,苗長(zhǎng)勝,魯恩

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司計(jì)量中心，成都 610000;2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

0 引言

在研究基于云平臺(tái)和RFID實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模式下智能表全壽命周期管理系統(tǒng)工程的過(guò)程中，射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法是其中關(guān)鍵的研發(fā)重點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法性能高的同時(shí)又能盡量的節(jié)能，成為基于云平臺(tái)和RFID實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模式下智能表全壽命周期管理系統(tǒng)中重點(diǎn)研究以及實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)是一種利用無(wú)線射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息的傳遞，再利用這些信息達(dá)到識(shí)別對(duì)象的技術(shù)[1-2]。這種射頻識(shí)別的硬件系統(tǒng)一般由閱讀器與電子標(biāo)簽構(gòu)成，而在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，會(huì)使用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器是對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)的儀器，在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用；系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽則是對(duì)所要識(shí)別對(duì)象信息的載體設(shè)備，一般會(huì)被安置在所要識(shí)別的物體之上，所得到的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理[3-4]。

無(wú)線射頻、芯片以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展為RFID系統(tǒng)提供了快速發(fā)展的前提[5]。當(dāng)前RFID系統(tǒng)發(fā)展迅速，其生產(chǎn)成本、體積以及能耗都得到了改進(jìn)，而且功能也非常豐富。RFID系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家較為成熟，在各種領(lǐng)域都有著深入的應(yīng)用，如商品管理、生產(chǎn)控制等[6]。國(guó)內(nèi)雖然RFID系統(tǒng)應(yīng)用出現(xiàn)的時(shí)間較晚，但是實(shí)際應(yīng)的領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，發(fā)展異常迅速，如停車收費(fèi)系統(tǒng)、火車車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等都已經(jīng)在市場(chǎng)中廣泛使用。RFID對(duì)人類生產(chǎn)、生活的幫助使得它的應(yīng)用涉及到了各行各業(yè)，但是RFID技術(shù)在對(duì)多目標(biāo)識(shí)別時(shí)仍然存在著一定的問(wèn)題，這也成為制約RFID技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸所在[7-8]。

Jacomet在1999年提出一種查詢樹(shù)算法，但是他的算法計(jì)算時(shí)耗時(shí)太長(zhǎng)，因此無(wú)法滿足射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞快速識(shí)別的需求[9]。2003年，Claus Finkenzeller提出一種射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法，這種算法是一種二進(jìn)制搜索算法，隨后一些研究者依據(jù)他的算法提出一些改進(jìn)的算法[10]。余松森在2004年提出了返回式二進(jìn)制搜索算法,鞠偉成在2005年提出了動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法，從不同的角度對(duì)二進(jìn)制算法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法的性能[11]。返回式二進(jìn)制搜索算法對(duì)減少了閱讀器的查詢次數(shù)，而動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法則減少了查詢時(shí)單次標(biāo)簽與閱讀器之間信息處理的數(shù)量。在此之后王雪等人在2010年提出了鎖位后退式算法、馮娜、潘偉杰等人于2012年提出了跳躍式動(dòng)態(tài)搜索算算法等等[12]。

截至目前，針對(duì)射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法的研究成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要的研究方向。在防碰撞研究領(lǐng)域，雖然有著很多的研究工作，但是如何使得算法具有低復(fù)雜度、效率高仍然具有很大的挑戰(zhàn)難度。本文提出一種基于功率控制的分組算法，以達(dá)到提高防碰撞算法性能的目標(biāo)。另一方面，由于功率控制的使用，使系統(tǒng)中的閱讀器可以利用不同的發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)與不同距離的標(biāo)簽進(jìn)行通信，所以該種方案可以在提高了系統(tǒng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1 RFID基本原理以及基礎(chǔ)知識(shí)

電磁波在空間中散射時(shí)，會(huì)遇到各種不同的目標(biāo)，在電磁波到達(dá)目標(biāo)后，一部分會(huì)被吸收到，一部分則會(huì)繼續(xù)向外散射。反射的能量中的一部分會(huì)回到天線中，這部分被稱為回波。在雷達(dá)中，該原理常用于目標(biāo)距離的測(cè)量和定位。

