孫光浩+劉丹青+王永鑒

1研究背景

射頻識別（RFID）是物聯(lián)網（IoT）的重要組成部分，通過捕獲有意義的數據來跟蹤和共享信息，有助于將物理對象的狀態(tài)連接到互聯(lián)網上。它已經成為涵蓋資產管理，供應鏈和施工等廣泛應用的關鍵技術。RFID系統(tǒng)由閱讀器（詢問器），標簽（應答器）和中間件軟件組成，可幫助使用RF信號從標簽到讀取器的數據處理。標簽根據其功能被分類為被動，半無源和主動。由于無源標簽沒有配備電源，因此需要來自讀取器的能量才能發(fā)回包含其ID信息的重新調制信號?；诜聪蛏⑸錁撕炐盘柕腞FID通信取決于各種因素，包括信號的功率，標簽的雷達截面（RCS）和傳播損耗。

2研究意義

為了最小化由相鄰標簽引起的數據沖突，本文提出了一種基于時分（TD）技術的防沖突算法。在TD技術中，每個標簽的響應都是通過特定的時間間隔進行區(qū)分的，這個時間間隔對應于這個特定的時間間隔。因此，數據幀被分成幾個時隙，每個時隙被分配給各個標簽，并且讀取器可以按時間順序讀取所有標簽。此外，本文中考慮的數據幀包括前導碼幀，其有助于信道估計，信噪比（SNR）估計，同步等。在RFID應用中，TD方法需要使用相同的時隙對標簽進行分組，以便它們只在特定的時間間隔內傳輸。在本文中，我們將提出的TD方法與常規(guī)方法的性能進行比較，而不考慮干擾抑制和抗沖突技術以及基于黃金碼序列的CDMA技術.

本文的其余部分安排如下。第3節(jié)描述了RFID碰撞問題，并討論并分析了以前與碰撞問題有關的一些工作。在第4節(jié)中，我們將介紹本研究中使用的接收信號模型的細節(jié)。在第5節(jié)中，我們介紹了針對單個讀取器的抗沖突問題的TD解決方案，最后，在第6節(jié)，我們得出結論。

3RFID碰撞問題

在本節(jié)中，我們將討論RFID碰撞的類型和以前的相關工作。

3.1RFID碰撞的類型

RFID標簽信號引起的干擾是RFID系統(tǒng)的常見問題。由于讀卡器和標簽通常使用相同的通道，來自多個標簽的同時傳輸會導致沖突。碰撞被分類為讀寫器，讀寫器到標簽和標簽到標簽的碰撞。

3.1.1讀者閱讀器碰撞

當相鄰讀卡器同時詢問相同頻帶中的特定標簽時，會發(fā)生讀寫器沖突。此外，當標簽在一個讀取器的可讀范圍內并且另一個讀取器的干擾范圍時，來自后一讀取器的信號可能會干擾來自標簽的返回信號。Colorwave中更詳細地討論了讀者與讀者的沖突。

3.1.2讀者到標簽的碰撞

當標簽從不同的讀者收到多個并發(fā)查詢時，會發(fā)生讀寫器到標簽的沖突（標簽干擾）。這個問題可以通過給附近的讀者分配不同的頻道來解決。

3.1.3標簽到標簽的碰撞

當多個信號同時到達讀卡器時，會發(fā)生標簽到標簽沖突，從而防止其詢問區(qū)內所有標簽的可靠檢測。圖1中示出了這種情況，其中標簽（T1，T2，T3和T4）同時向單個讀取器發(fā)送信號，從而阻止讀取器正確識別特定標簽。沒有防沖突協(xié)議，這些標簽的數據不僅會在讀卡器上發(fā)生沖突，從而降低其識別率，而且還會導致浪費帶寬和能量。

3.2相關作品的碰撞問題

RFID是一種準確的物體識別系統(tǒng)，商業(yè)上用于檢測和管理與各種物品有關的信息。然而，工業(yè)應用RFID的大規(guī)模接受度低于預期，這主要是由于環(huán)境因素，多徑衰落等以及標簽碰撞問題等幾個問題。標簽沖突問題通常是由于讀寫器與標簽之間缺乏適當的協(xié)調而發(fā)生的。從標簽到讀取器的反向散射響應可能與相鄰標簽相沖突，這最終掩蓋了讀取器正確讀取標簽ID。

在本文中，我們專注于具有多個標簽的環(huán)境中的單個讀取器的問題。此外，我們專注于RFID技術在智慧圖書館的實際應用。通常，在施工現(xiàn)場，存在大量標簽對象。因此，同時提高對象識別性能并最大限度地降低運營成本是非常重要的。近來開發(fā)的RFID系統(tǒng)已經使用了各種多址技術，例如空分多址（SDMA），頻域多址（FDMA），時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），這被稱為擴頻。

