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1、RFID閱讀器 在無線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)中，標(biāo)簽存儲(chǔ)著全球唯一的識(shí)別號(hào)，并附著在被識(shí)別物上。閱讀器通過給附著有識(shí)別標(biāo)簽的物品發(fā)射無線射頻信號(hào)來識(shí)別物品，像其他無線通信系統(tǒng)一樣，RFID 系統(tǒng)也存在著信號(hào)干擾問題。什么是閱讀器？它的工作原理是什么？它的基本組成？閱讀器與電子標(biāo)簽的通信過程中存在著什么樣的問題？如何解決這些問題？ 1 1、什么是閱讀器？、什么是閱讀器？ 閱讀器（Reader and Writer）又稱讀寫器、詢問器、通信設(shè)備、掃描器、編程器、讀出裝置、便攜式讀出器、AEI設(shè)備（Automatic Equipment Identification Device）、識(shí)讀器、讀頭等

2、。以上起名起源于不同功能或者是應(yīng)用場(chǎng)合的角度。閱讀器是讀取和寫入電子標(biāo)簽內(nèi)存信息的設(shè)備。閱讀器又可以與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、管理和控制。另閱讀器又是一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其基本作用就是作為數(shù)據(jù)交換的一環(huán)，將前端電子標(biāo)簽所包含的信息，傳遞給后端的計(jì)算機(jī)設(shè)備。1.11.1閱讀器工作原理閱讀器工作原理 工作原理 閱讀器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上，經(jīng)天線發(fā)送給進(jìn)入閱讀器識(shí)別范圍的電子標(biāo)簽，接收此脈沖信號(hào)，電子標(biāo)簽的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。 若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)的信息，經(jīng)加密、

3、編碼、調(diào)制后通過芯片內(nèi)的天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送給中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的處理； 若為修改信息的寫命令，有關(guān)的控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，對(duì)EEPROM中的內(nèi)存信息進(jìn)行改寫，若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息。 2 2、閱讀器的基本組成、閱讀器的基本組成 一般來說，RFID閱讀器從屋里上可以劃分成硬件和軟件兩個(gè)部分，另外閱讀器也可以從功能上劃分為四個(gè)邏輯組件。 2.1.2.1.硬件部分硬件部分 硬件的基本組成一般包括以下幾個(gè)部分：控制模塊、射頻處理模塊、天線以及外圍接口電路等。與主機(jī)的通信接口MCU射頻處理模塊LED/LCD顯示其

4、他外圍設(shè)備接口（1 1）控制模塊）控制模塊控制模塊或?yàn)榭刂破鳎∕icro Controller Unit）主要功能是：與應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行通信；執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動(dòng)作命令；控制與標(biāo)簽的通信過程；基帶信號(hào)的編碼與解碼；執(zhí)行防碰撞算法；對(duì)讀寫器和標(biāo)簽之間的傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；進(jìn)行讀寫器和電子標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證；對(duì)鍵盤、顯示設(shè)備等其他外部設(shè)備的控制。其中最重要的是對(duì)射頻讀寫芯片的控制操作，這種控制操作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）對(duì)射頻讀寫芯片的電源控制。通過對(duì)射頻讀寫部分的獨(dú)立電源控制，用戶可以在MCU中根據(jù)自己的需要選擇或關(guān)閉射頻讀寫功能。2）MCU通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等并行控制接口與

5、射頻讀寫芯片連接，控制讀寫芯片的正常工作，實(shí)現(xiàn)與電子標(biāo)簽的通信。3）另外，主控MCU通過串行通信接口與PC方進(jìn)行通信，方便用戶將開發(fā)的應(yīng)用程序載入到MCU中。同時(shí)，將主控MCU的剩余I/O口及中斷引腳引出，供用戶擴(kuò)展使用。（2 2）射頻處理模塊）射頻處理模塊 射頻處理模塊的主要功能是產(chǎn)生高頻發(fā)射能量、激活電子標(biāo)簽并為其提供能量；對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給電子標(biāo)簽；接收并解調(diào)來自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。射頻處理模塊負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，完成對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫。（3 3）天線）天線 天線是發(fā)射和接收射頻載波信號(hào)的設(shè)備。在確定的工作頻率和帶寬條件下，天線發(fā)射由射頻處理模塊產(chǎn)生的射頻載波

6、，并接收從標(biāo)簽發(fā)射或反射回來的射頻載波。天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為無源標(biāo)簽提供電源，在設(shè)備和標(biāo)簽之間傳送信息。天線的有效電磁場(chǎng)范圍就是系統(tǒng)的工作區(qū)域。（4 4）MCUMCU與主機(jī)的通信接口以及鍵盤、與主機(jī)的通信接口以及鍵盤、LED/LCDLED/LCD顯示等其他顯示等其他外部設(shè)備。外部設(shè)備。3 3、閱讀器的工作特點(diǎn)、閱讀器的工作特點(diǎn) 閱讀器的基本功能就是觸發(fā)作為數(shù)據(jù)載體的電子標(biāo)簽，與這個(gè)標(biāo)簽建立通信聯(lián)系。電子標(biāo)簽與閱讀器并非接觸通信的一系列任務(wù)，均由閱讀器來處理，同時(shí)閱讀器在應(yīng)用軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)閱讀器在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用。閱讀器的工作特點(diǎn)如下： 1、電子標(biāo)簽與閱讀器之間的通信閱讀器以射頻的方

