郭鳳鳴, 李 兵,, 何怡剛

(1.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院,長沙 410151;2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,合肥 230009)

變電站設(shè)備狀態(tài)多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)性能分析

郭鳳鳴1, 李 兵1,2, 何怡剛2

(1.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院,長沙 410151;2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,合肥 230009)

變電站電氣設(shè)備相對位置及金屬特性影響變電站RFID(Radio Frequency Identification)監(jiān)測系統(tǒng)通信性能.針對其類似隧道環(huán)境及多金屬介質(zhì)特點,提出了基于多天線技術(shù)的變電站設(shè)備狀態(tài)傳感標簽監(jiān)測系統(tǒng),建立了監(jiān)測系統(tǒng)信道模型,并分析了多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)的性能影響因素.實驗結(jié)果表明,閱讀器天線與傳感標簽間距離小于80 m時,相比單天線及雙收發(fā)天線監(jiān)測系統(tǒng),4收發(fā)天線系統(tǒng)通信誤碼率最大可降低1至3個數(shù)量級;通信距離在25～80 m時,垂直布置多天線方式較水平布置方式誤碼率可降低20%～40%.

電磁傳播; 多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng); 信道模型; 性能分析

0 引 言

智能變電站是智能電網(wǎng)信息交互的關(guān)鍵“支撐點”和載體,傳感器與射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)標簽融合可以實現(xiàn)主動感知與通信功能,精確獲取節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)信息,全面提升監(jiān)測設(shè)備性能水平,滿足變電站電氣設(shè)備狀態(tài)信息的準確獲取與網(wǎng)絡(luò)化交互需要[1].無線傳輸信道環(huán)境直接影響基于傳感標簽的變電站電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳輸性能[2].變電站中,依次排列的眾多電氣設(shè)備構(gòu)成一個類似隧道的環(huán)境,電波傳播過程中會發(fā)生多次反射和繞射現(xiàn)象,造成嚴重的多徑效應(yīng),影響傳感標簽的讀取性能.因此,有必要分析變電站中的多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)電磁傳播特性,建立有效的系統(tǒng)信道模型,進而分析變電站電氣設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)性能.

國內(nèi)外學者對多天線RFID系統(tǒng)進行了許多研究.文獻[1]通過現(xiàn)場實驗分析了影響監(jiān)測系統(tǒng)性能的外部因素,但無相關(guān)理論推導及系統(tǒng)建模.文獻[3]分析了多天線RFID系統(tǒng)反向散射調(diào)制方式與標簽捕獲能量的關(guān)系,指出多天線RFID系統(tǒng)信道衰落有別于傳統(tǒng)瑞麗分布模型.文獻[4]重點討論了天線發(fā)射功率對多天線RFID系統(tǒng)的性能影響,提出了不同發(fā)射天線間的功率最優(yōu)分配問題.文獻[5]提出了單天線RFID系統(tǒng)加設(shè)天線的系統(tǒng)通信方案,指出通過增加天線可以提高系統(tǒng)可靠性.文獻[6]分析了多天線UHF RFID系統(tǒng)最大合并準則下的系統(tǒng)信噪比概率分布特征,推導出多天線UHF RFID系統(tǒng)誤碼率和中斷概率的表達公式.文獻[7]指出多天線RFID系統(tǒng)的前向激活信道與反向散射信道服從萊斯分布和Nakagami-m分布.文獻[8]則分析了多天線RFID系統(tǒng)應(yīng)用中多徑效應(yīng)的影響,通過蒙特卡洛方法對瑞麗信道進行了仿真分析,指出其前向鏈路與反向鏈路信道為級聯(lián)信道.上述文獻從理論上或?qū)嶒炛薪沂玖硕嗵炀€RFID系統(tǒng)的信道特征,主要針對室外開闊環(huán)境或自由空間,并無具體考慮實際應(yīng)用環(huán)境的幾何物理特征對系統(tǒng)無線傳輸信道的影響.變電站中的眾多電氣設(shè)備構(gòu)成一個類似隧道的環(huán)境,電波傳播過程中的多徑干擾嚴重影響通信的質(zhì)量,造成碼間干擾和接收信號的深衰落,當環(huán)境中存在金屬材質(zhì)物品時,多徑現(xiàn)象尤為嚴重[9-11].變電站中電氣設(shè)備外殼多為金屬材質(zhì),因此有必要考慮金屬材質(zhì)物品對多天線RFID系統(tǒng)信道的影響.

