密集移動環境中的有源RFID防碰撞算法的研究

呂 軍 ，吳海建 ，鄢團軍 ，楊登輝 ，劉 凱

（1.中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 310012；2.中電海康集團有限公司，杭州 310012）

當前由標簽、閱讀器和應用平臺組成的有源RFID系統應用發展迅速。有源RFID越來越多地應用于標簽密集而且移動的環境中。在大部分的應用場合，要求閱讀器在較短時間內識別系統內所有有源RFID標簽，但是由于成本、壽命等因素限制，閱讀器和其范圍內的標簽都工作在相同的無線信道，使得標簽的無線信號可能發生數據沖撞，導致閱讀器不能正確識別標簽。作為關鍵技術問題的標簽碰撞制約有源RFID系統大規模投入實際應用。RFID系統通過防碰撞算法處理該問題。

隨機性防碰撞ALOHA算法因實現容易、成本低，被廣泛應用于有源RFID的系統中。然而隨機性防碰撞的研究熱點大多集中在時隙ALOHA，幀時隙ALOHA與動態幀時隙ALOHA等算法以及基于上述算法的各種改進和優化算法[1-4]。針對有源RFID“標簽只發”的系統中[5]，文獻[6]統計了各種退避時間下的識別時間和重發次數。文獻[7]采用主從雙閱讀器，用于解決閱讀器處理能力不足的問題。通過加入從閱讀器，降低主閱讀器的處理負載，從而降低通信延遲、沖撞率和標簽能耗，提高了有源RFID標簽讀取數量，但是沒有針對標簽發送時間展開研究。針對目前的研究現狀，在有源RFID“標簽只發”的系統，本文分析了處在密集移動環境中放的標簽工作模式，建立了標簽的移動模型，提出了一種確定最優的電子標簽的發送周期，提高有源RFID標簽壽命的防碰撞算法。同時搭建了原型模型驗證防碰撞算法的有效性和實用性。

1 標簽移動模型

為研究標簽移動狀態下的有源RFID系統，建立了如圖1所示的載有標簽的電動車穿過城市道路的模型。標簽安裝在電動車上，電動車平均占地面積s，每輛電動車的安裝標簽數量為N，電動車以車速V行進在寬為d的道路上。閱讀器的閱讀范圍為Rmax，安裝在位置A或者位置B，安裝的垂直高度為h，調整閱讀器上的天線方向，使得閱讀器信號范圍最大。

圖1 載有標簽的電動車穿過城市道路的模型Fig.1 Mode of motor-pedal with tags running on the road

某個時刻t0，對于安裝位置A，可得道路上的電動車保有量：

當h?Rmax時，Rmax≈r，則式（1）可簡化為

同理，對于安裝位置點B，可得道路上的電動車保有量：

不失一般性，以安裝位置點A作為研究對象，則道路上的標簽數量：

當標簽穿過道路上的閱讀器的信號范圍時，共發送的次數近似為

式中：V為電動車上的標簽移動速度（km/h）；T為有源RFID標簽的發送周期（s）。

2 ALOHA算法

在所有的防沖撞算法中，ALOHA算法是對硬件要求較低、較容易實現的一種，屬于識別結果不確定性防沖撞算法。該算法適合于低通信負載的系統中，在有源RFID領域得到了應用。

采取“標簽只發”的方式，即標簽在其整個生命周期內隨機的發送數據包，一進入讀寫器的作用區域，讀寫器采集該標簽的發送信息。對同一個標簽來說它的發送數據包的時間是隨機的。當發生數據沖撞時，因標簽不能接收閱讀器的信息，標簽不知道已經發生碰撞，仍會按照隨機等待的一段時間進行發送。

考慮到有源RFID標簽的壽命，標簽發送模式如圖2所示。對某一個標簽，在約定的發送時間T的情況下隨機發送一個數據包，數據包的長度為τ。所有標簽發送完數據包后，在其各自的休眠周期T-τ內處在休眠狀態。每個標簽發送完數據包后，因采用只發的通信模式，仍會按照預先設定的發送周期持續隨機發送數據包，直到壽命的終止期。