7、式向電子標(biāo)簽傳輸能量，對(duì)電子標(biāo)簽完成基本的操作。基本操作主要包括對(duì)電子標(biāo)簽的初始化，讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽的內(nèi)存信息，使電子標(biāo)簽功能失效等。 2、閱讀器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信 閱讀器將讀取到的電子標(biāo)簽的信息傳遞給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)閱讀器進(jìn)行控制和信息交換，完成特定的應(yīng)用任務(wù)。 3、閱讀器的識(shí)別能力 閱讀器不僅能識(shí)別靜止的電子標(biāo)簽，而且能同時(shí)識(shí)別多個(gè)移動(dòng)的電子標(biāo)簽。 （1）防碰撞的能力。 在識(shí)別范圍內(nèi)，閱讀器可以完成多個(gè)電子標(biāo)簽信息的同時(shí)存取，具備讀取多個(gè)電子標(biāo)簽信息的防碰撞能力 （2）對(duì)移動(dòng)物體的識(shí)別能力。 閱讀器能夠子在一定的技術(shù)指標(biāo)下，對(duì)移動(dòng)的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，并能夠校驗(yàn)讀寫過程中的錯(cuò)誤

8、去信息。 4、閱讀器與有源電子標(biāo)簽的管理 5、閱讀器的適應(yīng)性 6、應(yīng)用軟件的控制作用 4 4、閱讀器存在的問題、閱讀器存在的問題 所有的標(biāo)簽和閱讀器都在一個(gè)有限的空間內(nèi)進(jìn)行通信，為了覆蓋整個(gè)閱讀的空間從而識(shí)別該范圍內(nèi)所有的標(biāo)簽，閱讀器網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)在空間中產(chǎn)生多個(gè)閱讀器讀寫范圍的交叉。這些讀寫范圍交叉的閱讀器之間就可能發(fā)生碰撞；另外，對(duì)于被動(dòng)式的標(biāo)簽，其工作使用的能量來自閱讀器，其反射回閱讀器的信號(hào)是反射信號(hào)，是一種弱信號(hào)，容易受其他閱讀器強(qiáng)信號(hào)的干擾，這樣也有可能發(fā)生碰撞。 4.1(1)多閱讀器到標(biāo)簽間的干擾 當(dāng)多個(gè)閱讀器同時(shí)閱讀同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)引起了多閱讀器到標(biāo)簽間的干擾, 這里分兩種情況。一種兩

9、個(gè)閱讀器閱讀范圍重疊, 如圖4-1（a）中，從閱讀器1和2發(fā)射的信號(hào)可能在射頻標(biāo)簽1處產(chǎn)生干擾。在這種情況下,標(biāo)簽1不能解密任何查詢信號(hào)并且閱讀器1和2都不能閱讀1。 圖4-1（a） 閱讀器范圍重疊 另外一種兩個(gè)閱讀器閱讀范圍沒有重疊,如圖4-1（b）所示。雖然閱讀范圍沒有重疊,但處于干擾范圍之內(nèi),但在同一時(shí)間占用相同頻率與標(biāo)簽1通信,閱讀器2發(fā)射的信號(hào)對(duì)讀寫器1發(fā)射的信號(hào)在標(biāo)簽1處產(chǎn)生干擾,從而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。 圖3-1（b） 閱讀范圍不重疊的多閱讀器對(duì)標(biāo)簽的干擾 （2）閱讀器之間的干擾 另一種是閱讀器之間的干擾。對(duì)于被動(dòng)式的標(biāo)簽，其工作使用的能量來自閱讀器，其反射回閱讀器的信號(hào)是反射信號(hào)

10、，是一種弱信號(hào)，容易受其他閱讀器強(qiáng)信號(hào)的干擾，這樣也有可能發(fā)生碰撞。如下圖3-1（c）標(biāo)簽1是弱信號(hào)接收閱讀器R1的強(qiáng)信號(hào)，但R1在R2在干擾范圍內(nèi)，這就有可能讓閱讀器R1無法接收標(biāo)簽的信息。 圖3-1（c）讀寫器與讀寫器之間的干擾4.2閱讀器防碰撞算法 現(xiàn)有解決多閱讀器信號(hào)碰撞問題的方法主要可以分為兩類:協(xié)調(diào)計(jì)劃算法和功率控制算法。 (1)基于調(diào)度的閱讀器防碰撞算法是在全網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)中，統(tǒng)一收集閱讀器間的碰撞消息，將系統(tǒng)的可用資源合理分配給各個(gè)閱讀器使用，防止多個(gè)閱讀器同時(shí)發(fā)送信號(hào)給標(biāo)簽而產(chǎn)生信號(hào)干擾。常用算法有Colorwave、HiQ-learning、PULSE 以及LBT 等。但是，