本文針對變電站具體環(huán)境特性,提出了基于傳感標簽的變電站電氣設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu),建立了適合于變電站環(huán)境的多天線RFID系統(tǒng)信道模型,并分析了閱讀器天線及傳感標簽安裝位置、天線數(shù)量及擺放方式等因素對變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)信道性能的影響.實驗驗證表明,本文所建模型與實際情況吻合.

1 變電站設(shè)備多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

電氣設(shè)備運行狀態(tài)直接影響著電氣設(shè)備運行的安全性與穩(wěn)定性.不同功能的傳感器(溫度、濕度、壓力、加速度傳感器等)與RFID標簽融合構(gòu)成的傳感標簽具有自動感知和識別能力.將傳感標簽應(yīng)用于變電站輸變電設(shè)備狀態(tài)信息采集監(jiān)測系統(tǒng)中,可以在線采集電氣設(shè)備運行狀態(tài)信息及環(huán)境信息,提高監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、準確性以及可靠性.當讀寫器發(fā)出信息獲取指令時,讀寫器天線有效輻射區(qū)域內(nèi)的傳感標簽被激活,將感知的信息(溫度、濕度、振動、加速度等)及標簽自身信息返回至讀寫器,并上傳至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心人員便可實時監(jiān)測變電站設(shè)備狀態(tài)及運行狀況.本文以變電站設(shè)備溫度監(jiān)測為例,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 變電站輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 The equipment condition monitoring system in transmission and substation

2 變電站場景中的電磁傳播特性

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境幾何特征,傳播通道幾何形狀有密閉型(拱形隧道、馬蹄形隧道、矩形隧道)、自由空間型(除地面之外無其他類似波模形狀物體包籠電磁波)、半封閉型(L形、U形通道)等[12].考慮變電站電氣設(shè)備布置特點,電磁波傳播通道為非全封閉隧道形狀,可以視為地面與兩個金屬壁側(cè)面構(gòu)成的U形通道.

電磁波在U形通道中,會在地面、金屬壁側(cè)面發(fā)生一次或多次反射和繞射.RFID系統(tǒng)最大允許發(fā)射功率非常小,考慮傳播路徑損耗,二次及多次反射波通常非常微弱;同時,電磁波通過粗燥金屬表面時會發(fā)生散射現(xiàn)象,電磁信號強度急劇下降.因此,本文忽略兩次及兩次以上的電磁波反射.U形通道中的電磁波傳播情況如圖2所示,其中,r1為電磁波直射傳播路徑,r21、r22分別為兩個金屬壁側(cè)面上發(fā)生的電磁波反射路徑,r3為以地面為反射面的電磁波發(fā)射路徑,H為閱讀器高度,h為傳感標簽高度.

圖2 變電站電磁波傳播簡化場景Fig.2 The simple scenario of electromagnetic wave propagation in substation

根據(jù)圖2所示簡化場景,閱讀器天線發(fā)射信號的反射射線有3條:1條為地面反射射線;2條為金屬壁側(cè)面反射射線.由于地面與金屬壁材質(zhì)不同(金屬屬于良性導體),不同極化方式的電磁波反射系數(shù)差異性很大.根據(jù)Friss公式,變電站監(jiān)測系統(tǒng)電磁波損耗為

其中,N為變電站監(jiān)測系統(tǒng)中電磁波反射射線數(shù),本文中N=3,Li為第i條射線的路徑長度,?Li為第i條射線路徑與自由空間路徑L0之間的路徑差,Γi為第i條射線的反射系數(shù),具體求解方法見文獻[2,13].

3 多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)信道仿真與實驗

變電站中的眾多電氣設(shè)備構(gòu)成一個類似隧道的環(huán)境,加之大量金屬材質(zhì)物品的存在,電波傳播過程中的多徑干擾尤為嚴重,極大地影響監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信質(zhì)量,降低系統(tǒng)性能.為提高系統(tǒng)可靠性,可采用多天線MIMO-RFID系統(tǒng)[5-8].多天線MIMO-RFID監(jiān)測系統(tǒng)有單站模型和雙站模型,其中單站模型采用收發(fā)一體的射頻模塊和天線,雙站模型采用分離的發(fā)射/接收模塊和天線.本文以圖3所示的單站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)為例,其前向激活信道hq(t)與反向散射信道hs(t)關(guān)系為

圖3 多天線MIMO-RFID系統(tǒng)模型Fig.3 The model of multi-antenna MIMO-RFID system

3.1 多天線MIMO-RFID系統(tǒng)信道模型

基于射線跟蹤方法,可得系統(tǒng)信道沖擊響應(yīng)為

其中,g(t)是射線跟蹤響應(yīng),令視距傳播射線幅度為1,Ri、τi和?i分別是第i條射線的幅度、時延和相位.