圖1 RFID的原理結(jié)構(gòu)圖

1.1 閱讀器到標(biāo)簽?zāi)芰總鬏?/h3>

在距離為R的電子標(biāo)簽處的功率密度計(jì)算方式如公式(1)所示：

(1)

在公式(1)中，PTx是系統(tǒng)讀寫(xiě)器的發(fā)射功率，GTx則是代表發(fā)射天線的增益，R是標(biāo)簽到讀寫(xiě)器之間的距離。在理論上，標(biāo)簽可以吸到的功率計(jì)算方式如公式(2)所示：

(2)

在公式(2)中，GTag代表的是標(biāo)簽天線的增益。在RFID系統(tǒng)中，由于標(biāo)簽的能量來(lái)自于閱讀器的天線所發(fā)射出的電磁場(chǎng)，所寫(xiě)標(biāo)簽的功耗與讀寫(xiě)距離是負(fù)相關(guān)的，功耗越小距離就會(huì)越大，反之則越小。標(biāo)簽的功能能能否正常發(fā)揮功能由標(biāo)簽的電壓決定，這也對(duì)系統(tǒng)識(shí)別的距離有著決定性的作用。當(dāng)前在技術(shù)不斷成熟的情況下，標(biāo)簽芯片的能耗已經(jīng)降至幾微瓦，因此，即使閱讀器的功率受到限制，RFID的識(shí)別距離也得到極大的提升。

1.2 標(biāo)簽閱讀器的能量傳輸

標(biāo)簽所反射回去的能量與雷達(dá)散射的截面是正比關(guān)系。標(biāo)簽會(huì)將一部分電磁波吸收用于自身的工作，另一部分則會(huì)發(fā)射回閱讀器中，在閱讀器中所接收到的標(biāo)簽信號(hào)總功率計(jì)算方式如式(3)所示：

(3)

GRx代表的就是系統(tǒng)中閱讀器的天線增益，λ是標(biāo)簽發(fā)射能量的效率，依據(jù)公式(3)，如果將閱讀器所接收到的標(biāo)簽發(fā)送能量為標(biāo)準(zhǔn)，則可以認(rèn)定反向散射工作模式的RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離的四次方與系統(tǒng)閱讀器的發(fā)射功率成正比。

2 一種新的基于能量?jī)?yōu)化的射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法

2.1 RFID系統(tǒng)中的能量傳輸以及閱讀器的范圍分析

首先對(duì)RFID系統(tǒng)中的能量傳輸以及閱讀器的范圍進(jìn)行分析，進(jìn)而使得問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。首先分析單閱讀器、單標(biāo)簽?zāi)Ｐ拖碌那闆r。

閱讀器給定的輸出功率為Pt,此時(shí)標(biāo)簽所得到的閱讀器所發(fā)送的功率計(jì)算方式如公式(4)所示。

(4)

在式(4)中，Gt,Gr分別代表閱讀器與標(biāo)簽天線，λ1,λ2代表閱讀器與標(biāo)簽之間的通信前后與后向鏈路的工作波長(zhǎng)，η則是代表標(biāo)簽?zāi)芰糠瓷湫剩瑀i代表閱讀器與標(biāo)簽i之間相應(yīng)的距離，Pr-i就是指標(biāo)簽返射回閱讀器的功率。

在實(shí)際的應(yīng)用中，由于信息傳遞環(huán)境以及信道情況帶來(lái)的影響，式(4)可以變更成為：

(5)

在式(5)中，q代表的就是環(huán)境因子，其值由實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景決定。

閱讀器的詢問(wèn)范圍是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，設(shè)定閱讀器的接收功率的檢測(cè)閾值為Prequired，此時(shí)可以得出：

Rinterrogation_range=sufriPr-i≥Prequired

(6)

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

本文算法在防碰撞性能上達(dá)到了50%以上，對(duì)系統(tǒng)的有效服務(wù)率有著很大的提升。

2.2 算法的實(shí)現(xiàn)