11、需要耗費(fèi)系統(tǒng)大量資源來建立并實(shí)時(shí)維護(hù)全網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)微小變化時(shí)，需重新調(diào)整全網(wǎng)范圍的資源分配，系統(tǒng)開銷大。 (2)功率調(diào)整方式通過動(dòng)態(tài)調(diào)整閱讀器的信號(hào)功率范圍，使得每個(gè)閱讀器利用不同的發(fā)送功率在同一時(shí)隙內(nèi)工作，從而減小閱讀器之間的重疊區(qū)域，獲得最大的閱讀范圍。其代表協(xié)議有LLCR 及w-LCR。該算法較復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致效率和功耗的降低，而且需要在無線射頻識(shí)別系統(tǒng)中引入新的中心控制設(shè)備，系統(tǒng)成本較高。盡管現(xiàn)有算法已在無線射頻識(shí)別系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但仍存在著高功耗、高成本等缺點(diǎn)。閱讀器分類結(jié)構(gòu)圖閱讀器協(xié)議調(diào)度功率ColorwaveHiQ-learningPULSELLCRw-LCRLBTDCSDCS

12、協(xié)議協(xié)議 DCS算法的原理是：一個(gè)時(shí)隙代表一種顏色，系統(tǒng)隨機(jī)的給閱讀器分配各種顏色，閱讀器的顏色與時(shí)隙的顏色相同時(shí)則其通信信道打開，開始讀取標(biāo)簽。讀取過程中發(fā)現(xiàn)與其他的閱讀器沖突，那么系統(tǒng)隨機(jī)分配給閱讀器一個(gè)新的顏色（時(shí)隙)。同時(shí)向周圍的閱讀器發(fā)送一個(gè) Kick信息包，以便通知新的顏色(時(shí)隙)。如果相鄰的閱讀器已著此種顏色（時(shí)隙），那么系統(tǒng)再次分配某種新顏色，閱讀器再次發(fā)送 Kick 信息包。此過程不斷循環(huán)，直到結(jié)束。在DCS算法中，用來給閱讀器著色的總的顏色的數(shù)目是確定不變的，系統(tǒng)隨機(jī)的循環(huán)分配這些顏色給閱讀器。 C Colorwaveolorwave算法算法 是一種分布式的TDMA算法，是

13、DCS算法的擴(kuò)展算法。通過閱讀器分配給不同的時(shí)隙來避免閱讀器之間的碰撞。該算法需要所有閱讀器之間的時(shí)間同步，同時(shí)還要求所有的閱讀器都可以檢測(cè)RFID系統(tǒng)中的碰撞。Colorwave協(xié)議具有動(dòng)態(tài)的最大顏色數(shù)量值，并且具有動(dòng)態(tài)的顏色分配機(jī)制來最小化閱讀器圖中顏色需要的數(shù)量。隨著使用顏色數(shù)量的減少，信息傳送的效率將會(huì)增加。 當(dāng)閱讀器自己察覺到，或是被相鄰的閱讀器檢測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸成功的概率小于最大色彩的閾值時(shí)，它就會(huì)增加本地最大色彩值，同時(shí)給相鄰的閱讀器官博這個(gè)新的最大色彩值，使相鄰閱讀器也重新選擇色彩來減少傳輸?shù)呐鲎?。相反的，但?shù)據(jù)傳輸成功的概率大于最大色彩閾值時(shí)，閱讀器會(huì)減少本地最大色彩值以減少傳輸

14、等待時(shí)間。 FDMAFDMA協(xié)議協(xié)議 基于FDMA的協(xié)議把所有的可用頻率帶劃分成多個(gè)頻率信道。閱讀器可以使用不同的信道來同時(shí)與標(biāo)簽進(jìn)行通信。如果一個(gè)頻率信道一次只分配一個(gè)閱讀器，多個(gè)閱讀器將會(huì)無干擾的同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。 HiQHiQ協(xié)議協(xié)議 Ho等人提出了同時(shí)基于TDMA和FDMA的HiQ協(xié)議。HiQ協(xié)議使用稱為Q-learning的分布式、分等級(jí)的，并且是在線學(xué)習(xí)的方案來解決頻率和時(shí)間的分配。通過重復(fù)的與系統(tǒng)進(jìn)行交互，Q-learning試圖在時(shí)間上尋求一種優(yōu)化頻率的分配方案。 HiQ分級(jí)的控制結(jié)構(gòu)由閱讀器、R-severe和Q-severe組成。閱讀器在最低一級(jí)，在R-severe級(jí)的每個(gè)服務(wù)

15、器管理著多個(gè)閱讀器。當(dāng)某個(gè)閱讀器需要發(fā)送信息給他的識(shí)別區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽時(shí)，它必須首先從它的主R-severe處請(qǐng)求資源，即頻率信道和時(shí)隙。閱讀器只有在主R-severe分配于同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的具體頻率信道之后，才能發(fā)送信息。在這樣的分布式架構(gòu)中，相鄰閱讀器可以在相同的時(shí)隙或者相同的頻率信道內(nèi)發(fā)送信息，從而會(huì)造成碰撞。閱讀器需要檢測(cè)與相鄰接節(jié)點(diǎn)之間的碰撞。每個(gè)閱讀器需要報(bào)道碰撞的數(shù)量碰撞的類型和成功讀它的主R-severe的次數(shù)。隨后，R-severe能夠根據(jù)反饋的報(bào)告判斷哪些從閱讀器間有相互干擾，并重新動(dòng)態(tài)的分配資源來避免碰撞。R-severe能夠分配資源來自于分級(jí)結(jié)構(gòu)中主Q-severe（ Q-le

