物聯網RFID中動態多幀標簽識別方法研究

傅文博

（山西大同大學數學與計算機科學學院，山西大同037009）

物聯網RFID中動態多幀標簽識別方法研究

傅文博

（山西大同大學數學與計算機科學學院，山西大同037009）

隨著物聯網技術的快速發展，物聯網RFID中動態多幀標簽面臨識別沖突的問題?，F階段的RFID射頻識別技術碰撞率高的弊端，為此，提出基于RFID標簽防碰撞的識別算法，改進RFID識別算法，基于RFID射頻識別技術建立新模型，提高識別效率，依據集合SRPD和ABS算法的特點，在此基礎上添加了監聽程序，防止沖突的繁盛。仿真實驗表明，一種改進的RFID標簽防碰撞算法實現了RFID自動識別技術，具有較好的工作性能。

RFID；射頻識別技術；標簽；防碰撞

最近幾年，射頻識別技術在微電子技術、嵌入式系統、無線通信等技術高速發展的推動下飛速進步。[1-2]，最明顯的就是智能物聯網技術[3-5]，它的快速發展促使RFID射頻識別技術不斷進步，名列我國十大重要技術[5-7]。目前標簽碰撞問題的研究成為了RFID技術研究發展的主流[8-10]。但現階段仍處于于發展期。RFID技術擁有無限的發展潛力，它應用空間大[4]，市場前景廣，將會對經濟效益和社會有重大影響。

對RFID射頻識別技術研究至今，多電子標簽同時響應讀寫存儲功能基本得以實現，但也存在很多問題，影響最為嚴重的是標簽件易碰撞問題。碰撞問題會導致用戶重復識別，效率降低等弊端。在標簽防碰撞計算區域RFID射頻識別技術作為一種全新的技術]得以廣泛應用，即是先識別標記處所有防碰撞木塊，針對關聯緊密復雜化的碰撞信息進行處理。

建立完整的識別數據庫，搭建模型，檢測新建數據庫的識別效率，利用系統掃描方法核實識別數據，計算識別參數集合，將識別處理后的數據全面分析提取出來，這便是提出改進的RFID標簽防碰撞算法。實驗結果表明，該算法有效改善了標簽防碰撞問題，促進了RFID射頻識別技術的發展。

1 現階段RFID識別技術的應用

隨著識別應用的發展，RFID無線射頻識別技術的研究不斷進步和完善。RFID技術在國外最早新興，產業和應用各個方面已經發展的較為成熟。中國現已在零售業、金融業等各大行業中都大規模的應用了RFID技術，同時也涉及到校園、公共交通和地鐵等人們的日常生活范圍。射頻天線、安全隱私、選取工作頻段和碰撞問題是RFID技術的主要研究方向。RFID系統包括了標簽閱讀器和數據處理系統組成。其組成原理如圖1所示。

圖1 RFID系統組成原理

由圖1 RFID技術的基本原理圖可知，為了達到RFID自動識別被標識物體的目的，首先在被識別的材料中裝入RFID標簽，檢測到RFID系統的閱讀范圍后，利用標簽重合監測原理檢測，達成標簽和閱讀器間的信息通訊，發送檢測信息到閱讀器中，在接收到信息后開始解碼，將閱讀器檢測到的數據實時的湘計算機數據處理系統傳送，通過網絡傳輸給服務器，完成信息檢測和處理的全過程。

2 現階段標簽防碰撞及算法原理

讀寫器和標簽采用無線射頻的方式通信，早期的RFID系統一次只能識別一個標簽，大多采用接觸式。當有多個標簽在同一讀寫器的讀寫范圍時，在沒有采取多路存取控制機制的情況下，有多個標簽可能同時向讀寫器發送信號，這種情況下會導致信道爭用，引發信號沖突，讀寫器就不能正常工作，如圖2所示。

圖2 標簽沖突示意圖

在現有的RFID系統應用中，一個有效的防沖突算法是必要的，尤其在大規模應用系統中，讀寫器往往需要一次識別多個標簽。且為了減少沖突，在通信過程中提高系統性能技術也是非常必要的。

現在的防沖突技術通常采用軟件的方法實現，也就是防沖突算法。軟件的實現方法有利于降低成本，實現也比較方便。

常用的多路存取方法一般有四種[1]：空分多路存取方法SDMA(space division multiple access)、頻分多路存取方法FDMA(frequency domain multiple access)、碼分多路存取方法CDMA(code division multiple access)和時分多路存取方法TDMA(time division multiple access)。