前文分析的是單閱讀器、單標(biāo)簽?zāi)Ｐ汀５窃趯?shí)際的應(yīng)用中，存在著多閱讀器多標(biāo)簽?zāi)Ｐ偷那闆r，因此可以對(duì)這種單閱讀器、單標(biāo)簽?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擴(kuò)展。

參照公式(7)可以得出Rinterrogation_range是Pt的函數(shù)，因此只要對(duì)閱讀器的輸出功率進(jìn)行控制，就可以對(duì)閱讀器的詢問(wèn)范圍進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)閱讀器的輸出功率逐步提升，步距為Pstepped，此時(shí)就能夠獲得一組Rinterrogation_range。這一組輸出功率可以把所要識(shí)別的區(qū)域進(jìn)行劃分，可以得到N個(gè)子區(qū)域，即Zone1，Zone2…ZoneN。此時(shí)，每次在與閱讀器通信時(shí)，只選定其中一部分指定的區(qū)域進(jìn)行通信，這樣一來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)閱讀器與不同距離標(biāo)簽通信的功能。利用這種方案即能夠使得標(biāo)簽的防碰撞性能得到提升，也可以使得系統(tǒng)的能量消耗得到減少，因此實(shí)用價(jià)值較高。

本文的算法主要涉及到所識(shí)別標(biāo)簽三個(gè)不同的狀態(tài)，即“準(zhǔn)備”、“待命”以及“靜默”三個(gè)狀態(tài)。算法的具體步驟如下。

步驟一：閱讀器使用功率和標(biāo)簽通信，這樣一來(lái)使得一部分的標(biāo)簽?zāi)軌蜻M(jìn)入“準(zhǔn)備”的狀態(tài)。

步驟二：對(duì)處于“準(zhǔn)備”狀態(tài)的標(biāo)簽進(jìn)行初始化，把它們的的狀態(tài)改變，變成“待命”狀態(tài)。處于“待命”狀態(tài)的標(biāo)簽，會(huì)對(duì)閱讀器的命令響應(yīng)，反饋?zhàn)约旱臄?shù)據(jù)信息。

IfPr

---Pt←Pt+Pstepped

---回到步驟一

ElseifPr≥Prequired

---對(duì)Zone i 區(qū)域中的標(biāo)簽數(shù)量估算

IfN≤1

---Zone I 的標(biāo)簽被識(shí)別。由于N是一個(gè)估算出來(lái)的值，此時(shí)其值仍可能大于1，所以仍然可能出現(xiàn)碰撞的情況，因此這里可以使用傳統(tǒng)的標(biāo)簽沖突算法來(lái)解決，如Framed Slotted ALOHA。此處所使用的傳統(tǒng)算法標(biāo)記為Subroutine2。

--- 使用Subroutine2來(lái)解決碰撞問(wèn)題

步驟三：

IfPt=Pmax

---退出算法

ElseifPt

---Pt←Pt+Pstepped

---回到步驟一

2.3 算法有效服務(wù)率分析

(8)

對(duì)于處于同一個(gè)碰撞時(shí)隙內(nèi)的標(biāo)簽有兩個(gè)及以上時(shí)，這些簽在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)碰撞，此時(shí)我們使用p來(lái)代表硬幣拋出0的概率，這就意味著在n個(gè)信息包中i個(gè)拋0的概率計(jì)算方式為：

(9)

CRI的長(zhǎng)度由上式(9)得出計(jì)算方式如下：

(10)

K0=K1=1

(11)

Kn|i=E[Kn|i～]=1+Ki+Ki+1n≥2

(12)

因此，可以得到：

(13)

依據(jù)上式，n≥2時(shí)，利用遞歸可得：

(14)

依據(jù)式(9)以及(11)就可以把式(14)變換成為：

(15)

在后退式無(wú)線密碼引的二進(jìn)制算法中：

K1=1

(16)