16、arning severe）。由于較好的靈活性和可擴(kuò)展性，Q-severe在分級(jí)架構(gòu)中可以較好地完成自己工作。但是，在整個(gè)系統(tǒng)中，只有一個(gè)根Q-severe控制所有的頻率信道和時(shí)隙的分配。 資源請(qǐng)求 資源分配 資源請(qǐng)求 資源分配 資源請(qǐng)求 資源分配 HiQ協(xié)議的分級(jí)控制結(jié)構(gòu) R-severeQ-severe根Q-severeQ-severeR-severe閱讀器閱讀器 EPCglobal Gen2EPCglobal Gen2協(xié)議協(xié)議 Class 1 Generatio 2 UHF標(biāo)準(zhǔn)是EPCglobal提出的，使用FDMA技術(shù)減少閱讀器的干擾。整個(gè)分配頻帶被分成若干信道，一個(gè)閱讀器只能使用一個(gè)

17、信道來進(jìn)行通信。閱讀器和標(biāo)簽分開使用載波頻率。即閱讀器將只會(huì)與閱讀器發(fā)生碰撞。閱讀器使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)來避免干擾。在歐洲，頻率分配時(shí)規(guī)定為200khz的帶寬。建議閱讀器使用偶數(shù)的信道，而標(biāo)簽使用奇數(shù)的信道。在美國，頻率分配時(shí)規(guī)定為500khz的帶寬，所有信道對(duì)閱讀器都是有用的。而標(biāo)簽在這些信道的邊界處散射。 CSMACSMA協(xié)議協(xié)議 將通信網(wǎng)絡(luò)的信道分成頻率不同的控制信道和數(shù)據(jù)信道兩個(gè)部分。其中，控制信道是給閱讀器之間的通信使用的，用來控制閱讀器的開啟與關(guān)閉；數(shù)據(jù)信道則用于閱讀器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞?？刂菩诺酪笕我鈨蓚€(gè)可能有數(shù)據(jù)信道碰撞的閱讀器之間能夠通訊，以便確保兩個(gè)閱讀器之間避開碰撞，

18、則控制信道的作用范圍要比閱讀器產(chǎn)生頻率干擾時(shí)的數(shù)據(jù)通道的范圍還要大。研究表明，為了控制信道的通信范圍大于數(shù)據(jù)信道的頻率干擾范圍，可以增加控制信道的發(fā)射功率。 載波偵聽算法，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，如今也發(fā)展了很多的不同的形式，這其中包含“非堅(jiān)持”型 CSMA 算法，“1-堅(jiān)持”型 CSMA 算法，“P-堅(jiān)持”型 CSMA 算法等。 閱讀器協(xié)議實(shí)例1Pulse算法該算法是依據(jù)載波偵聽的模式解決 RFID 閱讀器網(wǎng)絡(luò)中閱讀器沖突問題的算法。Pulse 算法的流程圖如圖所示。 從上面的流程圖可以發(fā)現(xiàn)，在閱讀器和標(biāo)簽通信前，閱讀器保持一段空閑時(shí)間。當(dāng)空閑狀態(tài)時(shí)間超過設(shè)定的空閑時(shí)間Tmin同時(shí)其他閱讀器沒有發(fā)出B

19、EACON的信息即沒有相鄰其他閱讀器與標(biāo)簽發(fā)生通信行為，則該閱讀器與其他閱讀器處于同一起跑線處于競(jìng)爭(zhēng)模式，直到有 Beacon 信號(hào)發(fā)出，閱讀器重新進(jìn)入空閑狀態(tài)，再次開始等待當(dāng)閱讀器與標(biāo)簽達(dá)成通信協(xié)議時(shí)，閱讀器每隔一段時(shí)間會(huì)發(fā)出Beacon 信號(hào)，表明閱讀器正與標(biāo)簽進(jìn)行通信，以使其他閱讀器處于空閑狀態(tài)，直至通信完成為止。通常，Pulse 算法適合用于動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓容^頻繁的網(wǎng)絡(luò)。 該算法中，在閱讀器和標(biāo)簽通信之前，閱讀器處于等待狀態(tài)。在等待狀態(tài)，閱讀器先等待一定的時(shí)間 T min，該時(shí)間類似于 802.11 協(xié)議中的 DIFS 時(shí)間。閱讀器等待該時(shí)間后，如果沒有收到其他閱讀器發(fā)出的 Beacon

20、 信號(hào)，該閱讀器將認(rèn)為沒有近鄰的閱讀器正在和標(biāo)簽進(jìn)行通信。那么，它將進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)并且隨機(jī)選擇一段時(shí)間。如果此時(shí)，閱讀器收到了別的閱讀器的 Beacon 信號(hào)，那么閱讀器將重新回到等待狀態(tài),并且等待 T min 時(shí)間。在競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)中，如果閱讀器等待了它隨機(jī)選擇的一段時(shí)間后仍然沒有收到其他閱讀器發(fā)出的 Beacon 信號(hào)的話，該閱讀器將在控制信道中發(fā)Beacon 信號(hào)并且通過數(shù)據(jù)信道和其范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行通信。其原理簡(jiǎn)化圖如下圖 在和這些標(biāo)簽進(jìn)行通信的過程中，過一段較短的時(shí)間，該閱讀器都發(fā)出 Beacon信號(hào)，直到和標(biāo)簽的通信結(jié)束。此時(shí)，該標(biāo)簽回到等待狀態(tài)。每當(dāng)閱讀器發(fā)送出Beacon 信號(hào)之后，該閱