3.2.1SDMA協(xié)議

SDMA在空間插槽中重復使用某些資源（信道容量）。SDMA協(xié)議使用電子控制定向天線或多個讀取器分離信道，以識別標簽。然而，這種方法的缺點包括高實現(xiàn)成本，需要設計復雜的天線系統(tǒng)，并且僅限于少數專門應用。另一方面，F(xiàn)DMA不同于對應答者的不同頻率的傳播，這導致了對讀者的影響。這需要復雜的接收者，因為必須為每個接收信道提供專用接收機。雖然CDMA對于多個標簽表現(xiàn)出良好的性能，但是它要求在傳輸之前將它們的數據乘以偽隨機噪聲（PN）序列。相反，TDMA防沖突算法在每幀中分配幾個時隙來解決沖突問題。

3.2.2 TDMA防沖突技術

TDMA防沖突技術是最受歡迎的RFID讀寫器抗碰撞技術，它在色波算法中被使用，每個讀卡器選擇一個隨機時隙來傳輸數據。TDMA防沖突方法按時間順序劃分參與者之間的總可用信道容量。其程序被分類為同步讀取器驅動和異步標簽驅動。在閱讀器驅動的過程中，在特定的時間間隔，首先使用特定算法從一組標簽中選擇一個單獨的標簽，然后在所選標簽和讀取器之間進行數據通信鏈接。另一方面，通過標簽驅動程序，標簽通過在讀取器的存在下發(fā)送其ID而向讀取器通知。前者和后一個程序也分別被稱為讀取器通話（RTF）和標簽通話（TTF）。與RTF相比，TTF相對較慢，無法實現(xiàn)。對于RFID系統(tǒng)中的防沖突算法，Abramson的招聘訪問邏輯（ALOHA）協(xié)議和二叉樹算法是基于確定性和概率方法的，被廣泛使用。用于超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)的大多數標準是將抗沖突算法的二叉樹搜索稱為確定性方案，因為每個屋頂到葉子路徑表示唯一的標簽ID，并且可以同時檢索所有完全搜索所有分支后的ID。另一方面，ALOHA抗沖突算法通常被稱為概率方案，其中每個標簽ID將具有成功檢索的概率。

3.2.3基于樹的防沖突算法endprint

基于樹的防沖突算法使用虛擬樹通過迭代地查詢不同級別的標簽的子集來讀取讀取器的讀取范圍內的所有標簽數據，并且標簽ID基于它們的預定義分發(fā)。根是要標識的一組標簽，中間節(jié)點表示碰撞標簽組，葉片表示單個標簽響應。它們被進一步分類為樹分裂（TS），查詢（QT），二進制搜索（BS）和逐位仲裁（BTA）。在TS協(xié)議中，使用隨機數生成器對多個響應標簽進行分組。另一方面，QT協(xié)議將樹信息存儲在讀卡器中。讀者用位串預測符廣播查詢，然后將其與標簽ID的前綴匹配，之后具有匹配預處理的標簽以讀取器的ID為響應查詢。這個過程一直持續(xù)到只有一個標簽響應。這克服了使用TS生成隨機數的問題，降低了成本和計算復雜度。在BS中，通信由讀取器發(fā)送標簽的序列號開始。然后將序列號與其ID進行比較。在該協(xié)議中，如果標簽的等級不等于用戶名，則通信是可能的。不需要上述協(xié)議，BTA通過請求標簽來從最重要的位逐位回應到其ID的最不重要的位。

3.2.4ALOHA協(xié)議

ALOHA協(xié)議是概率方法，其中信號在幀內的隨機時隙內進行響應以識別標簽。在不同的基于ALOHA的協(xié)議中，幀時隙ALOHA（FSA）和動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）在RFID系統(tǒng)中最常用，因為它們可以降低標簽之間的沖突概率。在FSA中，讀取器確定幀大小和時隙的實際持續(xù)時間，并且標簽使用整個時隙集合中的隨機時隙（總時隙和幀大小被固定）。因此，在讀寫器詢問區(qū)中，對于少量的標簽，存在因空槽而浪費的問題，對于大量的標簽，存在沖突問題。FSA的這個缺點由DFSA部分解決。在DFSA中，當大量插槽相撞時，讀卡器會將一個插槽的插槽數量相加。類似地，當存在許多空插槽時，閱讀器將減少一個幀大小的時隙數量。在DFSA中，在估計每幀結束后的剩余標簽數量的情況下，調整下一幀的大小，而不對當前幀內的理想時隙和相關時隙進行任何操作。因此，在這些時隙期間讀者的請求時間被浪費。因此，如果我們嘗試減少請求時間，則可能會增加標簽沖突的可能性。