在識(shí)別區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)標(biāo)簽時(shí)，閱讀器問(wèn)詢后標(biāo)簽信息包應(yīng)答時(shí)就會(huì)出現(xiàn)碰撞。因?yàn)闃?biāo)簽的EPC代碼是唯一的，因此在運(yùn)算后M1相同并且在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的幾率非常小，在兩個(gè)不同的標(biāo)簽中，有著不同的二進(jìn)制位數(shù)，這樣一來(lái)就可以避免兩個(gè)標(biāo)簽發(fā)出沖突的Request命令。因?yàn)樵谒惴ㄖ?，?biāo)簽識(shí)別的前行與后退有著相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此：

K2=3

(17)

設(shè)定：Kn=2n-1n>2

(18)

在識(shí)別區(qū)域有n+1個(gè)標(biāo)簽時(shí)，新增加的標(biāo)簽信息包與原有M1的值是不同的，為保證把它與匹配度最高的標(biāo)簽落區(qū)別開(kāi)，就需要在原有的二進(jìn)制搜索樹(shù)中添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)間只有父子關(guān)系，并且有兩邊相連，因此：

Kn+1=(2n-1)+2=2(2n+1)-1

(19)

由數(shù)學(xué)歸納法可知假設(shè)成立，所以本文在解決碰撞時(shí)，Kn以及有效服務(wù)率n/Kn為：

Kn=2n-1n≥1

(20)

(21)

本文算法在防碰撞性能上達(dá)到了50%以上，對(duì)系統(tǒng)的有效服務(wù)率有著很大的提升。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行仿真前，首先對(duì)防碰撞算法的原理進(jìn)行闡述。防碰撞算法的核心是要對(duì)在識(shí)別范圍內(nèi)的的多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行有續(xù)訪問(wèn)。因此，系統(tǒng)中采用的算法能夠使得在一個(gè)時(shí)間內(nèi)只讓一個(gè)標(biāo)簽與讀寫(xiě)器建立通信，通信結(jié)束后即進(jìn)入休眠，待下一個(gè)通信建立，如此循環(huán)只到所有的標(biāo)簽被識(shí)別完為止。這種方案是以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)。多標(biāo)簽防碰撞算法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的要求嵌入到RFID系統(tǒng)的芯片中，提高讀寫(xiě)器能夠同時(shí)閱讀標(biāo)簽的數(shù)量。防讀寫(xiě)器會(huì)推送一個(gè)周期指令用于清點(diǎn)標(biāo)簽，在一個(gè)清點(diǎn)周期內(nèi)，可能有一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽參與，標(biāo)簽接收到指令后會(huì)在 (O，2Q.1)(Q為指令的參數(shù))內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)并將該數(shù)放入到計(jì)數(shù)器中。如果這個(gè)隨機(jī)數(shù)是0的時(shí)候，該標(biāo)簽就會(huì)回復(fù)一個(gè)十六位的隨機(jī)數(shù)，不是0則進(jìn)入arbitrate狀態(tài)，等待下一步的指令即QueryRep和 QueryAdjust指令。如果此時(shí)只有一個(gè)標(biāo)簽回復(fù)了信息，那么讀寫(xiě)器就會(huì)確認(rèn)該標(biāo)簽再由讀寫(xiě)器發(fā)送QueryRep指令繼續(xù)識(shí)別工作。如果沒(méi)有回復(fù)或者有多個(gè)標(biāo)簽回復(fù)，那么讀寫(xiě)器就會(huì)發(fā)送QueryAjust或者QueryRep指令。QueryAdjust指令用于改變參數(shù)Q的值，但不改變其它參數(shù)，這樣就會(huì)使得標(biāo)簽依據(jù)新參數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；QueryRep指令則令計(jì)數(shù)器自減1。

仿真參數(shù)的設(shè)置流程如下：

1)使用subsystem對(duì)50個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行封裝，再與閱讀器連接；

2)將參數(shù)Q的值設(shè)為3，Qfp=3，時(shí)隙計(jì)數(shù)器值na=2Q=8，碰撞計(jì)數(shù)器nf=0，正確識(shí)別標(biāo)簽計(jì)數(shù)器nr=0；

3)系統(tǒng)的閱讀器會(huì)依據(jù)下一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的回復(fù)信息的處理結(jié)果處理計(jì)數(shù)器，即回復(fù)信息有效時(shí)，保留標(biāo)簽信息并讓接收器自增1，若回復(fù)信息無(wú)效則讓碰撞計(jì)數(shù)器自增1；

