可并行識別的超高頻RFID系統(tǒng)防碰撞性能研究.doc

第6期王必勝等：可并行識別的超高頻RFID系統(tǒng)防碰撞性能研究113可并行識別的超高頻RFID系統(tǒng)防碰撞性能研究王必勝1,2，張其善1(1. 北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100083；2. 山東科技大學 信電學院，山東 青島 266510 )摘 要：對超高頻射頻識別（RFID）系統(tǒng)的防碰撞問題進行了分析。提出了基于動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）協(xié)議與正交可變擴頻因子碼（OVSF）作為擴頻碼的碼分多址技術相結合的超高頻RFID系統(tǒng)，實現(xiàn)了在單一時隙內(nèi)最多可并行識別m個RFID應答器，m為OVSF擴頻碼長度。對提出的RFID系統(tǒng)期望的系統(tǒng)吞吐量進行了理論分析，仿真結果表明其防碰撞性能顯著超過了現(xiàn)有的基于動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）協(xié)議的超高頻RFID系統(tǒng)的防碰撞性能。關鍵詞：射頻識別；可并行識別；OVSF碼；動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）中圖分類號：TN929.532 文獻標識碼：B 文章編號：1000-436X(2009)06-0108-06Study of anti-collision performance in parallelizable identification UHF RFID systemWANG Bi-sheng1,2 , ZHANG Qi-shan1(1. College of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China; 2. College of Information and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,China)Abstract: The anti-collision problem of ultra high frequency (UHF) RFID system was analyzed. A novel UHF RFID system, which based on combination of dynamic framed-slotted ALOHA and CDMA technology with orthogonal variable spread factor (OVSF) code, was presented. The RFID system had an ability to identify at most m tags simultaneously in one time slot, where m was the length of OVSF spread code. The expected system throughput of the presented RFID system was theoretically analyzed. The simulation results show that the anti-collision performance of the presented RFID system outperforms significantly that of current dynamic-framed-slotted-ALOHA (DFSA) UHF RFID system.Key words: radio frequency identification; parallelizable identification; OVSF code; DFSA1 引言在當前普適計算中，射頻識別（RFID）技術是一種重要的無線自動識別技術。