空分多路存取技術采用空間分割技術構成不同信道，是一種信道增容的方法，可以實現頻率的重復使用，提高頻率資源利用率。這種方式是盡量減少一個讀寫器占用的資源，把剩下的資源分給其它的讀寫器，形成一個天線覆蓋區。因此，由一組讀寫器形成的信道容量會增加，并且可以重復使用。SDMA的缺點是成本太高，不利于廣泛應用。

頻分多路存取技術是把多個信號分配在時隙相同而頻率不同的信道上，每個信號的載波頻率各不相同，濾波器會選取有用信號來一直干擾。在RFID系統中，這種復用方式通過一個諧波發射頻率轉換器實現，一個標簽只響應若干個載波頻率中的一個信號。FDMA的缺點是讀寫器需要有多個信道，造價較高，在一些環境中仍不適用。

碼分多路存取技術是基于偽隨機碼，利用擴頻調制技術擴充在整個頻譜上的數據。對于很多無線通信方式來就，CDMA是一個理想的信號防沖突方法，但是在RFID系統中，對于標簽來說，會比較復雜，而且計算量太大。

時分多路存取技術是一種通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖，同時在一個通信媒體上傳輸多個信號。在數字信號系統中被廣泛應用。這個是在RFID系統中廣泛應用的技術，現有的基于ALOHA的防沖突算法和基于二進制樹的防沖突算法都采用了TDMA的思想。

3 RFID標簽防碰撞改進算法

3.1 改進RFID節點的設計

在系統中先創建一個識別程序，并同時創建RFID系統的節點設計如圖3所示。

圖3 RFID系統網絡節點的設計

圖4網絡功能較繁瑣，其中的標簽節點性能相同，通信由閱讀器向外發起，但其節點模型和標簽表面是相同的，結構組成都是一個發心急，接收機，天線和進程模型。

對信號頻率具有較強的敏感性是RFID虛線射頻的突出特點，它需要采用編碼方式控制調試信號，而無源應答器只能通過識別特定頻段信號來尋找請求，相比之下，RFID虛線射頻技術大大節省了識別時間。

圖4 RFID系統建立的網絡節點

3.2 算法的思想

算法的主體思想如下：開始階段，SRPD-ABS和AB同步運行。在Ci(i=2,…,n)周期中，每個標簽都帶有PSC、ASC和TSCi-1三個變量，PSC表示：當前周期內已被識別標簽的個數，ASC表示：標簽發送ID的時隙，TSCi-1表示：前一周期已識別出的TSC的數值。讀寫器帶有PSC、TSC和TSCi-1三個變量。其中讀寫器的變量PSC和TSCi-1,，不僅和標簽的此變量意義一致，而且有相同的值，ASC的最大值用TSC來標識。采取文獻[10]提到的標簽估計策略，該策略估測新得到標簽的數量為New-count，新標簽ASC的表示方式，從1～New-count中隨機選取一個數，然后加TSC即可。但仍需注意在滯留標簽時需保留上個周期提及的ASC。

對讀寫器回饋信號的定義，做出了如下解釋：

I,0：既滿足空閑時隙這一條件，又不存在未被辨識的新到標簽；

I,1：滿足空閑時隙這一條件的同時，還必須確保沒有被辨識的新到標簽存在；

C：沖突時隙的情況，有至少兩個標簽能夠響應；

R,0：時隙當前為可讀，標簽不會在下個時隙響應；

R,1：時隙當前為可讀，標簽在下個時隙仍響應。

整體識別狀態時，ASC=PSC的標簽傳送ID，“存在”這一信號則由ASC=PSC+1名稱的標簽發送。讀寫器檢測到待標簽傳送的信號后，依據標簽信號內容給出回饋信號，標簽分析回饋并對PSC和ASC作出調整，詳細步驟如下：

I,0：ASC＞PSC這一標簽出現，則ASC=ASC-1。

I,1：標簽ASC=TSCi-1+1，ASC=PSC；若標簽為ASC＞TSCi-1+1，ASC=ASC-1。

C：0或1隨意被標簽選中，若為1，PSC≤TSCi-1時，表示標簽陷入沖突。當ASC=TSCi-1+1，標簽未陷入沖突且存在ASC＞TSCi-1+1標識。當PSC＞TSCi-1時，如果標簽ASC≥PSC，則ASC=ASC+1。若為0，ASC不變。

