一種RFID閱讀器的列表式讀取方式研究

郭雨齊，錢志鴻，白曦源，劉 淼

（1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，130012 長(zhǎng)春;2.中國(guó)科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所，100190 北京）

一種RFID閱讀器的列表式讀取方式研究

郭雨齊1，2，錢志鴻1，白曦源1，劉 淼1

（1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，130012 長(zhǎng)春;2.中國(guó)科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所，100190 北京）

為了提高RFID系統(tǒng)中閱讀器的標(biāo)簽讀取效率，提出了一種列表式讀取方式.通過將閱讀器內(nèi)既定標(biāo)簽群體唯一識(shí)別號(hào)(UID)事先存儲(chǔ)于閱讀器地址列表中，按照一定規(guī)則對(duì)地址列表逐個(gè)鎖定式搜索，完成標(biāo)簽識(shí)別.針對(duì)閱讀器尋呼次數(shù)、傳輸時(shí)延以及系統(tǒng)效率等三個(gè)重要性能指標(biāo)，對(duì)本算法進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明列表式讀取方式較傳統(tǒng)的二進(jìn)制搜索算法性能更具優(yōu)越性.

RFID;列表式讀取方式;二次讀取模式;循環(huán)讀取模式

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在生產(chǎn)、生活、衛(wèi)生醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比較，RFID技術(shù)具有使用壽命長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量大、讀取速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)［1］，而其最突出的特點(diǎn)即為多標(biāo)簽識(shí)別.但閱讀器周圍可有多個(gè)標(biāo)簽存在，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，防碰撞算法應(yīng)運(yùn)而生.目前解決標(biāo)簽碰撞的算法主要有基于二進(jìn)制樹搜索的確定性防碰撞算法和基于ALOHA的不確定性防碰撞算法［2］.閱讀器都需根據(jù)相應(yīng)碰撞規(guī)則對(duì)其識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽逐個(gè)讀取，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量增大時(shí)，該兩種算法都會(huì)產(chǎn)生明顯的系統(tǒng)開銷及時(shí)延［3－4］.傳統(tǒng)的防碰撞思想采取標(biāo)簽主動(dòng)方式，即符合系統(tǒng)規(guī)范的標(biāo)簽一進(jìn)入閱讀器的工作區(qū)域就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送其自身ID，此時(shí)若多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)產(chǎn)生沖突，閱讀器需對(duì)碰撞標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行防碰撞操作.但是閱讀器只能依據(jù)算法中相應(yīng)的運(yùn)算規(guī)則來(lái)決定讀取標(biāo)簽的先后順序，并且防碰撞算法本身的復(fù)雜性也在很大程度上增加了系統(tǒng)開銷［5］.針對(duì)防碰撞算法的不足，本文提出了列表式讀取方式，這是一種新的RFID閱讀器讀取方式，與傳統(tǒng)防碰撞算法不同之處在于列表式讀取方式跳過了防碰撞過程，識(shí)別標(biāo)簽之前閱讀器存儲(chǔ)待讀標(biāo)簽的地址信息，依照地址列表讀取標(biāo)簽，讀取的主動(dòng)權(quán)在于閱讀器.

1 列表式讀取方式

1.1 列表式讀取方式指令原理

讀取操作前，閱讀器內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)所有標(biāo)簽的唯一識(shí)別號(hào)(UID)，形成待讀標(biāo)簽地址列表.讀取時(shí)閱讀器按照地址列表順序?qū)⑺R(shí)別標(biāo)簽的UID插入到REQUEST命令中發(fā)送出去，標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)送的REQUEST指令后，提取出命令中的UID信息與其自身UID信息進(jìn)行比較，若異或運(yùn)算結(jié)果為零則確定該標(biāo)簽為閱讀器的目標(biāo)標(biāo)簽，標(biāo)簽響應(yīng);否則，標(biāo)簽對(duì)閱讀器命令不予理會(huì).

1.2 列表式讀取方式的兩種讀取模式

當(dāng)閱讀器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀取操作時(shí)，閱讀器列表式讀取方式采用兩種模式:二次讀取模式和循環(huán)讀取模式，也可通過將兩種模式混合使用形成嵌套讀取模式.