圖2 考慮標簽壽命的數據包發送模式Fig.2 Tags data transmission mode

由概率論可知，標簽每秒鐘發送的數據包的數目服從泊松分布，因此t秒鐘發送n個數據包的概率為

式中：λ為每秒鐘平均發送的總的數據包數。

閱讀器范圍內的Ntotal個標簽單次發送被識別的概率：

式中：S為吞吐率，表示有效傳輸的實際總數據率，即τ時長內標簽成功完成通信的平均次數；G為輸入負載，表示發送的總數據率，即τ時長內標簽的平均到達次數。

在有源RFID系統，關心的是系統中的全部RFID標簽的被識別讀取的概率PNtotal。文獻[8]給出的定理2表明：不論數據包的隨機時延D分布是固定長時間，還是其它形式的分布，如果需要多次發送，其平均到達數據包可以看成是由兩個泊松流組合而成，其中一個泊松流是由另一個沿時間軸向后推遲一段長為D的時間形成。因此可簡化分析，每次發送的數據包符合泊松流，閱讀器范圍內的所有標簽均被識別的概率可由下式表示：

式中：PNk表示Ntotal個標簽第k次發送被識別的概率；

將式（5）代入式（8），可得：

3 標簽壽命

目前，大部分有源標簽為降低功耗采用以下2種工作模式[9-10]：周期性地向外發送ID號；利用低頻喚醒高頻。上述2種方式在低功耗控制方面能取得不錯的效果。第1種方式為單向通信方式，讀寫器無法對標簽進行任何指令操作。第2種工作方式要求電子標簽的硬件結構比較復雜，成本高、體積大。因此，為保證標簽壽命，采用硬件結構較簡單，功耗最小的第1種工作模式，同時也從軟件入手降低系統功耗，設定合理的發送參數，從而達到降低功耗，延長標簽的使用壽命。

有源標簽的工作方式采用標簽只發模式，則其射頻模塊中能耗由射頻發送能耗和標簽休眠能耗兩部分組成。在一個發送周期內的平均電流為

其中標簽的發送時間占空比D：

電動車在閱讀器閱讀范圍內的發送周期內的平均電流為

根據對射頻電路的分析，其休眠模式中消耗的能量非常低，Isleep為2～3 μA，因此有源電子標簽的能耗由其工作在發送模式中消耗的能量決定。標簽的壽命如式（13）確定。

式中：η為有源標簽的經驗評估系數，取0.8；

將式（11）、式（12）代入式（13），則：

式（14）表明，為了延長電池的壽命，盡量小的發送電流和比較小的發送時間占空比D有利于系統的壽命。對標簽只發的情況下，由于標簽的數據包包含了必要的唯一標簽碼，數據包的內容已經是最簡的必要內容，發送時間τ是個常量。Itrans認為是一個恒定值，因此盡量延長標簽的發送周期T。

標簽只發的RFID系統，必須同時滿足下式：

在滿足標簽壽命的要求下，盡量使得PNtotal最大。

4 仿真

利用Matlab仿真軟件進行防碰撞算法的仿真分析。仿真參數具體設置如下：城市環境中的閱讀器的平均有效信號范圍Rmax=50 m，電動車的速度為V=40 km/h，每輛電動車上設置2張標簽，電動車的平均占地面積為s=1.5 m2，城市電動車道路的寬度為d=5 m。從而計算出閱讀器有效范圍內的標簽數量Ntotal=700，標簽的數據包發送時間τ＝0.0003 s。

4.1 標簽的發送次數M與發送周期T之間的關系

電動車在閱讀器的閱讀范圍內的行駛時間和標簽的發送周期共同決定了電動車上搭載的標簽在這段行駛的時間內，向閱讀器發送的數據包總次數。如圖3所示，是標簽總發送次數與數據包的發送周期之間的關系。當電動車的行駛速度較快時，停留在閱讀器范圍內的時間短，發送的數據包總次數也少，這在一定程度上會影響閱讀器的接收標簽的數量。

圖3 發送周期T和標簽移動速度V對標簽發送次數的影響Fig.3 Relationships among the active tags transmitting cycle，the tags speed and the number of retries allowed after a transmission