其窄帶頻率響應(yīng)為

則MIMO信道矩陣為

若考慮視距傳播,則式(5)中的n應(yīng)從0開始取值,其中,hij(t)為第i個發(fā)射天線與第j個接收天線之間的信道響應(yīng).

3.2 多天線MIMO-RFID系統(tǒng)信噪比和誤碼率

多天線MIMO-RFID監(jiān)測系統(tǒng)中,為獲得最大的分集增益,采用最大信噪比合并計算加權(quán)系數(shù),加權(quán)系數(shù)為[6]

其中,W(q,s)表示第q條前向鏈路和第s條反向散射鏈路之間的加權(quán)系數(shù),hT為復共軛轉(zhuǎn)置矩陣.

實際應(yīng)用中,傳感標簽被閱讀器發(fā)送的連續(xù)載波信號激活時,傳感標簽接收到的信號波形為[14]

其中,Lq為前向激活距離,Ptreader為發(fā)送天線的功率,Gtreader為發(fā)送天線的增益,Gtag為傳感標簽的增益,x(t)為連續(xù)載波信號,ξ為路徑損耗因子,n(t)為高斯白噪聲向量.結(jié)合式(6),則傳感標簽接收功率為

傳感標簽反向散射回閱讀器的信號波形為[13]

其中,Lqs為反向識別距離,βp閱讀器接收與實際散射信號的比值,M為傳感標簽調(diào)制因數(shù),Grreader為閱讀器接收天線增益.有

其中,Φ(f)為反向散射信號功率譜,BM為接收濾波帶寬.結(jié)合式(6)、式(8)、式(9),可得閱讀器接收信號信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)為

本文主要考慮閱讀器與傳感標簽之間的距離L對系統(tǒng)性能的影響.假設(shè)二者的識別距離為L,則有L2=LqsLq;假設(shè)Nt=Nr,則變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)接收信號的最大信噪比為

多天線RFID系統(tǒng)Nakagami-m信道的信噪比[13]為

其中,Γ()為gamma函數(shù),m′=m(Tr(D))2/Tr(D)2為分布參數(shù)[15],Tr(D)為矩陣D的跡,D為歸一化的信道相關(guān)矩陣.

則變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)誤碼率(Bit Error Rate,BER)為[16]

3.3 多天線RFID系統(tǒng)實驗驗證

變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)閱讀器和傳感標簽安裝高度、天線數(shù)量及擺放位置等因素影響系統(tǒng)接收功率,從而影響多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)誤碼率.本文以不同參數(shù)設(shè)置下系統(tǒng)誤碼率與閱讀器識別距離的變化來評價系統(tǒng)性能優(yōu)劣,利用Matlab cftool工具箱對仿真信道模型數(shù)據(jù)進行擬合,得出不同的參數(shù)變化對變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)性能的影響情況.測試設(shè)備及仿真參數(shù)如表1所示,變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)測試設(shè)備、實驗室驗證及實際測試場景如圖4所示.仿真及實際測試中,閱讀器天線及傳感標簽天線位于U形過道中央,監(jiān)測系統(tǒng)工作頻段為2.4 GHz,閱讀器天線為圓極化面天線,增益為6 dBi,傳感標簽天線為半波振子天線,增益為1 dBi.

表 1 仿真與實驗模型參數(shù)Tab.1 The simulation and experiment model parameter

圖4 測試設(shè)備、實驗室驗證及實測場景Fig.4 The test equipment,laboratory validation and test scenario

基于Matlab cftool工具的仿真信道模型與Nakagami-m信道模型對比結(jié)果如圖5所示.由圖5可知,本文構(gòu)建的變電站模擬環(huán)境下基于射線跟蹤的多天線RFID信道模型與Nakagami-m多天線RFID系統(tǒng)信道模型相似,且測試數(shù)據(jù)誤差低于10?1數(shù)量級.

