基于NS-3的RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真

周 丹，鄭 欣，劉志杰

（貴州師范大學(xué) 貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有無需視距通信，能夠承受惡劣的物理環(huán)境，允許多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能交通、物品跟蹤、防偽識(shí)別等領(lǐng)域。同時(shí)，不同的應(yīng)用需求造成了RFID系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性。RFID系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵問題，如標(biāo)簽碰撞、閱讀器碰撞、系統(tǒng)安全等問題都有待進(jìn)一步研究和完善。網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)環(huán)境的模擬，是協(xié)議算法評(píng)價(jià)和系統(tǒng)性能評(píng)估不可缺少的工具。

目前使用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真工具有OPNET[1]，NS-2[2]等。OPNET是一種功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，幾乎可以模擬任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)還支持面向?qū)ο蟮慕７绞?，并提供了圖形化的編輯界面。但是OPNET價(jià)格昂貴，當(dāng)仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量很大時(shí)，仿真效率會(huì)降低，且軟件所提供的模型庫也有限。NS-2同樣是面向?qū)ο蟮哪M器可以對(duì)固定、無線、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。與OPNET相比，NS-2是一種開源的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，可擴(kuò)展特性和開源特性賦予了其強(qiáng)大的生命力。但NS-2中存在不支持多類型接口節(jié)點(diǎn)，無線物理層模型過于簡化等問題。美國華盛頓大學(xué)Thomas R. Henderson教授及其項(xiàng)目組研究了新的網(wǎng)絡(luò)模擬工具NS-3[3]。NS-3是新型開源的離散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器，重新改寫了NS-2網(wǎng)絡(luò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的更低抽象層次，使其更貼近真實(shí)系統(tǒng)[4]。因此本文選用NS-3建立RFID系統(tǒng)仿真平臺(tái)。

1 RFID系統(tǒng)仿真平臺(tái)的搭建

RFID系統(tǒng)基于NS-3模擬器仿真，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過C++語言編程實(shí)現(xiàn)所需功能。閱讀器與標(biāo)簽之間通常采用詢問-應(yīng)答的半雙工通信方式，Reader先發(fā)送命令，Tag根據(jù)Reader發(fā)送的命令執(zhí)行相應(yīng)操作，需要時(shí)，發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包[5]。閱讀器和標(biāo)簽是RFID仿真系統(tǒng)中兩種結(jié)構(gòu)相似但功能不同的無線節(jié)點(diǎn)，均由MAC層對(duì)象和物理層對(duì)象組成，通過信道層對(duì)象實(shí)現(xiàn)通信。通信架構(gòu)如圖1所示。

圖1 閱讀器與標(biāo)簽通信架構(gòu)

MAC層將數(shù)據(jù)包封裝成幀；完成幀的發(fā)送接收；完成閱讀器與標(biāo)簽的邏輯操作。

閱讀器的功能通過在MAC層對(duì)象中對(duì)標(biāo)簽的選擇、盤存和訪問操作實(shí)現(xiàn)[6]，閱讀器的操作邏輯如圖2所示。閱讀器發(fā)送Select命令選擇查詢標(biāo)簽，廣播攜帶幀長參數(shù)Q的Query命令，盤存開始，收到命令的標(biāo)簽產(chǎn)生一個(gè)0～2Q－1的隨機(jī)數(shù)，并裝入時(shí)隙計(jì)數(shù)器中，當(dāng)時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值為0時(shí)，標(biāo)簽回復(fù)一個(gè)16位隨機(jī)數(shù)（RN16）。閱讀器判斷是否收到RN16，如果收到就立即發(fā)送ACK命令；如果沒有收到就判斷是否發(fā)生碰撞。若發(fā)生碰撞則采用Q算法防碰撞，若沒有發(fā)生碰撞則閱讀器發(fā)送QueryRep命令重復(fù)查詢。

圖 2 閱讀器的操作邏輯

標(biāo)簽的功能通過在MAC層對(duì)象中根據(jù)閱讀器命令轉(zhuǎn)換狀態(tài)實(shí)現(xiàn)[6]。從閱讀器開始查詢到獲取標(biāo)簽存儲(chǔ)的信息，標(biāo)簽共經(jīng)歷四個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，分別是就緒、仲裁、應(yīng)答和確認(rèn)。標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。標(biāo)簽進(jìn)入射頻區(qū)后上電進(jìn)入就緒狀態(tài)，收到Query命令，若時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值不為0，則進(jìn)入仲裁狀態(tài)并等待QueryRep或QueryAdjust命令，直到時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值為0并進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)。若時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值為0，則進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)反向散射RN16，當(dāng)接收到正確RN16的ACK命令時(shí)進(jìn)入確認(rèn)狀態(tài)，進(jìn)入確認(rèn)狀態(tài)的標(biāo)簽反向散射其存儲(chǔ)的信息。

圖3 標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

物理層：定義了閱讀器與標(biāo)簽之間無線通信的鏈路，包括工作頻率、數(shù)據(jù)速率和編碼調(diào)制方式等技術(shù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。

信道層：閱讀器與標(biāo)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(jì)算系統(tǒng)的最遠(yuǎn)工作距離。通過式（1）計(jì)算標(biāo)簽芯片獲得的功率Pr：

暫時(shí)不考慮天線之間的極化損失，可以得出系統(tǒng)的最遠(yuǎn)工作距離dmax為：

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

2 RFID系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證基于NS-3的RFID系統(tǒng)仿真平臺(tái)的搭建功能，在此系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)實(shí)例，發(fā)現(xiàn)閱讀器與標(biāo)簽可成功通信，獲取標(biāo)簽信息，如圖4所示。Reader向Tag1發(fā)送Query命令開始查詢，收到命令后的Tag1在（0，2Q－1）范圍內(nèi)挑選一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并將該數(shù)值載入。

當(dāng)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0時(shí)，發(fā)送RN16；當(dāng)閱讀器收到RN16時(shí)發(fā)送含有相同RN16的ACK命令確認(rèn)該標(biāo)簽，標(biāo)簽收到ACK命令后，發(fā)送存儲(chǔ)的ID。

圖4 閱讀器與標(biāo)簽通信

3 結(jié) 語

本文搭建了一個(gè)基于NS-3的RFID仿真系統(tǒng)，對(duì)其MAC層對(duì)象、物理層對(duì)象、信道層對(duì)象給出了具體的仿真實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了此系統(tǒng)。NS-3模塊化設(shè)計(jì)的靈活性便于給RFID系統(tǒng)加入各種不同的模塊，有利于RFID系統(tǒng)的深入研究與探討，以及測(cè)試RFID系統(tǒng)性能，解決RFID相關(guān)問題。

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