從圖3可知，標簽數據包發送周期在0.2～0.6 s之間，標簽的總發送次數的增長速率較快。在0.8～2 s范圍內，標簽的總發送次數的增長速率較慢。

4.2 標簽的發送周期T對標簽壽命L的影響

有源RFID標簽的壽命如圖4所示。從圖4中可看出標簽壽命需要保持5年以上，必須使得標簽的發送周期為0.75 s以上，才能保證標簽壽命。

圖4 標簽壽命Fig.4 Active tag lifetime

仿真參數設定：紐扣電池C=600 mAH，Itrans＝25 mA。

4.3 最優標簽發送周期

標簽的發送周期和閱讀器范圍內的所有標簽均被讀取的概率如圖5所示。應用ALOHA算法，仿真1000次，即仿真電動車1000次經過閱讀器。取1000次的仿真結果作為PNtotal平均值。在電動車經過閱讀器的范圍內，發射周期T越大，發射的次數就越少。發射周期越長，標簽的碰撞幾率減少，所有標簽均被讀取的概率PNtotal變大，但是標簽的發送次數也減少，所有標簽均被讀取的概率PNtotal變小。發射周期T越小，標簽的碰撞幾率大大增大，使得所有標簽均被讀取的概率PNtotal降低，同時標簽的發送次數也增加了，這又使得所有標簽均被讀取的概率PNtotal變大。因此在發射周期和所有標簽均被讀取的概率PNtotal之間存在著非單調的關系。

圖5 標簽發送周期T對PNtotal的影響Fig.5 Relationships between PNtotal and the active tags transmitting cycle T

圖5表示標簽的發送周期T不能太大也不能太小。發送周期太小，標簽在發送周期內因碰撞劇烈，導致閱讀器無法全部讀取。發送周期太長，導致發送次數太少，標簽無法保證全部讀取。因此在設置發送周期時不能使標簽發送周期太小。

重點研究圖5的0.5～1.5 s發送周期，并將其詳細的展示在圖6～圖8中。

圖6 Ntotal=400時，標簽發送周期T對的影響Fig.6 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=400

圖7 Ntotal=700時，標簽發送周期T對的影響Fig.7 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=700

圖8 Ntotal=1000時，標簽發送周期T對的影響Fig.8 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=1000

從圖6～圖8中可看出標簽的發送周期T為0.9 s時，所有標簽均被讀取的概率PNtotal較大，綜合考慮標簽壽命，此發送周期為最優發射周期。

從圖6～圖8中也可得到，不同的標簽數量，在相同的發送周期T，所有標簽均被讀取的概率PNtotal不同。標簽數量越少，PNtotal要優于標簽數量大的情況下被讀取的概率。

實際應用中，最優的發送周期T與標簽的總數Ntotal有關，因此需要預知整個系統會出現標簽的總數。在一個RFID系統中對標簽總數的估計是個難題。本算法的前提是通過電動車標簽移動模型預估出了系統中可能出現的標簽最大總數，從而根據標簽壽命和識別概率，確定合適的發送周期。

5 原型模型驗證

實際中搭建了一個原型模型，取樣1000個外殼可拆卸的標簽，每個標簽的發送周期按照表1所示，某個發射周期測試完后，每個發送周期重復測試10次，取平均值。采用每輛電動車上攜帶100個標簽模擬電動車通過城市道路，按照時速V=40 km/h穿過閱讀器的閱讀范圍。測試結果如表1所示。

表1 實測時閱讀器讀取的標簽數Tab.1 Number of tags under the field test

在有限的測試次數下，發送周期T為0.8～1.5 s之間，能夠全部讀取到標簽。但是本算法作為一種不確定性算法，存在無法全部讀取到標簽的概率。

上述算法只研究了單個閱讀器的情況，作為電動車應用場合，不僅僅只有一個閱讀器能夠讀取到標簽，在城市各個道路交叉口上設置了較多的閱讀器，在多個閱讀器形成的射頻網覆蓋下，在不同時空條件下能讀取到標簽，進而能夠保證該算法的有效性。射頻網覆蓋下的標簽防碰撞留待進一步研究。

6 結語

目前大量的有源RFID標簽工作模式多為 “標簽只發”模式，該模式能延長電子標簽的壽命。在其整個生命周期中一直隨機地向外發送數據包。閱讀器采集密集移動的標簽的信息。整個系統沒有時間同步，各個標簽工作在異步狀態，發送數據包的時間點隨機，存在碰撞的現象。同時針對標簽只發的有源RFID系統，需要考慮盡量延長標簽壽命。

本文針對該現象提出的一種確定防碰撞算法最優的電子標簽的發送周期方法，提高了有源RFID標簽壽命。仿真表明，采用該最優發送模式，700個標簽在移動速度為V=40 km/h的情況下，所有標簽均被讀取的概率PNtotal概率為99.99%。原型模型也驗證了最優的電子標簽發送周期的有效性和實用性。