圖5 仿真與實驗驗證Fig.5 Simulation and experiment verification

多收發(fā)天線RFID系統(tǒng)與單天線RFID系統(tǒng)誤碼率對比如圖6所示.由圖6可知,采用多天線后,天線數(shù)目越多,系統(tǒng)的誤碼率越小;在0～80 m范圍內(nèi),相比雙天線和單天線RFID系統(tǒng),4天線RFID系統(tǒng)誤碼率降低約1至3個數(shù)量級,系統(tǒng)誤碼率得到明顯降低.隨著閱讀器與傳感標簽間距離增大,不同數(shù)目天線間的RFID系統(tǒng)誤碼率差距逐漸減小.當閱讀器識別距離大于150 m時,閱讀器接收天線數(shù)量增加對提高系統(tǒng)誤碼率的效果并不明顯.

圖6 天線數(shù)量對系統(tǒng)性能的影響Fig.6 The effect of system performance with different antenna numbers

變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)誤碼率與閱讀器天線高度的關(guān)系如圖7所示. 由《35 kV～220 kV送電線路鐵塔通用設(shè)計型錄》可知,鐵塔高度(鐵塔上最低處電力線距地面的高度)一般分為12 m、15 m、18 m、21m和24 m幾個等級.假設(shè)電力線路呈正三角形分布,考慮到鐵塔最低高度電線距鐵塔中心線距離為2.3～2.8 m,此處取2.5 m,閱讀器距離最低處電力線安全距離為5 m(預留一定安全裕度)[17],可得閱讀器天線距地面高度為18.67 m.為便于分析,本文設(shè)定閱讀器天線距地面高度為18 m、15 m和12 m.由圖7可知,閱讀器天線高度越高,系統(tǒng)的誤碼率越小.當閱讀器天線高度增加時,由于反射信號的傳播距離較直射信號傳播距離遠,其路徑傳播損耗大,從而多徑效應(yīng)產(chǎn)生的信號干擾程度減弱,使得接收信號中有用信號的相對強度增大,誤碼率隨之減小.

圖7 閱讀器高度對系統(tǒng)性能的影響Fig.7 The effect of system performance with different reader heights

多天線有多種布局方式,如圖8所示,包括多個天線水平排列(簡稱為水平布置)、多個天線豎直排列(垂直布置).圖8中,Dl為天線間距.天線水平布置與垂直布置時系統(tǒng)誤碼率變化如圖9所示.由圖9可知,閱讀器天線與傳感標簽距離在[25 m,80 m]時,相比水平布置方式,垂直布置方式的誤碼率降低20%～40%;當閱讀器天線與傳感標簽距離大于120 m時,天線布置方式對系統(tǒng)誤碼率影響甚微.考慮到變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)的閱讀器天線有效輻射范圍通常低于100 m,因而系統(tǒng)天線應(yīng)盡量采用垂直布置方式.

圖8 天線布置方式Fig.8 Different antenna positions

圖9 天線布置位置對系統(tǒng)性能的影響Fig.9 The effect of system performance with different antenna positions

4 小 結(jié)

為了滿足變電站電氣設(shè)備狀態(tài)信息的準確獲取與網(wǎng)絡(luò)化交互需要,本文提出了一種基于傳感標簽的變電站電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu).考慮變電站實際應(yīng)用場景的類隧道環(huán)境及多金屬介質(zhì)特點,提出了多天線RFID系統(tǒng)解決方案.針對多徑干擾問題,建立了基于射線跟蹤方法的變電站多天線RFID監(jiān)測系統(tǒng)信道傳播模型,并分析了不同因素對系統(tǒng)誤碼率的影響.當閱讀器天線與傳感標簽間距離小于80 m時,4天線RFID系統(tǒng)誤碼率較雙天線和單天線RFID系統(tǒng)誤碼率降低約1至3個數(shù)量級,垂直布置方式的誤碼率相比水平布置方式降低20%～40%,閱讀器天線高度越高,系統(tǒng)的誤碼率越低;當閱讀器天線與傳感標簽間距離大于150 m時,天線數(shù)量和天線布置方式對系統(tǒng)的影響甚微.本文得出的仿真及實驗結(jié)果可為施工人員提供參考.下一步工作將研究變電站電磁環(huán)境對系統(tǒng)信道的影響.

[1] 張丹丹,胡建明,崔婷,等.帶傳感器的射頻識別技術(shù)在變電站電氣設(shè)備狀態(tài)信息采集中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2013,39(11):2623-2630.