21、讀器首先檢測(cè)控制信道，如果控制信道忙，將一直檢測(cè)控制信道直到不忙為止。一旦控制信道空閑，該閱讀器等到一段隨機(jī)延遲時(shí)間，并且發(fā)送 Beacon 信號(hào)。該算法類似于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 BTMA 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，比較適合用在動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓容^頻繁的網(wǎng)絡(luò)。 閱讀器協(xié)議實(shí)例2 Colorwave算法的核心思想是自適應(yīng)圖著色法。算法要是利用圖著色的方式對(duì)閱讀器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)閱讀器進(jìn)行圖著色，用不同的顏色來代表時(shí)隙，保證閱讀器網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)相鄰的閱讀器被分配的顏色相同的幾率最小，同時(shí)要求系統(tǒng)用最少的顏色種類對(duì)閱讀器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖著色以及閱讀器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能用最少的時(shí)間來讀取所有的標(biāo)簽。該算法實(shí)質(zhì)為一種分布式的

22、TDMA 算法。為了防止閱讀器間的沖突，使用了兩種分布式算法：DCS(Distributed Color Selection)算法和 VDCS(VariableMaximum Distributed Color Selection)算法。 DCS算法在該算法中，每種顏色代表一個(gè)時(shí)隙，被分配給某種顏色的閱讀器可以在該時(shí)隙中進(jìn)行讀寫標(biāo)簽的操作。如果閱讀器在讀寫標(biāo)簽的過程中，發(fā)現(xiàn)和其它閱讀器發(fā)生了沖突，那么該閱讀器隨機(jī)選擇一個(gè)新的顏色，并且發(fā)送一個(gè)kick信息包給它周圍的所有的相鄰閱讀器來告訴自己選的新的時(shí)隙。如果相鄰的 閱讀器此時(shí)具有的顏色和該閱讀器新選的顏色相同，那么相鄰的這個(gè)閱讀器將選 擇一個(gè)

23、新的顏色并且它也發(fā)送一個(gè)kick信息包。此過程一直執(zhí)行到結(jié)束。在DCS算法中，最大的可以使用的顏色的數(shù)目是一個(gè)定值，在算法執(zhí)行的過程中保持不變。其主要算法程序由三個(gè)子程序組成： (1)判斷是否執(zhí)行子程序。即此程序首先判斷當(dāng)前的時(shí)隙的顏色是否和分配給閱讀器的顏色一致。如果相同，閱讀器開始工作；反之，閱讀器繼續(xù)等待，至相同顏色的時(shí)隙的到來。 (2)沖突子程序。該程序用來在閱讀器信號(hào)相互干擾時(shí)，重新分配閱讀器的顏色并通知其他閱讀器。 （3）Kick 子程序。此程序的主要作用是，根據(jù)收到的 Kick 信息包，判斷是否會(huì)與自己顏色的沖突。如果相同的話，該閱讀器重新隨機(jī)的挑選一個(gè)新的顏色。 在VDCS算法

24、中，每個(gè)閱讀器監(jiān)測(cè)獲得的成功通信的百分比。五個(gè)變量用來決定一個(gè)閱讀器是否改變其最大的顏色： (1)Upsafe：增加最大顏色的門限百分比。當(dāng)成功通信的百分比低于該值時(shí)，最大顏色增加。 (2)UpTrig：增加最大顏色的觸發(fā)百分比。當(dāng)相鄰閱讀器增大其最大顏色的觸發(fā)百分比大于該閱讀器的最大顏色時(shí)，該閱讀器使其最大顏色增大。 (3)Dnsafe，DnTrig：分別和Upsafe、UpTrig相對(duì)應(yīng)，執(zhí)行和它們相反的操作。 (4)MinTimeInColor: 在初始化或者改變顏色最大值之后時(shí)隙的最小數(shù)量，這個(gè)值是在olorwave 算法再次改變最大色彩值之前。 Colorwave算法建立在DCS算法

25、之上。除了需要DCS算法中的子程序之外，還需要下面兩個(gè)子程序： 1、顏色數(shù)目改變子程序：如果沖突發(fā)生的百分比超過了SAFE門限，并且在當(dāng)前最大顏色消耗的時(shí)間超過了最小時(shí)間門限，那么將增大最大顏色或者減小最大 顏色（取決于超過的門限），并且在下一個(gè)重復(fù)階段發(fā)送那個(gè)kick信息包。 2、kick信息包子程序。如果閱讀器收到kick信息包，該信息包所包含的顏色內(nèi)容和自己的當(dāng)前顏色一致，那么該閱讀器將隨機(jī)在最大顏色范圍內(nèi)除了當(dāng)前顏色選擇一種新的顏色。如果閱讀器收到的kick信息包中表明最大顏色發(fā)生改變，并且沖突百分比超過了觸發(fā)門限，而且在當(dāng)前最大顏色消耗的時(shí)間超過了最小時(shí)間門限，那么閱讀器將改變最大顏

