大容量多標(biāo)簽防碰撞射頻識別技術(shù)研究.pdf

1、射頻識別(Radio frequency identification, RFID)是一種通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取數(shù)據(jù)的非接觸式信息采集技術(shù)，被公認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，亦是支撐物聯(lián)網(wǎng)的四大核心基礎(chǔ)技術(shù)之一。RFID支持快速非視距、移動、多目標(biāo)的識別、定位與跟蹤，具有識別距離遠(yuǎn)、速度快、標(biāo)簽存儲容量大且可重復(fù)使用等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于人、物、資產(chǎn)的智能管理與監(jiān)控等各個領(lǐng)域，滲透到人們的日常生活之中。在各種R

2、FID應(yīng)用系統(tǒng)中，一臺RFID讀寫器常需快速準(zhǔn)確地識別其工作域內(nèi)數(shù)量眾多的RFID標(biāo)簽。由于讀寫器與各標(biāo)簽之間通信共享相同無線信道，當(dāng)多個標(biāo)簽同時向讀寫器返回數(shù)據(jù)時引起信息碰撞，產(chǎn)生了讀寫器無法識別出有用的各標(biāo)簽信息的多標(biāo)簽碰撞現(xiàn)象。多標(biāo)簽碰撞導(dǎo)致讀寫器識別效率降低、漏讀率增大、識別時延增加等系列問題，限制了RFID的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著RFID標(biāo)簽識別靈敏度提升，讀寫器識別距離增大，讀寫器的識別區(qū)域擴(kuò)大且可識別的標(biāo)簽數(shù)量增多，多標(biāo)簽碰撞問題

3、更為突出。為了解決多標(biāo)簽碰撞問題，研究者提出了各種防碰撞機(jī)制來協(xié)調(diào)讀寫器與多標(biāo)簽之間的通信。標(biāo)簽低成本、低功耗的要求限制了標(biāo)簽本身的信號處理能力，RFID系統(tǒng)防碰撞協(xié)調(diào)通信主要由讀寫器中防碰撞機(jī)制及算法實現(xiàn)。目前主流的多標(biāo)簽防碰撞機(jī)制存在識別效率低、復(fù)雜度高、穩(wěn)定性差等問題。因此研究高效率大容量多標(biāo)簽防碰撞識別的新機(jī)制、新方法及實現(xiàn)算法具有重要的科學(xué)意義和廣泛的工程應(yīng)用價值。
　　本文針對現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)多標(biāo)簽防碰撞算法存在吞吐

4、率低、復(fù)雜度高、穩(wěn)定性差等問題，深入研究了雙前綴匹配、子幀觀測、幀分解和空閑時隙消除等機(jī)制與技術(shù)，提出了雙前綴探測、基于子幀的DFSA、基于檢測段的DFSA和基于空閑時隙消除的二進(jìn)制分裂等防碰撞方法，開發(fā)了實現(xiàn)算法，理論分析、仿真和實驗驗證結(jié)果表明所提出的防碰撞方法及算法具有系統(tǒng)吞吐率高、復(fù)雜度低、穩(wěn)定可靠等特點，應(yīng)用前景廣闊。本文主要研究內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下：
　　1.在研究多進(jìn)制查詢和空查詢消除基礎(chǔ)上，針對 QT算法存在吞吐率低、識

5、別周期長等問題，提出了一種基于自定義查詢命令和碰撞數(shù)據(jù)映射、消除了多進(jìn)制查詢引入的空閑時隙的連續(xù)碰撞比特映射算法(Consecutive collision bit mapping algorithm, CCMA)，理論分析和仿真結(jié)果表明采用該算法的RFID系統(tǒng)吞吐率高于經(jīng)典查詢樹算法，達(dá)到0.46。在 CCMA算法基礎(chǔ)上，設(shè)計出雙前綴探測方法(Dual-prefix probe scheme, DPPS)其不同于常規(guī)多比特碰撞仲裁機(jī)制

6、，而是利用碰撞時隙來識別標(biāo)簽，顯著提升了識別效率，理論分析及仿真結(jié)果表明DPPS算法的吞吐率高，有效地減少了多標(biāo)簽的識別時間。
　　2.在研究子幀觀測和幀分解機(jī)制基礎(chǔ)上，針對常規(guī)DFSA算法存在復(fù)雜度高、時間效率低等問題，提出了一種基于子幀的動態(tài)幀時隙Aloha算法(Sub-frame based dynamic framed slotted Aloha, SUBF-DFSA)，其在識別過程中采取設(shè)定的子幀觀測，運用空閑與碰撞時隙

7、數(shù)的關(guān)系估計剩余標(biāo)簽數(shù)，再依據(jù)預(yù)估的結(jié)果優(yōu)化設(shè)置新的幀長，顯著提升了系統(tǒng)的識別效率。該算法的運算復(fù)雜度低、計算量小，兼容性好，已經(jīng)在現(xiàn)有的支持ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器中實施，工程應(yīng)用前景廣闊。針對常規(guī) DFSA算法的吞吐率低等問題，基于幀分解策略，提出了一種基于檢測段的算法(Detected sector based DFSA, ds-DFSA)，本算法通過檢測段來最優(yōu)化幀長，降低了不合理的幀長度對RFID系統(tǒng)識別性能

8、的影響，提高了識別效率和穩(wěn)定性；通過對每個碰撞時隙分配獨立的幀的方法，突破了常規(guī) DFSA算法的吞吐率極限值0.368，仿真結(jié)果達(dá)到0.41。盡管ds-DFSA算法目前不能直接應(yīng)用于現(xiàn)有的UHF RFID讀寫器，但是它的實現(xiàn)復(fù)雜度低。即對標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時在讀寫器端增加自定義命令即可。
　　3.在研究二進(jìn)制分裂和空閑時隙消除機(jī)制基礎(chǔ)上，針對TS算法存在的識別延遲高、識別效率低等不足，提出了一種消除了傳統(tǒng)TS算法中的空閑

9、時隙的二進(jìn)制分裂算法(Idle-slots elimination based binary splitting, ISE-BS)，其能節(jié)省識別過程中的協(xié)調(diào)時間，提高識別效率；部分碰撞仲裁由1比特隨機(jī)信號輔助完成，減少了信息傳輸量及讀寫器功耗。在 ISE-BS算法基礎(chǔ)上，提出了兩種新型自適應(yīng)樹隙Aloha算法(Adaptive tree slotted Aloha, ATSA)，本算法在識別過程中為標(biāo)簽群分配一個最優(yōu)化幀長度，若幀中的某

10、個時隙發(fā)生碰撞，那么受碰撞的標(biāo)簽則被改進(jìn)的ISE-BS算法識別，仿真結(jié)果表明ATSA算法的吞吐率達(dá)到0.46，顯著優(yōu)于現(xiàn)有的樹隙Aloha防碰撞算法。ISE-BS和ATSA算法的實施同樣需要在標(biāo)簽內(nèi)部增加狀態(tài)標(biāo)識位，在讀寫器端增加相應(yīng)的自定義命令。
　　綜上所述，本文針對大容量多標(biāo)簽快速可靠識別的應(yīng)用需求，深入研究了RFID系統(tǒng)中的多標(biāo)簽碰撞的機(jī)制，創(chuàng)新地提出了雙前綴探測、子幀觀測、幀分解和空閑時隙消除等RFID系統(tǒng)防碰撞方法，利