4基于TD的RFID防碰撞

在本節(jié)中，我們提出了一種有效和簡單的防碰撞RFID系統(tǒng)，特別是智能圖書館管理系統(tǒng)技術。這種施工技術的目標是通過重復利用和回收先前標簽降低施工成本并提高施工速度。在這種情況下，我們需要使用簡單協(xié)議的低成本RFID系統(tǒng)，與ALOHA系統(tǒng)或基于金碼的系統(tǒng)不同，它應該具有良好的防沖突性能。

在本文中，我們提出了一種基于TD方法的簡單有效的RFID系統(tǒng)。所提出的RFID標簽使用特定時隙發(fā)送數據，并且該時隙被固定。在標簽附于圖書之前，標簽根據其時間段進行分組（請注意，組數可以根據圖書的數量確定）。當將具有特定時隙的標簽附加到圖書時，應該管理它們，以避免同一組中的標簽位于鄰居中。例如，如果第一組的標簽連接到特定的圖書，則屬于其他組的標簽應連接到相鄰的圖書。管理RFID標簽位置的這個過程很簡單，因為圖書通常在同一地點相對長的一段時間，直到圖書被借走，并且圖書在另一個人借走中重新使用。雖然我們在本文中重點介紹了在智能圖書館管理系統(tǒng)應用所提出的RFID系統(tǒng)，但它可能適用于物體相對較長時間放置在同一地點的其他區(qū)域，如存儲，工業(yè)場所等安裝了各種設備。

所提出的防碰撞RFID算法著重于涉及單個手持式讀取器和多個標簽的情況。除了通過將標簽分配給先前分配的時隙以傳輸數據外，還能夠有效地降低由于其他標簽引起的沖突的概率，它還采用簡單的RFID協(xié)議進行單向通信。這種簡單的RFID協(xié)議可能會降低實施成本，因為RFID標簽使用固定的特定時隙發(fā)送數據，而不需要復雜的數學運算過程，這與基于金碼或ALOHA的防碰撞RFID系統(tǒng)不同。請注意，金碼防碰撞RFID標簽需要重要數量的數值運算，包括乘法和加法，而ALOHA技術需要自適應資源處理，用于在數據幀內分配時隙。

4.1考慮干擾信號的RFID信號功率模型

在RFID系統(tǒng)中，一旦標簽被來自讀取器的發(fā)射功率供電，所選擇的標簽開始響應于讀取器。由于從RFID標簽散射的調制信號受到來自其他標簽的噪聲和干擾信號的影響，所以由等式（1）和（2）給出的PFID讀取器處的接收信號由感興趣的調制后向散射信號，噪聲和干擾信號。在讀取器處，可用于其接收天線的可用功率量由下式給出

其中PR接收機[dB]是讀取器的接收機天線接收的功率，GR接收機是讀取器處的接收機天線的增益（其等于讀取器處的發(fā)射機天線增益），a是RF標簽的RCS，這對于系統(tǒng)級效率和可靠性很重要[28（35），29]。RFID標簽的橫截面積可以寫成

方程式（8）和（9）表明無源RFID系統(tǒng)的總能耗取決于從讀寫器傳輸到標簽的功率。由于這些方程式表示可以通過維持讀取器天線處的功率來調整標簽與讀取器之間的有效距離r，所以無源RFID標簽的全反向散射功率和詢問范圍取決于讀取器的發(fā)送功率水平。在我們的計算機模擬中，我們使用了上述的RFID信號功率模型。