RFID系統(tǒng)具有快速、安全及高效等優(yōu)點，越來越對工廠自動化產(chǎn)品線、倉儲管理、超市及供應鏈管理等應用領域產(chǎn)生很大的影響。RFID系統(tǒng)可在較惡劣的環(huán)境下工作，并以很高的精確度1識別被標識物件。收稿日期：2007-12-04；修回日期：2009-04-10基金項目：廣東省重大科技專項計劃項目（2008A090300001）Foundation Item: The Key Item in the GuangDong Province Science & Technology Special Program(2008A090300001)一般情況下，RFID系統(tǒng)包含閱讀器和應答器。閱讀器通過發(fā)送射頻波查詢其識讀范圍內(nèi)的應答器，所有應答器收集信號功率并回送各自的標識（ID）信息給閱讀器。當同時有2個或多個應答器在同一時隙內(nèi)回送ID信息時，會發(fā)生“應答器碰撞”問題，此時閱讀器不能識別其中任何一個應答器的信息。閱讀器使用防碰撞算法14來解決“應答器碰撞”?，F(xiàn)有2種防碰撞方法：幀時隙ALOHA (FSA)協(xié)議5,6及二進制搜索算法79。在FSA及其各變種協(xié)議中，如動態(tài)幀時隙ALOHA (DFSA)10,11，閱讀器發(fā)送包含幀長參數(shù)的“查詢”命令啟動識別應答器，應答器從幀長為n個時隙中隨機選擇一個時隙，如果選擇的時隙符合協(xié)議的發(fā)送要求，應答器就在該時隙內(nèi)回送自己的ID信息給閱讀器，閱讀器完成識別或解決碰撞。在二進制搜索算法中，每一次發(fā)生碰撞的所有應答器不斷地被細分為2組，直到每一組中只包含一個應答器為止。無論是FSA協(xié)議還是二進制搜索算法，閱讀器在一個時隙內(nèi)只能成功識別一個應答器，這樣RFID系統(tǒng)期望的系統(tǒng)吞吐量（平均每個時隙成功識別應答器的數(shù)量）非常低。對DFSA協(xié)議而言，最大期望的系統(tǒng)吞吐量約為0.42611，對二進制搜索算法約為0.4307。對于超高頻RFID系統(tǒng)而言，具有快速且高效的防碰撞識別技術是非常必要的，特別是需要在短時間內(nèi)識別大量的應答器情況下尤其重要。本文提出了一種新的超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)（以下簡稱DFSA-OC），將動態(tài)幀時隙ALOHA協(xié)議與使用正交可變擴頻因子碼（OVSF）作為擴頻碼的碼分多址技術相結合，可在同一個時隙內(nèi)最多可并行識別m個應答器，m為OVSF擴頻碼長度。提出的DFSA-OC系統(tǒng)期望的系統(tǒng)吞吐量顯著高于現(xiàn)有基于DFSA協(xié)議（包括FSA協(xié)議）或二進制搜索算法UHF RFID系統(tǒng)的吞吐量。2 DFSA-OC RFID系統(tǒng)現(xiàn)有UHF RFID系統(tǒng)在閱讀器識別應答器過程中，所有應答器在與閱讀器通訊時共享一個無線射頻信道。這樣當有2個或以上應答器在一個時隙內(nèi)同時響應時，所有應答器信號因碰撞疊加在一起，閱讀器沒有辦法分離出任一應答器信號。在DFSA協(xié)議中，閱讀器發(fā)送“查詢”命令啟動一輪應答器識別過程，其中“查詢”命令中包含幀長參數(shù)k。每個應答器接收到閱讀器“查詢”命令后，提取參數(shù)k作為當前ALOHA幀長，并隨機生成一個0，k1內(nèi)的時隙號。其中生成的時隙號為0的應答器立即發(fā)送包含自身ID信息的信號給閱讀器。若在一個時隙內(nèi)沒有發(fā)生“應答器碰撞”，如圖1識別狀態(tài)中淺灰色所示，閱讀器可以識別這個應答器。