[2] 范佳興,李兵,何怡剛,等.ETC系統(tǒng)信道傳播損耗評估方法研究[J].電子測量與儀器學報,2015,29(8):1164-1170.

[3] BOYER C,ROY S.Backscatter communication and RFID:Coding,energy,and MIMO analysis[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(3):770-785.

[4] ARNITZ D,REYNOLDS M S.Multi-transmitter wireless power transfer optimization for backscatter RFID transponders[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12:849-852.

[5] TROTTER M S,VALENTA C R,KOO G A,et al.Multi-antenna techniques for enabling passive RFID tags and sensors at microwave frequencies[C]//RFID,2012 IEEE International Conference on.IEEE,2012:1-7.

[6] 李巨虎,張海燕.多天線UHF RFID系統(tǒng)的性能分析[J].華南理工大學學報,2015,43(5):22-29.

[7] CHEN H,WANG Z J.SER of orthogonal spacetime block codes over Rician and Nakagami-m RF backscattering channels[J].IEEE Transaction on Vehicular Technolo-gy,2014,63(2):654-663.

[8] GRIFFIN J D,DURGIN G D.Link envelope correlation in the backscatter channel[J].IEEE Communications Letters,2007,11(9):735-737.

[9] 莫凌飛.超高頻射頻識別抗金屬標簽研究[D].杭州:浙江大學,2009.

[10] 鄔明罡,李書芳.金屬對RFID系統(tǒng)影響研究[J].科學技術(shù)與工程,2008,18(8):5242-5245.

[11] 殷福榮,王鵬飛,劉芫健.室內(nèi)帶金屬家具環(huán)境的電波傳播特性研究[J].中國電子科學研究院學報,2014,9(2):209-216.

[12] 甘雯雯.地下隧道寬帶無線信道傳播特性的研究[D].北京:北京交通大學,2014.

[13] 鄺向軍.關(guān)于金屬介電常數(shù)的討論[J].四川理工學院學報(自然科學版),2006,19(2):75-78.

[14] 佘開,何怡剛,朱彥卿,等.MIMO-RFID系統(tǒng)反向識別距離研究[J].電子測量與儀器學報,2012,26(4):305-311.

[15] 莊銘杰.計算機仿真無線Rice衰落信道的實現(xiàn)方法[J].電波科學學報,2004,19(5):632-637.

[16] 張秋艷,黃海松,陳偉興,等.基于RFID技術(shù)的白酒物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性研究[J].制造業(yè)自動化,2015,37(4):22-25.

[17] 潘志新,彭勇,薛鳳華.110 kV及220 kV鋼管鐵塔輸電線路帶電作業(yè)安全距離試驗研究[J].華東電力,2012,11(40):2025-2028.

(責任編輯:李 藝)

Analysis of monitoring system for substation equipment based on multi-antennas RFID

GUO Feng-ming1,LI Bing1,2,HE Yi-gang2
(1.Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic,Changsha 410151,China;2.School of Electrical and Automation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

The relative positions of electrical equipment and metallic character affect the communication performance of radio frequency identification monitoring system for substation.Considering the tunnel-like environment and metallic media in substation,a RFID(Radio Frequency Identification)tag-sensor monitoring system for electrical equipment in substation based on multi-antennas is proposed. The channel model of monitoring system is built and the performance influence factors are analyzed.The results reveal that,when the distance from the reader antennas to the tag-sensor d is less than 80m,the bit error rate of four-antennas system can be reduced one to three orders ofmagnitude than that of two-antennas and single-antenna systems.When 25 m＜d＜80 m,the bit error rate of antennas vertically placed mode is reduced from 20%to 40%than that of horizontally placed mode.

electromagnetic propagation;multi-antenna RFID monitoring system;the channel model;performance analysis

TN92

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.06.009

1000-5641(2017)06-0096-09

2016-08-31

國家自然科學基金(51777050);湖南省自然科學基金(2017JJ2080);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(JDK16TD01)

郭鳳鳴,男,工程碩士,教授,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻測試.

E-mail:egfm2004@163.com.

李 兵,男,博士后,研究生導師,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻測試.

E-mail:libinghnu@163.com.

何怡剛,男,教授,博士生導師,從事電工科學和信息科學等多學科交叉國際學術(shù)前沿領(lǐng)域、電工理論與新技術(shù)等的研究.E-mail:18655136887@163.com.