物聯(lián)網(wǎng)RFID反碰撞問題研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是最近剛剛提出來的利用EPC(ElectronicProductCode)、RFID(RadioFrequencyIdentification)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球物品信息共享的一個(gè)建立在Internet上的全球網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)“物與物”之間互聯(lián)。在物聯(lián)網(wǎng)眾多關(guān)鍵技術(shù)中，附有EPC代碼信息的電子標(biāo)簽識(shí)別問題是其最首要的一環(huán)。 當(dāng)閱讀器信號(hào)作用范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽，同一時(shí)刻有兩個(gè)或者以上的標(biāo)簽

2、向閱讀器返回信息時(shí)，將產(chǎn)生沖突，稱為標(biāo)簽沖突。另外，當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處于兩個(gè)或多個(gè)閱讀器的問詢區(qū)，同一時(shí)間有兩個(gè)或以上閱讀器試圖與這個(gè)標(biāo)簽通信時(shí)，也將產(chǎn)生沖突，稱為閱讀器沖突。解決沖突的算法稱為反碰撞算法。傳統(tǒng)的無線電技術(shù)已有空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法以及碼分多路法來解決類似問題。但是物聯(lián)網(wǎng)的電子標(biāo)簽由于成本限制，其功能是有限的。在和閱讀器通信的過程中既不能區(qū)分不同的閱讀器，也不能在和閱讀器的通信過程中發(fā)揮一定的輔助作用，不支持復(fù)

3、雜的通信協(xié)議，所使用的工作頻帶有限制。另一方面，閱讀器只影響和它相毗鄰的通信媒體；標(biāo)簽內(nèi)包含的信息量很少，閱讀器與標(biāo)簽之間的通信時(shí)間很短。因此，物聯(lián)網(wǎng)中射頻識(shí)別問題與傳統(tǒng)的無線信道多路訪問問題有很多不同之處。 本論文主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中RFID反碰撞問題進(jìn)行理論和應(yīng)用方面的研究，其貢獻(xiàn)在于： 一、論文從電磁耦合的角度介紹了射頻識(shí)別技術(shù)中的通信實(shí)質(zhì)，指出射頻識(shí)別系統(tǒng)中的反碰撞問題仍屬于多路信道訪問的范疇。根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn)，

4、最適合的多路信道訪問方式主要為時(shí)分多路訪問。 二、針對(duì)解決標(biāo)簽沖突的隨機(jī)ALOHA類消解方案其效率較低，特別是隨著標(biāo)簽數(shù)量的擴(kuò)大，性能均激劇惡化的特點(diǎn)。本文創(chuàng)造性提出雙向二進(jìn)制指數(shù)索引算法協(xié)議，根據(jù)閱讀器每次識(shí)別的結(jié)果，標(biāo)簽以遞增或遞減方式修改其應(yīng)答概率。其識(shí)別過程可以用馬爾可夫吸收鏈理論進(jìn)行刻劃描述。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法識(shí)別效率在最好時(shí)為0.42，在動(dòng)態(tài)以及標(biāo)簽數(shù)量急劇增大的情況下也可以穩(wěn)定地達(dá)到0.322，性能極其穩(wěn)定。

5、 三、為了降低標(biāo)簽的成本，文中進(jìn)一步分析了雙向二進(jìn)制指數(shù)索引算法在識(shí)別效率能初步達(dá)到最優(yōu)的情況下，標(biāo)簽可以取的極小狀態(tài)級(jí)別數(shù)k=4；標(biāo)簽應(yīng)答概率動(dòng)態(tài)變化時(shí)，遞增或遞減的幅度x=1.5時(shí)性能更加合理。 四、解決標(biāo)簽沖突的確定性方案主要是樹型類算法，已存在的算法協(xié)議缺陷在于閱讀器未充分利用以前的識(shí)別信息。本文分析碰撞時(shí)的特點(diǎn)，提出基于后退式索引的二進(jìn)制樹型反碰撞算法：①、碰撞發(fā)生時(shí)，根據(jù)碰撞的最高位，跳躍式向前搜索；②、無碰

6、撞時(shí)，采取后退策略，最終能夠快速地識(shí)別所有標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)學(xué)歸納法證明表明：識(shí)別n個(gè)標(biāo)簽，閱讀器共需要問詢2n-1次，平均問詢次數(shù)2次。同時(shí)采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到標(biāo)簽的平均應(yīng)答次數(shù)為1.227+1.004log2n。 五、對(duì)后退式索引樹型反碰撞算法的進(jìn)一步分析表明，閱讀器與標(biāo)簽之間傳遞的EPC數(shù)據(jù)具有互補(bǔ)性，算法協(xié)議可以作進(jìn)一步改進(jìn)。所傳輸?shù)腅PC參數(shù)采用不定長方式動(dòng)態(tài)進(jìn)行，信息吞吐量可進(jìn)一步提高，所節(jié)省的通信量在32.5％以

7、上。 六、頻率干擾和標(biāo)簽干擾是閱讀器沖突中主要存在的問題。根據(jù)染色理論可以將閱讀器沖突的問題抽象模型化為圖的染色問題。然而，由于圖的全染色問題是一個(gè)NP難題，本文給出其的圖形化解決公式。針對(duì)具體的RFID閱讀器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，其閱讀器和標(biāo)簽一般采用同一頻率通信，需要解決的主要是標(biāo)簽干擾，采用色度波算法能夠在各閱讀器之間動(dòng)態(tài)地分配工作時(shí)隙，避免多個(gè)閱讀器對(duì)同一標(biāo)簽在同一時(shí)間的識(shí)別沖突。該算法尤其適合閱讀器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的需求。 七