4.2基于TD的RFID反碰撞方案

為了抑制來自周圍多個RFID標簽的干擾信號，我們提出了一種基于TD技術的防沖突方法，該方法在特定時隙上分配標簽信息。在讀卡器到標簽通信期間，讀取器將發(fā)送功率Pr的載波信號發(fā)送到它們的詢問區(qū)內的一組任意多個標簽。如果讀取器接收到的功率大于從標簽接收到的最小功率，這被稱為讀取器靈敏度，則從標簽到讀取器的數據傳輸可能是可能的。當讀卡器接收到的能量高于激活閾值時，讀卡器的覆蓋區(qū)域中的所有標簽隨后被激活，并將其識別信息發(fā)送給具有PR接收器功率的讀取器。如果測量的PR接收機值高于激活閾值，則發(fā)送信號對發(fā)送其有效載荷是有效的。相反，如果測量值低于激活閾值，則發(fā)送信號不能有效地發(fā)送其有效載荷并且數據傳輸可能失敗。在所提出的RFID系統(tǒng)中，當使用特定時隙的特定標簽將數據發(fā)送到讀取器時，使用其它時隙的其他標簽不傳輸任何數據，而是保持其順序。由于標簽根據輪轉發(fā)送數據，在讀卡器中，與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，能夠有效地抑制來自其他標簽的干擾信號，并提高了通信的可靠性，因為它們對于多個標簽具有低讀取能力，因為它們沒有干擾抑制或防碰撞技術。圖2示出了基于二進制相移鍵控（BPSK）的標簽處的發(fā)送信號和讀取器處的接收信號的示例，其使用具有獨立數據調制技術的恒定載波信號幅度，并且有助于提供穩(wěn)定的功率傳輸無線通信。在圖中，為了解釋所提出的系統(tǒng)，我們假設每個標簽采用唯一的時隙。盡管在實際系統(tǒng)中，一些標簽可以被分配到相同的時隙中，但與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，其他標簽的干擾信號被有效地抑制。我們通過執(zhí)行計算機模擬來討論基于TD的所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能。endprint

4.3基于TD的RFID防碰撞數據架構

在本小節(jié)中，我們提出一種基于TD的有效數據架構來防止RFID沖突。在這里，我們在RFID數據幀中分配了特定的時隙，以及用于前導數據和有效載荷的固定數量的數據位。在特定時間間隔內，讀取器識別來自特定標簽的數據比特，其由隨后有效載荷的前導碼數據組成。為了防止同一個讀寫器詢問區(qū)中的標簽之間的沖突，特定的時間間隔將保留給特定的標簽。前導碼和有效載荷的功能總結如下。

4.3.1前導碼

在有可能阻止我們準確檢測到所需信號的噪聲和干擾環(huán)境中，前導碼有助于防止信號檢測的性能下降。因此，前導數據用于信道估計，SNR估計，同步等。在讀取器的接收機處，應該獲得有效的信道和SNR估計，以便能夠準確地檢測來自RFID標簽的傳輸數據和估計分別在詢問區(qū)中的標簽數量。此外，由于標簽使用特定的時隙發(fā)送數據，所以提出的RFID方法需要完美的同步。在本文中，我們假設在讀取器的接收器處執(zhí)行信道估計，SNR估計和同步。

假設有四個標簽每個采用唯一的時隙，圖3顯示了所提出的防碰撞RFID系統(tǒng)的數據架構。在該系統(tǒng)中，在發(fā)送有效載荷之前，使用圖中的第1個時隙發(fā)送第1個標簽中的前導碼數據。

4.3.2有效載荷

在該RFID系統(tǒng)中，當讀取器將喚醒信號發(fā)送到標簽時（為了簡單起見，我們在數據架構中不包括喚醒信號），標簽使用所示的特定時隙順序發(fā)送前導碼和有效載荷諸如識別（ID）號碼，電子產品代碼（EPC）號碼等信息等信息。使用所提出的數據架構，當特定標簽將數據發(fā)送到讀卡器時，沒有其他標簽傳輸任何數據，如圖3所示。因此，當同時在多個標簽和讀卡器之間通信時，不存在干擾信號。雖然圖3中針對RFID的基于TD的防沖突架構考慮了四個標簽和一個讀卡器，但它可能會擴展到更多的標簽。如前所述，與實際系統(tǒng)中相同的時隙中分配某些標簽的情況相比，與沒有防碰撞技術的常規(guī)RFID系統(tǒng)的情況相比，可以有效地抑制來自其他標簽的干擾。

5結論

為了最小化RFID系統(tǒng)的標簽到標簽的碰撞數量，我們提出采用TD技術的防碰撞技術和數據結構。在所提出的系統(tǒng)中，由于只有特定的標簽才能在特定的時隙內將數據發(fā)送給讀卡器，因此有效地抑制了其他標簽的干擾信號。因此，當我們同時在諸如施工現(xiàn)場的工業(yè)現(xiàn)場使用多個標簽和單個讀取器時，所提出的RFID架構可以提高數據的可靠性和性能，從而能夠識別特定對象或材料的信息。我們通過執(zhí)行計算機模擬來說明了所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能，并將結果與沒有防沖突技術的常規(guī)系統(tǒng)和基于黃金代碼序列的防碰撞RFID系統(tǒng)進行了比較。未來，我們將更詳細地探討所提出的RFID系統(tǒng)的一些實際應用endprint