1)二次讀取模式.若閱讀器存儲(chǔ)器內(nèi)部標(biāo)簽地址列表中待讀標(biāo)簽數(shù)量很大，識(shí)別標(biāo)簽運(yùn)用的算法需盡量減少識(shí)別時(shí)間.二次讀取模式巧妙避免了需反復(fù)讀取同一標(biāo)簽所產(chǎn)生的時(shí)延，當(dāng)?shù)刂妨斜碇械膫€(gè)別標(biāo)簽暫時(shí)未能被成功讀取時(shí)，閱讀器將在內(nèi)存中建立1個(gè)子地址列表，將漏讀的標(biāo)簽地址存放于其中.

當(dāng)閱讀器完成對(duì)地址列表中的所有標(biāo)簽一輪查詢后，將進(jìn)行子地址列表的讀取，讀取操作模式如上所述.若此時(shí)仍不能成功讀取子地址列表內(nèi)全部標(biāo)簽信息，則建立下一層子地址列表，重復(fù)上述過程逐層讀取.

2)循環(huán)讀取模式.對(duì)于循環(huán)讀取模式，如果標(biāo)簽地址列表中出現(xiàn)個(gè)別標(biāo)簽不能被正確識(shí)別，閱讀器將不再按照地址列表順序繼續(xù)向下讀取，而是對(duì)未成功識(shí)別標(biāo)簽反復(fù)讀取直至成功識(shí)別，重復(fù)此操作至地址列表清空.

3)嵌套讀取模式.嵌套讀取模式是將循環(huán)讀取模式嵌入到二次讀取模式中，即對(duì)于二次讀取模式下形成的子地址列表，閱讀器采用多地址循環(huán)讀取模式對(duì)其進(jìn)行識(shí)別.當(dāng)閱讀器對(duì)地址列表中所有標(biāo)簽地址完成一次讀取后，將未識(shí)別的地址提取出來(lái)建立子地址列表，對(duì)子地址列表閱讀器將從首地址到末地址采取循環(huán)讀取模式進(jìn)行讀取，標(biāo)簽成功識(shí)別后，將其地址從子地址列表中刪除，反復(fù)操作直至子地址列表清空.

2 算法分析

為了證明列表式讀取方式性能的優(yōu)越性，本文采用Matlab仿真軟件，針對(duì)閱讀器尋呼次數(shù)、傳輸時(shí)延及系統(tǒng)效率3個(gè)重要性能指標(biāo)對(duì)本算法進(jìn)行仿真分析，并與工作方式機(jī)理基本一致的二進(jìn)制搜索算法做性能比較.

2.1 閱讀器尋呼次數(shù)分析

對(duì)于閱讀器列表式讀取方式，當(dāng)需要讀取地址列表中單個(gè)標(biāo)簽時(shí)，閱讀器只需發(fā)送1個(gè)插入該標(biāo)簽 UID的 REQUEST(UID)命令即可，待識(shí)別標(biāo)簽響應(yīng)并附帶自身的UID，其他標(biāo)簽不作響應(yīng).

1)列表式讀取方式.在閱讀器列表式讀取方式中，閱讀器發(fā)送的尋呼命令次數(shù)與標(biāo)簽數(shù)目無(wú)關(guān)，尋呼次數(shù)TlN(N)應(yīng)始終為1，即

所以當(dāng)閱讀器需要對(duì)自身工作區(qū)域內(nèi)所有N個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)需要的尋呼命令次數(shù)TlN(N)為 N，即

該式為閱讀器讀取范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)目有限，且在時(shí)間允許范圍內(nèi)可對(duì)全部標(biāo)簽成功識(shí)別的情況.當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目很大，如對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的二代身份證進(jìn)行識(shí)別，即標(biāo)簽數(shù)目可達(dá)十幾億時(shí)，與本結(jié)論并不沖突.

2)二進(jìn)制搜索算法.對(duì)于二進(jìn)制搜索算法，閱讀器要識(shí)別其讀寫范圍內(nèi)N個(gè)標(biāo)簽中某一個(gè)標(biāo)簽所需發(fā)送的尋呼次數(shù)［6］為

閱讀器對(duì)該標(biāo)簽成功識(shí)別后，將會(huì)發(fā)送1個(gè)去活命令，標(biāo)簽接收到命令后進(jìn)入等待狀態(tài)，對(duì)于閱讀器以后發(fā)來(lái)的命令不予響應(yīng)，即該標(biāo)簽將不會(huì)參與下一輪的防碰撞操作.當(dāng)閱讀器需要對(duì)工作區(qū)域內(nèi)的全部N個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)，閱讀器所要發(fā)送的尋呼次數(shù)應(yīng)為

3)閱讀器尋呼命令數(shù)仿真分析.當(dāng)閱讀器需要對(duì)其讀取范圍內(nèi)全部N個(gè)標(biāo)簽中單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)，所需發(fā)送的尋呼命令次數(shù)仿真分析如圖1所示.