26、色值為kick信息包中所包含的最大值并在下一個(gè)重復(fù)階段，發(fā)送包含該最大值的kick信息包。 時(shí)隙的要求：時(shí)隙必須與所有的閱讀器同步 ，每個(gè)閱讀器都分配一個(gè)時(shí)間間隔，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)又分為三個(gè)時(shí)間段sttktcommt 在這兩個(gè)算法中，什么時(shí)候閱讀器選哪個(gè)時(shí)隙傳輸，這由傳輸概率決定。 傳輸概率=伯努力概率p= 在Colorwave算法中，傳輸概率并不是嚴(yán)格意義上的伯努力概率，因?yàn)樗淖畲箢伾珨?shù)改變的，但是也可以計(jì)算的。 p required to produce the first-order arrival time t% equal to the Colorwave “transmission

27、probabilitykmkkmPPC )1 (對(duì)這兩個(gè)算法進(jìn)行仿真設(shè)定條件：1、5種閱讀器圖，分別為稀疏、中等、密集、網(wǎng)格和Hex其中稀疏、中等、密集隨機(jī)形成圖形，網(wǎng)格和Hex分別為正方形網(wǎng)絡(luò)和六邊形模型。2、對(duì)Colorwave算法假設(shè)了四種方案在TABLE1表中每種方案輸入迭代100000次且傳輸速率分別為5%, 25%, 50%, 75%, and 100%,Colorwave MinTimeInColor參數(shù)為 100, 500, and 1000, 進(jìn)行60次的仿真。對(duì)DCS傳輸速率一樣，最大色彩參數(shù)分別為3、4、6、8、10、12，每個(gè)圖仿真30次，圖（1）Performance

28、 of DCS on sparse example graph 圖（2）Performance of Colorwave Set 4 on sparse example graph比較里DCS和Colorwave，發(fā)現(xiàn)的特性在各個(gè)方面不如Colorwave的性能，例如上圖（1）和（2）是在傳輸速率為100%，為了實(shí)現(xiàn)98%的成功傳輸，Colorwave每個(gè)閱讀器需要平均4到4.5顏色（根據(jù)the MinTimeInColor 參數(shù)）而DCS需要8到10個(gè)顏色。 Performance of Colorwave Set 4 on sparse example graph 閱讀器應(yīng)用實(shí)例3 基于調(diào)

29、度方式的多閱讀器防碰撞算法本文算法基于調(diào)度方式，利用分簇的思想，引入預(yù)約、休眠機(jī)制，將RFID 系統(tǒng)的讀取過程分為競(jìng)爭(zhēng)、預(yù)約和傳輸3 個(gè)階段，通過優(yōu)化預(yù)約階段可以實(shí)現(xiàn)傳輸階段的閱讀器無碰撞通信。算法原理及流程 在競(jìng)爭(zhēng)階段，引入CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機(jī)制監(jiān)聽信道，競(jìng)爭(zhēng)簇首。在預(yù)約階段，簇首送預(yù)約命令安排通信小組內(nèi)的受控閱讀器預(yù)約通信順序。在傳輸階段，簇首利用預(yù)約階段獲得的碰撞信息，控制選取正確時(shí)隙的閱讀器進(jìn)行通信，完全避免了閱讀器間的信號(hào)碰撞。在一輪通信結(jié)束后，完成通信任務(wù)的閱讀器進(jìn)入去活態(tài)，

30、簇首根據(jù)碰撞值來決定是否進(jìn)行新一輪預(yù)約。如此重復(fù)預(yù)約階段和傳輸階段，直到完成通信小組內(nèi)所有的應(yīng)答請(qǐng)求。 算法流程 算法設(shè)計(jì) 1、 算法約定 每個(gè)閱讀器包含一個(gè)碰撞寄存器，用于添加閱讀器間的通信結(jié)束命令、通信順序表、簇首的碰撞值和休眠計(jì)數(shù)值。1)閱讀器工作狀態(tài) 休眠態(tài)(1)：除計(jì)數(shù)器外，不響應(yīng)閱讀器任何命令； 待命態(tài)(0)：處于待命狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 半休眠態(tài)(1)：只響應(yīng)預(yù)約命令； 去活態(tài)(其他)：通信結(jié)束的閱讀器進(jìn)入去活狀態(tài)，不再響應(yīng)閱讀器的任何命令。 (2)閱讀器間的通信命令Reservation(1, Nc)： 預(yù)約命令（1、Nc）， Nc為 預(yù)約序號(hào)的最大值。簇首發(fā)送此命令，

31、只有通信小組內(nèi)的半休眠態(tài)閱讀器才響應(yīng)； End：通信結(jié)束命令，發(fā)送此命令的閱讀器釋放此次通信占有權(quán)，通信狀態(tài)轉(zhuǎn)為去活態(tài)，組內(nèi)其他閱讀器休眠度減1。(3)閱讀器預(yù)約時(shí)隙狀態(tài)預(yù)約命令，通信小組內(nèi)的受控閱讀器進(jìn)行通信順序號(hào)(即時(shí)隙號(hào))的預(yù)約，將時(shí)隙分為3 類：空閑時(shí)隙沒有閱讀器選擇的時(shí)隙；正確時(shí)隙只有一個(gè)閱讀器選擇的時(shí)隙；碰撞時(shí)隙2 個(gè)及2 個(gè)以上閱讀器選擇的時(shí)隙。通信小組的定義為存在潛在相互干擾的閱讀器(包括簇首)及其閱讀范圍之內(nèi)的應(yīng)答器。后續(xù)的所有通信都是基于通信小組進(jìn)行的。部分閱讀器雖在簇首控制的范圍內(nèi), 但并沒有讀取應(yīng)答器的需求, 我們也不認(rèn)為它屬于通信小組。臨時(shí)簇首的產(chǎn)生過程由如下幾步完成

