[논문]통계적 모델링 기반의 임펄스 잡음 채널에서 수동형 UHF RFID 시스템의 성능

노재성

doi:10.12673/jant.2023.27.6.835

초록
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RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 응용 서비스의 비용과 에너지 효율성으로 인해 사물인터넷 기술의 핵심 구성 요소로 각광받고 있다. RFID 기술을 사물인터넷 응용 서비스 분야에서 사용하기 위해서는 RFID 시스템의 리더와 태그 사이의 단순한 인식뿐만 아니라 다양한 정보를 장기간 저장하고 관리할 수 있어야 한다. 그리고 정보를 태그에 읽고 쓰기 위하여 열악한 무선 채널에 강하고 신뢰성 있는 성능 향상 기술이 필요하다. 특히, UHF(Ultra High Frequency) RFID 시스템에서는 다수의 태그가 밀집 환경에서 수동적인 방법으로 통신하기 때문에 개별 태그의 인식률과 전송속도 향상이 필수적이다. 본 논문에서는 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능을 분석하기 위하여 Middleton의 A급 임펄스 잡음 모델을 선정하였고 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하여 RFID 시스템의 오율 성능을 분석하였다. Middleton의 A급 임펄스 잡음 채널에서 RFID 시스템의 성능을 분석한 결과, 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 값과 임펄스 잡음 지수 값이 클수록 가우시안 잡음 채널과 유사함을 알 수 있었다.

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RFID(Radio Frequency Identification) systems are attracting attention as a key component of Internet of Things technology due to the cost and energy efficiency of application services. In order to use RFID technology in the IoT application service field, it is necessary to be able to store and manag...

RFID(Radio Frequency Identification) systems are attracting attention as a key component of Internet of Things technology due to the cost and energy efficiency of application services. In order to use RFID technology in the IoT application service field, it is necessary to be able to store and manage various information for a long period of time as well as simple recognition between the reader and tag of the RFID system. And in order to read and write information to tags, a performance improvement technology that is strong and reliable in poor wireless channels is needed. In particular, in the UHF(Ultra High Frequency) RFID system, since multiple tags communicate passively in a crowded environment, it is essential to improve the recognition rate and transmission speed of individual tags. In this paper, Middleton's Class A impulsive noise model was selected to analyze the performance of the RFID system in an impulsive noise environment, and FM0 encoding and Miller encoding were applied to the tag to analyze the error rate performance of the RFID system. As a result of analyzing the performance of the RFID system in Middleton's Class A impulsive noise channel, it was found that the larger the Gaussian noise to impulsive noise power ratio and the impulsive noise index, the more similar the characteristics to the Gaussian noise channel.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. RFID 시스템의 구성 Fig. 1. Configuration of the RFID system.
그림 그림 2. Middleton A급 임펄스 잡음의 확률밀도함수 (𝜞=0.01) Fig. 2. Probability density function of Middleton class A impulsive noise (𝜞=0.01).
그림 그림 3. Middleton A급 임펄스 잡음의 확률밀도함수 (𝜞=1) Fig. 3. Probability density function of Middleton class A impulsive noise (𝜞=1).
그림 그림 4. 가우스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 Fig. 4. Performance of RFID system under Gaussian noise environment.
그림 그림 5. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A=1, 𝜞=0.01) Fig. 5. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A=1, 𝜞=0.01) .
그림 그림 6. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A = 0.1, 𝜞 = 0.01) Fig. 6. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A = 0.1, 𝜞 = 0.01) .
그림 그림 7. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A = 0.01, 𝜞 = 0.01) Fig. 7. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A = 0.01, 𝜞 = 0.01) .
그림 그림 8. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A=1, 𝜞=1) Fig. 8. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A=1, 𝜞=1) .
그림 그림 9. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A= 0.1, 𝜞= 1) Fig. 9. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A= 0.1, 𝜞= 1) .
그림 그림 10. 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능 (A=0.01, 𝜞=1) Fig. 10. Performance of RFID system under Impulsive noise environment (A=0.01, 𝜞=1) .

AI 본문요약
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문제 정의

또한, RFID 시스템을 위한 무선통신 환경에서 발생할 수 있는 임펄스 잡음은 평균 전력에 비해 높은 전압 값을 가지는 펄스가 진폭이나 위상 혹은 발생 시간 면에서 불규칙하게 발생하여, RFID 통신시스템에 미치는 영향이 클 것으로 예상되고 있다. 따라서 본 논문에서는 Middleton의 A급 임펄스 잡음 채널에서 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용한 RFID 시스템의 오율 성능을 분석한다.