R,0：PSC表示識別標簽個數的計數器，PSC=PSC+1，當PSC≤TSCi-1時，若ASC=TSCi-1+1，ASC=PSC，若ASC＞TSCi-1+1，ASC=ASC-1；當PSC＞TSCi-1時，PSC＞TSCi-1。

R,1：標簽的識別個數計數器PSC=PSC+1。

在傳統教學中，教師在備課時更多的考慮是怎怎樣才能講的到位，怎樣才能讓學生聽明白聽得懂。而合作學習的理論認為，教師備課時應該更多的考慮如何使學生更加主動的積極的參與學習，使學生學得更多更好。合作學習的實踐成果是由學習目標和學習內容的特點決定的。所以，教師精心選擇適用于合作學習的學習內容就顯得尤為重要。要使合作學習進行得有價值有成果，教師首先就應該要吃透教材，在深入理解教材的基礎上制定出具體的、適合學生的年齡特點和認知結構的學習內容和學習任務。

讀寫器的工作原理，若PSC≤TSC，讀寫器可收到標簽信號并對當前狀態做出判斷。若同一時刻至少兩個標簽處于發送ID狀態，則讀寫器就會回饋，發送信號“C”；若僅一個標簽發送ID，讀寫器正常接收，PSC=PSC+1。若PSC＞TSCi-1，TSC=TSC+1，讀寫器二次檢測標簽發送“存在”信號，有，則讀寫器發送回饋“R,1”；反之，發送“R,0”。若沒有標簽發送ID，新到標簽還未被識別，則讀寫器發送“I,1”，新到標簽都已被識別，則讀寫器發送“I,0”，并令TSC-1。

表1為SRPD-ABS算法執行示例。假設在Ci-1周期有4個標簽A，B，C，D，識別結束，標簽B和C離開讀寫器可讀范圍，標簽A和D需要再次被識別，且ASCA=0，ASCD=4，TSC=3。在Ci周期，有4個新到標簽，分別是E、F、G和H，并隨機獲得ASC有，ASCE=4，ASCF=5，ASCG=5，ASCH=7，按照上述SRPD-ABS算法執行過程，各變量變化過程如所示。

表1 SRPD-ABS算法Ci周期變量調整過程

所提的改進算法較結合算法，增加了信道監聽程序，對標簽碰撞進行了規避。

若碰撞隙數用G表示，則標簽數P=3.48*G不能被識別。設P為一幀中所用時隙數，p為標簽數，則標簽數b在q出現的檢測概率分布為：

且被p個標簽占用的數量x為：

可得成功識別標簽數K為：

且系統識別率P為：

根據以上公式得，改進的RFID標簽技術在添加了監聽程序后，有效降低了標簽碰撞幾率。

4 仿真實驗

通過對SRPD-ABS算法和ABS算法識別延遲進行分析，進而對ABS算法性能進行研究。

4.1 ABS算法

其中，DC、DR、DI分別為沖突時隙、可讀時隙和空閑時隙數，并且DR=n，有：

所以

將C1作為Ci(i=2,…,n)周期中識別結果的關鍵依據，馬爾可夫過程作為標簽識別過程，新到標簽和滯留標簽作為Ci(i=2,…,n)周期要識別的標簽的兩種分類，這兩種分類會影響識別延遲的重要參數，此時公式（5）以不足以表示Ci周期的識別延遲。公式（7）已被證明，假設新到的標簽為α個，離開的標簽為β個，DABS(Ci|Ci-1)為Ci周期總的識別延遲，則有：

4.2 SRPD-ABS算法

在C1周期，對Ci(i=2,…,n)周期進行分析，運用ABS算法和SRPD-ABS算法的識別延遲具有相同性。

在Ci周期，倘若Ci周期總的識別延遲是DSRPD(Ci|Ci-1)，新到標簽為α個，離開標簽為β個。有公式：

實驗結果表明：判定Ci-1周期是否識別結束，首先，找到n-β可讀時隙，只有β離開標簽，才有nβ滯留標簽。兩種情況比較，當α＜β時，在離開標簽形成空閑時隙互所有新到標簽β-α都已完成；其次，當α＞β時，有β個填補離開標簽所致的空閑時隙在新標簽中，運用ABS算法的識別延遲與α-β個新到標簽的識別延遲相等，得出結論兩項分布均服從標簽選擇識別時隙的過程。

5 結果分析

為分析本文所提的SRPD-ABS算法對RFID標簽防撞系統的性能，將其與ABS算法的性能對比，進行仿真實驗分析。由于RFID系統主要性能為可讀時隙、碰撞時隙和空間時隙，但SRPD-ABS算法和ABS算法有相同的可讀時隙，因此不再進行比較，下面只對沖突時隙和空閑時隙做仿真分析。

