大容量多標簽防碰撞射頻識別技術研究.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對象并獲取數(shù)據(jù)的非接觸式信息采集技術，被公認為是二十一世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一，亦是支撐物聯(lián)網的四大核心基礎技術之一。RFID支持快速非視距、移動、多目標的識別、定位與跟蹤，具有識別距離遠、速度快、標簽存儲容量大且可重復使用等優(yōu)點，已廣泛地應用于人、物、資產的智能管理與監(jiān)控等各個領域，滲透到人們的日常生活之中。在各種R

2、FID應用系統(tǒng)中，一臺RFID讀寫器常需快速準確地識別其工作域內數(shù)量眾多的RFID標簽。由于讀寫器與各標簽之間通信共享相同無線信道，當多個標簽同時向讀寫器返回數(shù)據(jù)時引起信息碰撞，產生了讀寫器無法識別出有用的各標簽信息的多標簽碰撞現(xiàn)象。多標簽碰撞導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的應用領域。隨著RFID標簽識別靈敏度提升，讀寫器識別距離增大，讀寫器的識別區(qū)域擴大且可識別的標簽數(shù)量增多，多標簽碰撞問題

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

4、率低、復雜度高、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制與技術，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、復雜度低、穩(wěn)定可靠等特點，應用前景廣闊。本文主要研究內容及貢獻如下：
　　1.在研究多進制查詢和空查詢消除基礎上，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)，理論分析和仿真結果表明采用該算法的RFID系統(tǒng)吞吐率高于經典查詢樹算法，達到0.46。在 CCMA算法基礎上，設計出雙前綴探測方法(Dual-prefix probe scheme, DPPS)其不同于常規(guī)多比特碰撞仲裁機制

6、，而是利用碰撞時隙來識別標簽，顯著提升了識別效率，理論分析及仿真結果表明DPPS算法的吞吐率高，有效地減少了多標簽的識別時間。
　　2.在研究子幀觀測和幀分解機制基礎上，針對常規(guī)DFSA算法存在復雜度高、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定的子幀觀測，運用空閑與碰撞時隙

7、數(shù)的關系估計剩余標簽數(shù)，再依據(jù)預估的結果優(yōu)化設置新的幀長，顯著提升了系統(tǒng)的識別效率。該算法的運算復雜度低、計算量小，兼容性好，已經在現(xiàn)有的支持ISO/IEC18000-6C標準的讀寫器中實施，工程應用前景廣闊。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，仿真結果達到0.41。盡管ds-DFSA算法目前不能直接應用于現(xiàn)有的UHF RFID讀寫器，但是它的實現(xiàn)復雜度低。即對標簽的狀態(tài)機進行適當調整，同時在讀寫器端增加自定義命令即可。
　　3.在研究二進制分裂和空閑時隙消除機制基礎上，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)調時間，提高識別效率；部分碰撞仲裁由1比特隨機信號輔助完成，減少了信息傳輸量及讀寫器功耗。在 ISE-BS算法基礎上，提出了兩種新型自適應樹隙Aloha算法(Adaptive tree slotted Aloha, ATSA)，本算法在識別過程中為標簽群分配一個最優(yōu)化幀長度，若幀中的某

10、個時隙發(fā)生碰撞，那么受碰撞的標簽則被改進的ISE-BS算法識別，仿真結果表明ATSA算法的吞吐率達到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簽內部增加狀態(tài)標識位，在讀寫器端增加相應的自定義命令。
　　綜上所述，本文針對大容量多標簽快速可靠識別的應用需求，深入研究了RFID系統(tǒng)中的多標簽碰撞的機制，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