제안 방법

먼저 RFID 시스템에 영향을 주는 임펄스 잡음을 모델링하고 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 Γ, 임펄스 지수 A를 고려하였으며 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하여 최종적인 RFID 시스템 성능을 비교 분석한다
본 논문에서는 임펄스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 성능을 분석하기 위하여 Middleton의 A급 임펄스 잡음 모델을 대상으로 선정하였고 RFID 시스템의 리더와 태그 사이의 오율 성능을 분석하였다. 먼저 RFID 시스템에 영향을 주는 임펄스 잡음을 모델링하고 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 Γ, 임펄스 지수 A를 고려하였으며 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하여 최종적인 RFID 시스템 성능을 비교 분석한다.
특히 UHF RFID 시스템에서는 다수의 태그가 밀집환경에서 수동적인 방법으로 통신하기 때문에 개별 태그의 인식률과 전송속도를 향상하는 과정이 필수적이다. 본 논문에서는 임펄스 잡음환경에서 RFID 시스템의 성능을 분석하기 위하여 Middleton의 A급 임펄스 잡음 모델을 대상으로 선정하였고 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하여 RFID 시스템의 오율성능을 분석하였다.
가우스 잡음 채널에서 FM0 인코딩 및 Miller 인코딩에 대한 비트 오율은 가우스 잡음 채널에서 얻어진 결과이며 심볼 검파를 적용한 경우 최적의 시스템 성능 결과는 얻지 못하지만 차동 검파 방식을 적용한 경우에 비해 구현이 용이하다는 장점이 있다[1],[5]. 본 연구에서는 기존 규격에서 적용한 수동형 RFID 태그에 적용된 방식과 동일하게 FM0 인코딩 및 Miller 인코딩을 적용하고 OOK(On-Off Keying) 기반의 주변 후방 산란 변조 방식을 사용하여 RFID 시스템의 성능을 분석한다. 가우스 잡음 채널에서 Miller 인코딩을 적용한 RFID 시스템 수신부에서의 비트 오율은 다음과 같다.

대상 데이터

900 [MHz] 대역을 사용하는 수동형 RFID 리더는 수 미터의 거리에서 사물에 부착된 태그의 정보를 인식할 수 있으며 수집된 정보를 호스트에 제공하는 기능을 수행한다. RFID 리더는 안테나부, RF부, 변복조부, 신호처리부, 디지털 제어부로 구성된다. 수동형 RFID 시스템은 리더 및 태그의 RF 부의 성능과 주변 무선 환경에 의해 인식 거리와 인식률 등이 영향을 받는다.

데이터처리

그림 4는 가우스 잡음 환경에서 RFID 시스템의 오율 성능을 분석한 결과이다. 태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하였고 신호 대 잡음 전력비에 따른 오율 성능을 비교하고 있다. RFID 시스템에서 FM0 인코딩보다는 Miller 인코딩을 적용하였을 경우에 오율 성능이 개선되었고 Miller 인코딩 방식에서 M의 값이 2, 4, 8로 증가할수록 오류에 더욱 강함을 확인할 수 있다.

이론/모형

태그에서의 인코딩 기술은 리더와 태그 사이에 통신할 때 리더의 명령에 따른 태그 응답 신호의 정보를 표현하는 라인 코딩기술이다. 기존 ISO/IEC(International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission) 18000-63 표준을 따르는 태그는 FM0와 Miller 인코딩 기술을 사용한다. FM0 인코딩은 최대 640 kbps의 데이터 전송속도가 가능하며 전송 대역폭이 넓어져서 밀집 리더 환경에는 적합하지 않다.