5.1 標簽數量相同的情況下的性能對比

圖5仿真圖描述了在標簽個數不同的情況下，SRPD-ABS算法和ABS算法的執行結果。圖5(a)是沖突時隙的比較，顯然SRPD-ABS算法略勝一籌，由圖5(b)明顯看出，本文所提的SRPD-ABS算法相比于傳統的單一ABS算法，具有更小的空閑時隙。分析圖5(c)可以看出，由于ABS的沖突時隙和空閑時隙都比SRPD-ABS多，因此ABS算法執行產生沖突時隙和空閑時隙的和也遠遠高于本文提出的SRPD-ABS算法，即SRPD-ABS算法明顯優于ABS算法。

圖5 不同標簽個數，SRPD-ABS和ABS算法仿真結果

5.2 到達率和離開率對識別性能的影響

到達率與離開率是識別RFID標簽的重要性能。其中，到達率，離開率α代表新到標簽的個數，n為總體識別標簽個數，運用n-β代表滯留標簽。

5.2.1 到達率對識別性能的影響

圖6是令RL＝0.5，6(a)、6(b)、6(c)分別描述了離開率為0.5時，到達率對沖突時隙、空閑時隙和總時隙的影響。圖7是令RA＝0.5，7(a)、7(b)、7(c)分別描述了到達率為0.5時，離開率對沖突時隙、空閑時隙和總時隙的影響。

由圖6可以看出，當離開率等于0.5時，SRPDABS在任何情況都優于ABS，特別是SRPD-ABS能夠減少更多的空閑時隙，所以更有利于提高整個系統的性能。

圖6 RL＝0.5時，RA對識別延遲的影響

5.2.2 離開率對識別性能的影響

當到達率RA＝0.5時，圖7(a)可以看出，SRPDABS算法的離開率對沖突時隙幾乎不產生影響，當離開率RL＝0.57時，SPRD-ABS算法不如ABS算法優越，對于空閑時隙，由圖7(b)可知，當RL＜0.5時，SRPD-ABS算法也不產生影響，當RL＞0.5時，空閑時隙發生很大的變化。再看總時隙，圖7(c)，RL在0.73～0.95區間內時，SPRD-ABS算法不如ABS算法性能好，但是它們之間差距也比較小，在這個區間以外，SRPD-ABS算法性能遠遠好于ABS。

圖7 RA＝0.5時，RL對識別延遲的影響

5.3 離開率和到達率的三維分析

圖8 離開率和到達率對識別延遲的影響(n=500)

圖8為SRPD-ABS算法和ABS算法在n=500條件下，離開率和到達率對識別延遲的影響模擬圖。其中，曲面1代表ABS算法，曲面2代表SRPD-ABS算法。由圖可知，到達率與識別延時正相關。離開率在0～0.64之間時，SRPD-ABS遠遠好于ABS，離開率在0.64～1之間時，ABS在部分區間略勝一籌。

6 結論

提出基于SRPD-ABS算法的RFID標簽防撞方法。實驗發現所提方法解決了傳統ABS方法處理RFID標簽防撞的效率低及復雜度高等缺點，提高了RFID標簽的識別效率和識別速度等性能，避免重復性的識別情況，提高識別的時效性，具有良好的應用性能。

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Research on Dynamic Multi Frame Tag Identification Method in Internet of Things RFID

FU Wen-bo
（School of Mathematics and Computer Sciences,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）

With the rapid development of Internet of things technology,dynamic multi frame tags in IOT RFID are facing the problem of identifying conflicts.RFID radio frequency identification technology of collision stage of the high rate of defects,therefore,an improved anti-collision algorithm is proposed to identify the RFID tags,RFID recognition algorithm is improved,a new RFID module of radio frequency identification technology is built,the recognition efficiency of the RFID system is improved,according to the collection of SRPD and ABS algorithm,a bstener is added to prevent the prosperity of conflict prevention.Simulation results show that an improved RFID tag anti-collision algorithm has realized the RFID automatic identification technology and has better performance.

RFID;radio frequency identification technology;tag;anti-collision

TU22

A

1674-0874(2017)06-0001-06

2017-05-30

山西省高等學校大學生創新創業訓練項目[2014340]；山西大同大學校級科研項目[2010K1]

傅文博（1976-），男，山西大同人，碩士，副教授，研究方向：物聯網與網絡安全。

〔責任編輯 高海〕