4)把時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值減1，并對(duì)此時(shí)的值進(jìn)入判斷，如果為0時(shí)，對(duì)碰撞發(fā)生器的值進(jìn)行判斷，若為0，這個(gè)清點(diǎn)周期結(jié)可，若不為零，依據(jù)算法對(duì)Q值進(jìn)行調(diào)節(jié)并進(jìn)入步驟1；若時(shí)隙計(jì)數(shù)器不為0時(shí)，閱讀器利用算法對(duì)Q參數(shù)的值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)送Queryrep或 QueryAjust指令此時(shí)進(jìn)入步驟2。

下面本文從算法的防碰撞性以及節(jié)能性能來(lái)對(duì)算法的性能進(jìn)行分析。算法的防碰撞性分析由吞吐率分析進(jìn)行，算法的節(jié)能性能分析由本文算法與傳統(tǒng)算法的能耗相比得出。

依據(jù)相關(guān)的協(xié)議以及實(shí)際中的應(yīng)用場(chǎng)景，算法的仿真設(shè)置參數(shù)為：Gr=2 dBi,Gt=6 dBi,f=900 MHz,q=1.5,Prequired=-60 dBm，閱讀器設(shè)定的最大輸出功率為Pmax=32 dBm,閱讀器的最小輸出功率Pmin=0 dBm,Pstepped=3 dBm。仿真分析依據(jù)蒙特卡羅方法進(jìn)行，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景的仿真結(jié)果見(jiàn)下文。

1)當(dāng)標(biāo)簽在詢問(wèn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布時(shí)，算法的性能對(duì)比如圖2～4所示。

圖2 標(biāo)簽隨機(jī)分布下TAPC的標(biāo)簽防碰撞性能

從圖2中可以看到，在識(shí)別標(biāo)簽片是隨機(jī)分布在閱讀器的詢問(wèn)題區(qū)域內(nèi)，并且標(biāo)簽的數(shù)量在10到50之間時(shí)，TAPC的算法在防碰撞性能表現(xiàn)與Basic Framed Slotted ALOHA(BFSA)算法以及Dynamic Framed Slotted ALOHA(DFSA)算法相比要優(yōu)秀的多。從圖中可以看到TAPC算法在吞吐量小于60以下時(shí)，保持在0.45以上，與傳統(tǒng)的算法相比，有著較大的優(yōu)勢(shì)。

圖3 標(biāo)簽高斯分布下TAPC的防碰撞性能(標(biāo)簽數(shù)10～60)

2)傳統(tǒng)的標(biāo)簽防碰撞算法有著能耗較高的不足之處，本文為了解決這一問(wèn)題，提出了以功率控制為基礎(chǔ)的標(biāo)簽防碰撞算法，即TAPC。依據(jù)仿真結(jié)果，可知TAPC算法使得RFID系統(tǒng)的能耗降低，并且提高了系統(tǒng)的防碰撞性能，在實(shí)際的應(yīng)用中有著較大的價(jià)值。本文在復(fù)雜度沒(méi)有提高的情況下改進(jìn)了傳統(tǒng)標(biāo)簽防碰撞算法中存在的不足之處，使得算法更加完善。所以本文的算法在實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值較大，另一方面，本文的研究成果也為RFID的防碰撞研究領(lǐng)域提供了新的參考，在理論研究上也具有一定的意義。

4 總結(jié)

針對(duì)射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法的研究成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要的研究方向。在射頻識(shí)別標(biāo)簽防碰撞算法研究領(lǐng)域，雖然專家們有著很多的研究工作，但是如何使得算法具有低復(fù)雜度、效率高仍然具有很大的挑戰(zhàn)難度。本文提出一種基于功率控制的分組算法，以達(dá)到提高防碰撞算法性能的目標(biāo)。另一方面，由于功率控制的使用，使系統(tǒng)中的閱讀器可以利用不同的發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)與不同距離的標(biāo)簽進(jìn)行通信，所以該種方案可以在提高了系統(tǒng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。