성능/효과

태그에서는 FM0 인코딩과 Miller 인코딩을 적용하였고 신호 대 잡음 전력비에 따른 오율 성능을 비교하고 있다. RFID 시스템에서 FM0 인코딩보다는 Miller 인코딩을 적용하였을 경우에 오율 성능이 개선되었고 Miller 인코딩 방식에서 M의 값이 2, 4, 8로 증가할수록 오류에 더욱 강함을 확인할 수 있다.
따라서 임펄스 잡음 지수 A 값이 작아짐에 따라 RFID 시스템의 오율 성능이 더욱 감소함을 알 수 있었다. RFID 시스템에서 FM0 인코딩보다는 Miller 인코딩을 적용하였을 경우에 오율 성능이 개선되었고 Miller 인코딩 방식에서 M의 값이 2, 4, 8로 증가할수록 채널 오류에 더욱 강함을 확인할 수 있었다.
가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비의 변화에 따른 RFID 시스템의 오율 성능을 비교한 결과, 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 값이 클수록 가우시안 잡음과 유사한 특성을 가지며 작을수록 임펄스 잡음의 특성을 가지게 된다. 결과적으로 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 값이 작아짐에 따라 오율성능이 더욱 감소함을 알 수 있었다.
가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비의 변화에 따른 RFID 시스템의 오율 성능을 비교한 결과, 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 값이 클수록 가우시안 잡음과 유사한 특성을 가지며 작을수록 임펄스 잡음의 특성을 가지게 된다. 결과적으로 가우스 잡음 대 임펄스 잡음의 전력비 값이 작아짐에 따라 오율성능이 더욱 감소함을 알 수 있었다. 임펄스 잡음 채널에서 임펄스 잡음 지수 A 값이 클수록 가우시안 잡음과 유사한 특성을 가지며 임펄스 잡음 지수 A 값이 작을수록 임펄스 잡음의 특성을 가지게 된다.
무선 채널에서 임펄스 잡음은 임펄스 잡음 지수 A 값이 클수록 가우시안 잡음과 유사한 특성을 가지며 임펄스 잡음 지수 A값이 작을수록 임펄스 잡음의 특성을 가지게 된다. 결과적으로 임펄스 잡음 지수 A 값이 작아짐에 따라 RFID 시스템의 오율 성능이 감소함을 알 수 있다.
임펄스 잡음 채널에서 임펄스 잡음 지수 A 값이 클수록 가우시안 잡음과 유사한 특성을 가지며 임펄스 잡음 지수 A 값이 작을수록 임펄스 잡음의 특성을 가지게 된다. 따라서 임펄스 잡음 지수 A 값이 작아짐에 따라 RFID 시스템의 오율 성능이 더욱 감소함을 알 수 있었다. RFID 시스템에서 FM0 인코딩보다는 Miller 인코딩을 적용하였을 경우에 오율 성능이 개선되었고 Miller 인코딩 방식에서 M의 값이 2, 4, 8로 증가할수록 채널 오류에 더욱 강함을 확인할 수 있었다.

후속연구

RFID 시스템에서 태그와 리더 사이의 무선통신 환경이 복잡해짐에 따라 인식률, 정확도, 신뢰도의 저하 문제가 대두되고 있다. 따라서 RFID 인식률 향상을 위하여 태그의 인식률이 저하되는 주요 원인을 연구하는 것이 필요하다. 특히, 다량의 태그 밀집 환경에서 태그 간섭, 다중 리더와 태그 사이의 간섭, 리더 사이의 간섭, 다중경로 페이딩에 의한 수신 전력의 감소 문제와 같은 복잡한 무선 환경이 RFID 시스템의 인식률 저하 주요 원인으로 대두되고 있다.
현재는 인식 성능을 개선하기 위하여 하나의 리더에 다수개의 안테나를 연결하여 인식 영역을 넓히려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 향후 주변 무선 환경에 적응하기 위한 RF 제어 기술 및 다중 대역 안테나의 개발이 필요하며 SoC(System on Chip) 소형화 기술로 모든 정보 기기에 내장되어 다양한 정보를 수집하고 여러 가지 통신 서비스와 연계되어 부가적인 서비스를 창출할 것으로 예상된다.

참고문헌 (8)

B. Sklar, Digital Communications, 2nd ed. New York, NY:？Pearson, 2001.
B.K.Tripathy and J.Anuradha, INTERNET OF THINGS？(IoT) Technologies, Applications, Challenges, and Solutions, CRC Press, 2018.
K. Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications？in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley,？Chichester, 2003.
EPCglobal, "EPC radio-frequency identity protocols class-1？generation-2 UHF RFID protocol for communications at 860？MHz-960MHz version 1.0.9," EPCglobal Standard Specification, 2004.
M. Simon and D. Divsalar, "Some interesting observations for？certain line codes with application to RFID," IEEE Transactions on Communication, Vol. 54, No. 4, pp.583-586, Apr. 2006.
D. Middleton, "Statistical-physical models of electromagnetic？interference," IEEE Transactions on Electromagnetic？Compatibility, Vol. 19, No. 3, pp. 106-127, Aug. 1977.
S. Miyamoto, M. Katayama, and N. Morinaga, "Performance？analysis of QAM systems under class A impulsive noise？environment," IEEE Transactions on Electromagnetic？Compatibility, Vol. 37, No. 2, pp. 260-267, May 1995.
G. Ndo, F. Labeau, and M. Kassouf, "A Markov-Middleton model？for bursty impulsive noise: Modeling and receiver design,"？IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 28, No. 4, pp. 2317-2325, Oct. 2013.

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