若在一個時隙內(nèi)發(fā)生了“應答器碰撞”，如識別狀態(tài)中黑色表示，閱讀器不能識別該時隙內(nèi)的任一個應答器并且忽略該時隙內(nèi)所有發(fā)生碰撞的應答器。閱讀器繼續(xù)下一時隙的識別過程，直到完成當前ALOHA幀中所有時隙的識別。所有剩余的應答器閱讀器啟動下一幀完成識別，這一過程不斷重復直到所有應答器全部識別完結束。在DFSA協(xié)議的ALOHA幀中，識別過程使用了TDMA方式，應答器只能通過不同的時隙號才能被識別出來。如果ALOHA幀長遠遠小于閱讀器識讀范圍內(nèi)的應答器數(shù)量，將會有更多的應答器產(chǎn)生出相同的時隙號，這樣形成更多的應答器發(fā)生碰撞，從而導致較低的期望的系統(tǒng)吞吐量。對于利用二進制搜索算法實現(xiàn)防碰撞識別的RFID系統(tǒng)，其識別過程也是屬于TDMA方式，需要不斷地分解碰撞的應答器以便在一個時隙內(nèi)只有一個應答器參與識別，識別時間較長，影響了系統(tǒng)的吞吐量。圖1 幀時隙ALOHA射頻識別工作原理2.1 DFSA-OC RFID系統(tǒng)防碰撞工作原理CDMA技術廣泛使用在各種無線通信應用中，可供多個用戶在同一時間段內(nèi)同時存取信息。為了降低RFID系統(tǒng)在同一時隙內(nèi)“應答器碰撞”的概率，提高期望的系統(tǒng)吞吐量和識別效率，本文提出以OVSF碼12作為擴頻碼，將CDMA技術嵌入到DFSA控制協(xié)議中以解決UHF RFID系統(tǒng)的防碰撞問題。提出的DFSA-OC超高頻RFID系統(tǒng)的防碰撞工作原理如圖2所示。在DFSA-OC超高頻RFID系統(tǒng)中，閱讀器首先發(fā)送“查詢”命令啟動應答器識別過程。該命令中包含幀長參數(shù)k和OVSF擴頻碼長度參數(shù)m（如圖2，第一幀中k=8及m=4）。應答器接收到閱讀器“查詢”命令后提取參數(shù)k和m。參數(shù)k作為ALOHA協(xié)議的當前幀長，參數(shù)m作為OVSF擴頻碼的碼長。在應答過程中，每一個應答器先生成2個隨機整數(shù)。一個是時隙號，其值在0，k1中，用于在當前ALOHA幀中隨機選擇一個響應時隙。例如圖2 圖2 DFSA-OC超高頻RFID系統(tǒng)的防碰撞工作原理及其實例第1幀中，應答器1的時隙號值為0，應答器2、3、4的值為1以及應答器5、6的值為6。另一個是碼索引號，其值在0，m1中，用于隨機生成一個OVSF擴頻碼。對長度為m的OVSF擴頻碼而言，其OVSF擴頻碼的總數(shù)量也為m，并且每一個OVSF擴頻碼都有唯一索引值，范圍在0，m1中。例如圖2第1幀中，應答器1生成的碼索引號對應的OVSF擴頻碼為 1 1 1 1，應答器2、3、4、5對應的擴頻碼為1 1 1 1以及應答器6對應的擴頻碼為 1 1 1 1。每一個應答器使用各自生成的OVSF擴頻碼對包含ID信息的數(shù)據(jù)信號進行擴頻調(diào)制然后應答閱讀器。閱讀器與應答器的通信過程處在DFSA協(xié)議控制之下。接收到應答器的回送信號以后，閱讀器首先生成m個OVSF擴頻碼（碼長為m），并使用這些擴頻碼對接收到的擴頻信號進行解擴。利用OVSF碼分多址技術，閱讀器可以在一個時隙內(nèi)最多識別m個應答器。識別過程中出現(xiàn)4種情況。1) 一個時隙內(nèi)只有一個應答器響應。如圖2第1幀，在第0個時隙只有應答器1響應閱讀器，其OVSF擴頻碼為1 1 1 1，閱讀器可以成功識別應答器1。2) 一個時隙內(nèi)有2個或以上（m）應答器同時響應，但每一個應答器都有一個不同的OVSF擴頻碼。如圖2第1幀中應答器5和6均在第6個時隙內(nèi)同時響應，但是應答器5的擴頻碼為1 1 1 1，應答器6的擴頻碼為 1 1 1 1，利用碼分多址技術，閱讀器可以識別該時隙內(nèi)的所有應答器。3) 一個時隙內(nèi)有2個或以上（m）應答器同時響應，所有應答器都有一個相同的OVSF擴頻碼。如圖2第1幀中應答器2，3，4均在第1個時隙內(nèi)響應，并且都具有相同的擴頻碼1 1 1 1。