32、: 多個(gè)閱讀器可通過自由競(jìng)爭(zhēng)的方式競(jìng)爭(zhēng)臨時(shí)簇首, 如載波偵聽多路訪問(CSMA)等。其方法可以是閱讀器先進(jìn)行信道監(jiān)聽, 一旦確認(rèn)周圍沒有閱讀器工作, 則發(fā)送簇首競(jìng)爭(zhēng)命令競(jìng)爭(zhēng)臨時(shí)簇首; 競(jìng)爭(zhēng)成功的閱讀器發(fā)送消息通知相鄰的閱讀器, 確立其簇首地位; 競(jìng)爭(zhēng)失敗的閱讀器接收到臨時(shí)簇首的通知消息后, 成為通信小組的受控閱讀器, 受控于臨時(shí)簇首。從閱讀器到臨時(shí)簇首的角色變化是在基于閱讀器通信需求的公平競(jìng)爭(zhēng)原則下進(jìn)行的, 只有存在通信需求的閱讀器才會(huì)參與競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)通信小組內(nèi)的所有閱讀器(包括簇首)通信結(jié)束后, 臨時(shí)簇首的地位將自動(dòng)喪失。待下一輪通信開始時(shí), 所有閱讀器根據(jù)通信需求, 重新競(jìng)爭(zhēng)簇首。算法的階段設(shè)

33、計(jì)算法的階段設(shè)計(jì)算法階段設(shè)計(jì)具體如下：(1)競(jìng)爭(zhēng)階段該階段的目標(biāo)是閱讀器通過競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生簇首。競(jìng)爭(zhēng)階段的具體步驟如下：1)在標(biāo)簽進(jìn)入電磁場(chǎng)區(qū)域后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，并被激活。2)有通信請(qǐng)求的閱讀器采用CSMA/CA 機(jī)制監(jiān)聽信道。若信道空閑，則自由競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生簇首；若信道繁忙則等待到空閑時(shí)再競(jìng)爭(zhēng)。3)競(jìng)爭(zhēng)成功的閱讀器成為簇首，發(fā)送信息通知周圍的閱讀器，確定其簇首地位；競(jìng)爭(zhēng)失敗的閱讀器接收到來自簇首的消息后，成為受控閱讀器，與簇首一起構(gòu)成一個(gè)通信小組。(2)預(yù)約階段該階段的目標(biāo)是在盡量短的時(shí)間內(nèi)獲取當(dāng)前閱讀器時(shí)隙分配的碰撞信息，以此控制下階段的無碰撞通信。預(yù)約階段的步驟如下：1)簇首的碰撞值初始

34、化為0，休眠度初始化為0(待命態(tài))，各受控閱讀器休眠度初始化為1(半休眠態(tài))。2)簇首發(fā)送預(yù)約命令Reservation(1, Nc)。3)受控閱讀器從預(yù)約范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙Ni 作為自己的時(shí)隙號(hào)并返回給簇首。4)簇首檢測(cè)回復(fù)的時(shí)隙預(yù)約情況。若碰撞時(shí)隙個(gè)數(shù)0，則簇首的碰撞值置1，并根據(jù)碰撞時(shí)隙預(yù)估計(jì)出下次預(yù)約的順序號(hào)范圍(如1, Nc)；否則，置0。5)根據(jù)回復(fù)情況，簇首選出正確時(shí)隙，依次排成一個(gè)通信順序表(如1, 3, 6, 9)。簇首判斷此時(shí)的碰撞值，若為0，則將自己的通信順序定義為0，加到順序表中，形成新的通信順序表(如0, 1, 3, 6, 9)。6)預(yù)約成功的閱讀器休眠度加1，轉(zhuǎn)

35、為待命態(tài)，進(jìn)入階(3)；否則，仍為半休眠態(tài)，等待下次預(yù)約命令的到來。(3)傳輸階段該階段的目標(biāo)是利用預(yù)約階段獲得的碰撞信息，控制選取正確時(shí)隙的閱讀器進(jìn)行通信，以完全避免信號(hào)碰撞。傳輸階段的工作過程如下：1)簇首將階段(2)的通信順序表發(fā)送給各受控閱讀器(如0, 1, 3, 6, 9)，只有預(yù)約成功的閱讀器接收(其他閱讀器已進(jìn)入半休眠態(tài)，故不響應(yīng))。2)各受控閱讀器判斷自己的預(yù)約順序號(hào)Ni 在通信順序表中的位置，并按表中的順序，各閱讀器的休眠計(jì)數(shù)器從0 開始依次加1。3)休眠計(jì)數(shù)器為0 的閱讀器開始通信，通信順序表中的其他閱讀器(休眠計(jì)數(shù)1)處于休眠態(tài)。4)獲得此次通信占有權(quán)的閱讀器開始與讀取范

