標簽天線的極化種類，閱讀器天線和電子標簽天線可能為線極化，圓極化或橢圓極化，發(fā)射天線的極化方向和接收天線的極化方向對于兩者間的信號衰減影響很大，當兩個線極化天線極化方向相同，兩者間信號功率衰減最?。幌喾?，當極化方向為90°或270°時，兩者間的信號功率衰減最大，圓極化或橢圓極化分解成線極化進行分析；極化方向相互垂直的兩個天線，兩者之間由于極化造成的信號功率衰減為20dB，γ＝0.01，一個線極化天線和另一個圓極化天線，兩者之間由于極化造成的信號功率衰減量為3dB，γ＝0.5。
4.根據權利要求1所述的自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法，其特征是，所述的第三步中，分別建立直角坐標系和球面坐標系體現(xiàn)電子標簽和閱讀器天線的相對位置和相對角度，按如下方法建立坐標系以閱讀器天線的中心點為原點，軸線為Z軸建立坐標系，用五個參數x，y，z，θ，φ來表征電子標簽天線的位置和方向。
5.根據權利要求1所述的自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法，其特征是，所述的第四步中，對于前向鏈路、電子標簽天線的輸入阻抗和負載阻抗完全匹配，建立電子標簽的接收信號功率的表達式 式中，Ptag為電子標簽的接收信號功率，γ為由第二步確定的極化衰落因子，R為電子標簽天線和閱讀器天線中心點距離，λ為系統(tǒng)工作波長，θ1，1和θ2，2分別為閱讀器和電子標簽天線的角度參量，PPA為閱讀器天線輸入功率。
全文摘要
一種自由空間中超高頻射頻識別系統(tǒng)電波傳播的仿真方法，屬于無線通信技術領域。步驟為通過實測確定閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數，形成閱讀器天線和電子標簽天線的方向圖函數的數據文件；確定閱讀器天線和電子標簽天線的極化種類，確定極化衰落因子γ；建立坐標系表征電子標簽和閱讀器天線的相對位置和相對角度；結合前三個步驟的結果分析從閱讀器到電子標簽的信號功率衰減，建立仿真表達式，利用MATLAB進行計算。本發(fā)明能有效地體現(xiàn)閱讀器和電子標簽的相對位置與相對角度，天線的極化種類和天線的方向圖函數等因素對電波特性及系統(tǒng)工作特性的影響，同時保證了相當高的計算效率，易于在微型計算機上進行仿真分析。
文檔編號G06K7/00GK101051342SQ200710040468
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權日2007年5月10日
發(fā)明者程鵬亮, 戎蒙恬 申請人:上海交通大學