這種情況稱之為“碼碰撞”。閱讀器不能識別該時隙內(nèi)的所有應答器，只能在下一幀中查詢這些應答器。4) 一個時隙內(nèi)有3個或以上應答器響應，其中有2個或以上應答器具有一個相同的OVSF擴頻碼，也就是說發(fā)生了“碼碰撞”，如圖2第2幀中的應答器3、4，此時閱讀器不能在第2幀中識別出應答器3、4；另外有一個或以上應答器生成不相同的OVSF擴頻碼，如圖2第2幀中的應答器2。在這種情況下，雖然應答器2與應答器3、4有相同的時隙號，但是應答器2中的擴頻碼1 1 1 1與應答器3、4中的擴頻碼1 1 1 1不相同。按照碼分多址技術，閱讀器可以識別出該時隙內(nèi)的應答器2。由上述分析可知，在DFSA-OC RFID系統(tǒng)中，在同一時隙內(nèi)只有發(fā)生了“碼碰撞”的應答器才不能被識別，而其它沒有發(fā)生“碼碰撞”的應答器仍然可以被識別出來。而在DFSA協(xié)議或二進制樹搜索算法RFID系統(tǒng)中，同一個時隙內(nèi)只要有兩個或以上應答器就會發(fā)生“應答器碰撞”，閱讀器將不能識別該時隙內(nèi)任一個應答器。因此本文提出的RFID系統(tǒng)其吞吐量要高于基于現(xiàn)有協(xié)議的RFID系統(tǒng)的吞吐量。在DFSA-OC RFID系統(tǒng)中，若一個時隙內(nèi)沒有發(fā)生“碼碰撞”，閱讀器最多可以識別出m個應答器。2.2 OVSF擴頻碼生成在DFSA-OC RFID系統(tǒng)中，應答器使用OVSF擴頻碼對包含ID信息的數(shù)據(jù)信號進行擴頻調(diào)制，閱讀器使用所有的m個OVSF擴頻碼對接收到的擴頻信號進行解擴運算。在應答器中，可根據(jù)OVSF碼快速生成算法12設計一個OVSF硬件生成模塊。應答器將接收到的碼長參數(shù)m及隨機生成的碼索引號輸入到OVSF生成模塊即可得到一個所需要的OVSF擴頻碼。由于OVSF生成模塊一次只能得到一個OVSF擴頻碼，閱讀器在解擴時需要所有碼長為m的擴頻碼?？紤]到閱讀器硬件資源豐富，可將所有需要的OVSF擴頻碼預先存儲在OVSF碼表中，在解擴時，閱讀器根據(jù)碼長參數(shù)m通過查找OVSF碼表來獲取所有碼長為m的OVSF擴頻碼。在DFSA-OC系統(tǒng)中，當應答器數(shù)量及幀長一定的情況下，隨著碼長m值增大，應答器在一個時隙內(nèi)發(fā)生“碼碰撞”的概率隨之減小，系統(tǒng)期望的吞吐量隨之增大，防碰撞性能提高。另一方面碼長m值增大意味著DFSA-OC系統(tǒng)占用的頻率資源在增加，另外系統(tǒng)的硬件復雜度有所增加。根據(jù)本文后面的仿真結果，碼長m的最大值取27能夠滿足實際應用的需要。超高頻RFID系統(tǒng)實際應用情形各不相同，應答器數(shù)量從較少到非常多都可能出現(xiàn)。為了靈活適應各種情況，DFSA-OC系統(tǒng)在識別過程中幀長參數(shù)k及OVSF碼長參數(shù)m都是動態(tài)可變的，這在識別協(xié)議中很容易實現(xiàn)，不需要太多的硬件資源。在應答器數(shù)量非常多時，可以使用較大的碼長m，以提高系統(tǒng)的吞吐量，加快應答器的識別速度，降低總的識別時間。在應答器數(shù)量較少時，可使用較小的碼長m，在滿足系統(tǒng)對期望吞吐量要求下可減小系統(tǒng)對頻率資源的占用。3 防碰撞性能分析在UHF RFID系統(tǒng)中，期望的系統(tǒng)吞吐量表示為平均每個時隙內(nèi)成功識別的應答器數(shù)量，是反映RFID系統(tǒng)對應答器防碰撞識別性能的一個最為重要的指標。在基于DFSA 協(xié)議的RFID系統(tǒng)中，對于有N個應答器及幀長為L時，其期望的系統(tǒng)吞吐量E(SDFSA)如式(1)所示。(1)而DFSA-OC系統(tǒng)期望的系統(tǒng)吞吐量E(SDSFA-OC)的計算要比較復雜一些。