36、圍內(nèi)的標(biāo)簽通信。5)當(dāng)前通信結(jié)束后，發(fā)送通信結(jié)束命令，進(jìn)入去活態(tài)，不再響應(yīng)閱讀器任何命令；收到此命令的其他閱讀器休眠度均減1。返回到過程(3)。6)一輪通信結(jié)束后，簇首判斷碰撞值。若為1，則返回階段(2)，繼續(xù)新一輪預(yù)約；若為0，則通信結(jié)束。根據(jù)上述設(shè)計(jì)描述，可知該算法中閱讀器碰撞只發(fā)生在預(yù)約階段，因此，選取恰當(dāng)?shù)念A(yù)約階段長(zhǎng)度，在理想信道情況下將會(huì)完全消除碰撞，從而極大地提高系統(tǒng)效率。在傳輸階段的每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，只有收發(fā)閱讀器活躍，其他受控閱讀器進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而降低了能量消耗。假設(shè)當(dāng)前通信小組內(nèi)有 Nr 個(gè)閱讀器，預(yù)約序號(hào)的選擇范圍為1, Nc(不包括簇首的順序號(hào))。有M 個(gè)受控閱讀器預(yù)約同一順

37、序號(hào)的概率服從二項(xiàng)分布： （1）其中，當(dāng) M =1時(shí)，P1 表示閱讀器選擇正確時(shí)隙的概率，則預(yù)約成功的閱讀器數(shù)目E 為： （2）系統(tǒng)的通信效率 e 定義如下 （3） 其中，L1 表示競(jìng)爭(zhēng)階段時(shí)隙的長(zhǎng)度；L2 表示閱讀器預(yù)約時(shí)隙的長(zhǎng)度；L3 表示閱讀器與標(biāo)簽通信時(shí)隙的長(zhǎng)度。由式(2)和式(3)可得： （4）其中，令： 由式(4)可以看出，要使系統(tǒng)效率最大化，需要最小化的值。因此，在閱讀器的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙L1 和通信讀取時(shí)隙L3 一定的情況下，應(yīng)盡量減小L2 的值從而提高系統(tǒng)效率。由文獻(xiàn)6可知，若RFID 系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼來判別碰撞位，可在若干比特內(nèi)完成預(yù)約過程的碰撞檢測(cè)，從而縮短L2。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)

38、前的Nr 選擇合適的Nc，可對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)一步優(yōu)化。于是有 對(duì)Nr 求導(dǎo)： 由式(5)可得，系統(tǒng)效率最優(yōu)時(shí)，Nc 與Nr 滿足以下關(guān)系： （6） 泰勒級(jí)數(shù)展開，有： Nc Nr+1 Nr (7) 算法的系統(tǒng)效率與預(yù)約時(shí)隙數(shù) Nc 的選擇有關(guān)。若Nc 遠(yuǎn)小于Nr 時(shí)，會(huì)增加碰撞的概率；而Nc 遠(yuǎn)大于Nr 時(shí)，又會(huì)造成時(shí)隙浪費(fèi)。由上述理論可知，當(dāng)Nc 與Nr 接近相同時(shí)，可優(yōu)化系統(tǒng)效率。圖 2 給出在不同k 和Nc 下，系統(tǒng)效率隨Nr 變化的曲線。由圖2 可知，當(dāng)Nc 與Nr 滿足式(7)關(guān)系時(shí)，系統(tǒng)效率達(dá)到峰值；隨著k 的增大，系統(tǒng)可以達(dá)的最大效率逐漸升高。由上述分析可知，通過縮短預(yù)約過程的長(zhǎng)度L

39、2以及選擇最佳的Nc 可使系統(tǒng)效率最優(yōu)化。但是，在實(shí)際系統(tǒng)中，組內(nèi)受控閱讀器數(shù)目Nr 通常是未知的，而Nc 的確定依賴于Nr的估計(jì)值，因此，快速準(zhǔn)確地估計(jì)出Nr，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。 圖圖2 2 參數(shù)參數(shù)k k 和和Nc Nc 對(duì)系統(tǒng)效率的影響對(duì)系統(tǒng)效率的影響 本文采用 Lowbound 算法，當(dāng)簇首發(fā)送預(yù)約命令后，根據(jù)組內(nèi)各受控閱讀器回復(fù)的時(shí)隙情況進(jìn)行閱讀器數(shù)目的估計(jì)。假設(shè)時(shí)隙數(shù)目分別為空閑時(shí)隙 、正確時(shí)隙 和碰撞時(shí)隙 。由于碰撞時(shí)隙中至少有2 個(gè)閱讀器，因此發(fā)生碰撞的閱讀器最少為2 個(gè)，那么可以得到通信小組中的受控閱讀器數(shù)目C 為：C= +2 (8)式(8)結(jié)果為受控閱讀器數(shù)目的下界。為了進(jìn)一步精確估計(jì)值，對(duì)其進(jìn)行修正，得到新的估計(jì)值： (9)其中， 為經(jīng)驗(yàn)修正參數(shù)，通常取值為58。由式(9)估計(jì)出內(nèi)受控閱讀器的數(shù)目Nr，再由式(7)獲得下次預(yù)約順序號(hào)的范圍為1,Nc，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作效率。0C1CNCNC0CNC CNr算法仿真PULSE 算法是調(diào)度方式中總體性能評(píng)價(jià)較好的算法，接下來在Matlab 平臺(tái)上對(duì)本文算法與PULSE 算法的系統(tǒng)效率進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真的場(chǎng)景設(shè)置為200 m200 m 的區(qū)域，閱讀器的讀取半徑為4 m，在區(qū)域