大容量多標(biāo)簽防碰撞射頻識(shí)別技術(shù)研究.pdf

1、射頻識(shí)別(Radio frequency identification, RFID)是一種通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(dòng)、多目標(biāo)的識(shí)別、定位與跟蹤，具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、速度快、標(biāo)簽存儲(chǔ)容量大且可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)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(tái)RFID讀寫器常需快速準(zhǔn)確地識(shí)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(wú)線信道，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫器返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)引起信息碰撞，產(chǎn)生了讀寫器無(wú)法識(shí)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(shí)別效率降低、漏讀率增大、識(shí)別時(shí)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(shí)別靈敏度提升，讀寫器識(shí)別距離增大，讀寫器的識(shí)別區(qū)域擴(kuò)大且可識(shí)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(lái)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(hào)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(shí)現(xiàn)。目前主流的多標(biāo)簽防碰撞機(jī)制存在識(shí)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(shí)別的新機(jī)制、新方法及實(shí)現(xiàn)算法具有重要的科學(xué)意義和廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文針對(duì)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(cè)、幀分解和空閑時(shí)隙消除等機(jī)制與技術(shù)，提出了雙前綴探測(cè)、基于子幀的DFSA、基于檢測(cè)段的DFSA和基于空閑時(shí)隙消除的二進(jìn)制分裂等防碰撞方法，開發(fā)了實(shí)現(xiàn)算法，理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。本文主要研究?jī)?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(duì) QT算法存在吞吐率低、識(shí)

5、別周期長(zhǎng)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(shí)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(jì)出雙前綴探測(cè)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(shí)隙來(lái)識(shí)別標(biāo)簽，顯著提升了識(shí)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(shí)別時(shí)間。
　　2.在研究子幀觀測(cè)和幀分解機(jī)制基礎(chǔ)上，針對(duì)常規(guī)DFSA算法存在復(fù)雜度高、時(shí)間效率低等問題，提出了一種基于子幀的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙Aloha算法(Sub-frame based dynamic framed slotted Aloha, SUBF-DFSA)，其在識(shí)別過(guò)程中采取設(shè)定的子幀觀測(cè)，運(yùn)用空閑與碰撞時(shí)隙

7、數(shù)的關(guān)系估計(jì)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(zhǎng)，顯著提升了系統(tǒng)的識(shí)別效率。該算法的運(yùn)算復(fù)雜度低、計(jì)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(shí)施，工程應(yīng)用前景廣闊。針對(duì)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(cè)段的算法(Detected sector based DFSA, ds-DFSA)，本算法通過(guò)檢測(cè)段來(lái)最優(yōu)化幀長(zhǎng)，降低了不合理的幀長(zhǎng)度對(duì)RFID系統(tǒng)識(shí)別性能

8、的影響，提高了識(shí)別效率和穩(wěn)定性；通過(guò)對(duì)每個(gè)碰撞時(shí)隙分配獨(dú)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。即對(duì)標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)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(shí)隙消除機(jī)制基礎(chǔ)上，針對(duì)TS算法存在的識(shí)別延遲高、識(shí)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(shí)隙的二進(jìn)制分裂算法(Idle-slots elimination based binary splitting, ISE-BS)，其能節(jié)省識(shí)別過(guò)程中的協(xié)調(diào)時(shí)間，提高識(shí)別效率；部分碰撞仲裁由1比特隨機(jī)信號(hào)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(shí)別過(guò)程中為標(biāo)簽群分配一個(gè)最優(yōu)化幀長(zhǎng)度，若幀中的某

10、個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)施同樣需要在標(biāo)簽內(nèi)部增加狀態(tài)標(biāo)識(shí)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(duì)大容量多標(biāo)簽快速可靠識(shí)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(cè)、子幀觀測(cè)、幀分解和空閑時(shí)隙消除等RFID系統(tǒng)防碰撞方法，利