首先，可計算出一個時隙內(nèi)有k個應答器且OVSF碼長為m時對應的期望的吞吐量Eslot(SDSFA-OC)為(2)其次，按照DFSA協(xié)議，對于有N個應答器及L個時隙時在一個時隙內(nèi)出現(xiàn)k個應答器的概率為 (k=1,2,N)(3)現(xiàn)在，對于給定OVSF碼長m，則DFSA-OC系統(tǒng)的期望的系統(tǒng)吞吐量E(SDSFA-OC)可由式(4)計算：(4)式(4)也可修改成式(5)： (5)式(5)由2部分組成：第一部分等同于式(1)，第二部分是一個不小于0的數(shù)，記為Ed(SDSFA-OC)。隨著碼長m增大，Ed(SDSFA-OC)值也增大，期望的系統(tǒng)吞吐量E(SDSFA-OC)也越大，DFSA-OC系統(tǒng)的防碰撞性能就越好。為了更詳細地分析DFSA-OC系統(tǒng)的防碰撞性能，按照式(4)或式(5)分別在不同的時隙數(shù)及OVSF擴頻碼長條件下計算出DFSA-OC系統(tǒng)的最大期望的系統(tǒng)吞吐量，并與基于DFSA協(xié)議的系統(tǒng)作了比較，結果如圖3所示。在數(shù)值計算中，對于DFSA-OC系統(tǒng)，時隙L依次取2q, (q=2,3, 10)中的值，OVSF擴頻碼長m依次取2p, (p=0,1,7)中的值，應答器數(shù)N從1到1024變化。圖3中反映了時隙L和碼長m對最大期望系統(tǒng)吞吐量Emax(SDSFA-OC)的影響。同樣，對于基于DFSA協(xié)議的RFID系統(tǒng)，令時隙L也依次取2q, (q=2,3, 10)中的值，應答器數(shù)N從1到1024變化，按照式(1)，得到了對應的期望的系統(tǒng)吞吐量的最大值Emax(SDFSA),如圖3中最下方箭頭所指示。圖3 最大期望吞吐量與OVSF擴頻碼長m及時隙數(shù)L的關系（1應答器數(shù)N1024）圖3中Emax(SDSFA-OC)值隨碼長m增大而增大，其值要大于Emax(SDFSA)。例如在L=4的情況下，當m=128時Emax(SDSFA-OC)達到47.1346而Emax(SDFSA)卻只有0.421 9；在L=1024的情況下，當m=128時Emax(SDSFA-OC)為0.992 2，而Emax(SDFSA)卻只有0.368 1。上述最大期望吞吐量是在應答器數(shù)限制在1到1024范圍內(nèi)得到的。由DFSA協(xié)議可知，只有當幀長與應答器數(shù)相接近時系統(tǒng)具有最大的吞吐量，此時防碰撞性能最佳，而當幀長與應答器相差較大時系統(tǒng)的吞吐量將減小，隨之防碰撞性能也降低。同樣的，當m=128時，L=1024時的最大吞吐量相比L=4時的要小很多。這是因為應答器數(shù)在1到1024范圍內(nèi)，幀長越長，平均分配在每個時隙內(nèi)的應答器數(shù)就越少，擴頻碼長優(yōu)勢沒有顯現(xiàn)出來，系統(tǒng)的防碰撞性能優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。所以實際工作中應根據(jù)具體的應答器數(shù)量，動態(tài)地調(diào)整幀長及碼長大小，使系統(tǒng)能工作在具有最佳期望的吞吐量狀態(tài)。由理論分析知，DFSA-OC RFID系統(tǒng)隨碼長m值增大其期望的系統(tǒng)吞吐量也隨之增大，防碰撞性能顯著超過了基于DFSA協(xié)議的RFID系統(tǒng)的性能。4 仿真結果利用仿真軟件，分別建立了DFSA-OC UHF RFID系統(tǒng)及基于DFSA協(xié)議的UHF RFID的防碰撞仿真模型。每個模型中都包括一個閱讀器和多個應答器，應答器數(shù)量在1到1000個內(nèi)間隔50改變。仿真時ALOHA幀長限定在2q, (q=2,3, 10)，初始幀長為32，以后每一幀的幀長按照相應的應答器估計算法的結果來確定。在基于DFSA協(xié)議的仿真模型中，采用Schoute算法11即B=2.39C來估計剩余應答器數(shù)，其中C為當前幀中發(fā)生碰撞的時隙數(shù)。在DFSA-OC系統(tǒng)的仿真模型中，無法直接利用Schoute算法來估計剩余應答器數(shù)，但是可借鑒Schoute算法原理，先估計每一個時隙內(nèi)發(fā)生碰撞的應答器數(shù)Bslot=2.39Nc，Nc為當前時隙內(nèi)發(fā)生了“碼碰撞”的OVSF擴頻碼的個數(shù)，然后再將當前ALOHA幀中所有時隙估計的Bslot相加，得到當前幀中未識別的剩余應答器數(shù)B。仿真時OVSF擴頻碼長m依次取2p, (p=0,1,7)中的值。仿真結果的輸出用識別總時隙數(shù)表示，用以反映完成所有應答器識別時的識別總時間的大小。系統(tǒng)的識別總時間越小表示系統(tǒng)吞吐量越大，防碰撞性能越高，反之則系統(tǒng)吞吐量越小，防碰撞性能越低。仿真結果如圖4所示。圖4中當m=1時，OVSF擴頻因子為1，也即沒有發(fā)生實質(zhì)性的擴頻，DFSA-OC系統(tǒng)退變?yōu)镈FSA系統(tǒng)，此時DFSA-OC系統(tǒng)的防碰撞性能與基于DFSA協(xié)議的系統(tǒng)性能一樣，圖中2曲線相重合。隨著m的值從2增大到128，DFSA-OC系統(tǒng)擴頻因子越來越大，在相同的應答器數(shù)量下需要的識別總時隙數(shù)越來越小。例如應答器數(shù)量為1 000時，OVSF碼長m=1時需要的識別總時隙數(shù)為3 140，碼長m=2時需要的識別總時隙數(shù)為1 627，減少了1 513個時隙，與m=1相比總的識別時間減少了48.18%。碼長m=128時需要的識別總時隙數(shù)為290，減少了 2 850個時隙，與m=1相比總的識別時間減少了90.76%，識別效率顯著提高。系統(tǒng)的仿真結果與理論分析的相一致。圖4 OVSF擴頻碼長對識別總時隙數(shù)的影響5 結束語利用OVSF擴頻碼，將CDMA技術與DFSA協(xié)議相結合，對于提高超高頻RFID系統(tǒng)的防碰撞性能是一種簡便而又高效的識別方案。在DFSA-OC UHF RFID系統(tǒng)中，“碼碰撞”代替了傳統(tǒng)的“應答器碰撞”，降低了“應答器碰撞”的概率，提高了系統(tǒng)吞吐量。在應答器中嵌入OVSF硬件生成模塊，對應答器的硬件成本及功耗有所增加。但隨著IC技術及工藝的快速發(fā)展，應答器總體成本不斷下降，功耗也逐漸降低。另外考慮到基于DFSA協(xié)議的EPC C1G2 RFID系統(tǒng)現(xiàn)處于強勢地位，可對DFSA-OC系統(tǒng)適當改進實現(xiàn)與DFSA RFID系統(tǒng)的相互兼容識別。由前述分析知當m=1時，DFSA-OC系統(tǒng)退變?yōu)镈FSA系統(tǒng)。因此當DFSA系統(tǒng)的閱讀器發(fā)出“查詢”識別命令時，DFSA-OC系統(tǒng)的應答器將其默認為是DFSA-OC系統(tǒng)的閱讀器發(fā)出的m=1時的“查詢”識別命令，從而可實現(xiàn)DFSA系統(tǒng)的閱讀器對DFSA-OC系統(tǒng)的應答器的兼容識別。由于DFSA-OC系統(tǒng)的閱讀器硬件資源豐富，可容易實現(xiàn)對基于DFSA協(xié)議的應答器的兼容識別，這樣有利于DFSA-OC系統(tǒng)的推廣。理論分析及仿真驗證結果表明，本文提出的DFSA-OC UHF RFID系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單，有很高的期望的系統(tǒng)吞吐量和防碰撞識別性能，可廣泛用于各種各樣的應用場景中，也為我國制定自己的超高頻RFID系統(tǒng)標準提供了一定的理論參考依據(jù)。參考文獻：1VOGT H. 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