從圖可知，二進(jìn)制搜索算法的閱讀器尋呼次數(shù)曲線呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，閱讀器發(fā)送的尋呼命令次數(shù)會(huì)隨著標(biāo)簽數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng).然而閱讀器列表式讀取方式的尋呼次數(shù)恒定為1，不因標(biāo)簽數(shù)變化而變化.

圖1 識(shí)別單個(gè)標(biāo)簽時(shí)仿真結(jié)果對(duì)比

當(dāng)閱讀器需要識(shí)別其工作范圍內(nèi)全部N個(gè)標(biāo)簽時(shí)，所需發(fā)送的尋呼命令次數(shù)仿真分析如圖2所示.

圖2 識(shí)別全部標(biāo)簽時(shí)仿真結(jié)果對(duì)比

由圖可知，對(duì)于兩種算法雖然閱讀器發(fā)送尋呼命令次數(shù)都會(huì)隨著標(biāo)簽數(shù)量增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但二進(jìn)制搜索算法的增長(zhǎng)趨勢(shì)更加顯著，因此列表式讀取方式優(yōu)越性更為明顯.

2.2 系統(tǒng)傳輸時(shí)延分析

對(duì)于閱讀器而言，其命令數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要遠(yuǎn)大于相關(guān)命令處理時(shí)間，因此，將命令數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間［7］作為分析RFID系統(tǒng)傳輸時(shí)延的主要因素.因系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率恒定，所以傳輸時(shí)延取決于閱讀器發(fā)出尋呼的次數(shù)和每次發(fā)送尋呼的UID傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(以比特為單位).

對(duì)于兩種算法，閱讀器與標(biāo)簽間的請(qǐng)求命令和應(yīng)答命令的數(shù)據(jù)幀首尾都要有1個(gè)5個(gè)比特位長(zhǎng)度的空閑，分別命名為幀頭與幀尾.而且，閱讀器接收到標(biāo)簽回傳UID的環(huán)節(jié)中，處理數(shù)據(jù)校驗(yàn)位要花掉1個(gè)比特時(shí)間.而當(dāng)目標(biāo)標(biāo)簽返回響應(yīng)時(shí)，閱讀器記錄其唯一識(shí)別號(hào)信息還需要2個(gè)比特時(shí)間.成功識(shí)別該標(biāo)簽后會(huì)發(fā)送1個(gè)帶有該標(biāo)簽UID的去活命令，使其進(jìn)入等待狀態(tài).

若閱讀器工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量為N，標(biāo)簽的唯一識(shí)別號(hào)(UID)長(zhǎng)度為k比特.可知，閱讀器與標(biāo)簽一次通信所要消耗的比特時(shí)間L0為

對(duì)列表式讀取方式而言，當(dāng)閱讀器需要讀取其工作區(qū)域內(nèi)的單個(gè)標(biāo)簽時(shí)，由式(1)可知，閱讀器發(fā)送尋呼命令次數(shù)為1，即系統(tǒng)內(nèi)閱讀器與標(biāo)簽需發(fā)送的比特長(zhǎng)度Ll1(N)為L(zhǎng)l1(N)=2k+23.

當(dāng)需讀取全部N個(gè)標(biāo)簽時(shí)，由式(2)可得閱讀器需要發(fā)出N次尋呼命令，即需要發(fā)送的比特長(zhǎng)度LlN(N)為

而二進(jìn)制搜索算法中［8］，當(dāng)閱讀器需要對(duì)其工作區(qū)域內(nèi)某1個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)，由式(3)可得，閱讀器發(fā)送的尋呼命令數(shù)為Tb1(N)，則所要發(fā)送的比特長(zhǎng)度Lb1(N)為

當(dāng)需識(shí)別所有標(biāo)簽時(shí)，由式(4)可知，閱讀器發(fā)送的尋呼命令數(shù)為TbN(N)，則所要發(fā)送的比特長(zhǎng)度LbN(N)為

若所傳的比特位已知，系統(tǒng)的比特位數(shù)除以碼元速率即為傳輸時(shí)延.設(shè)閱讀器的碼元速率為v=50 kbit/s，標(biāo)簽UID的長(zhǎng)度k為64 bit，標(biāo)簽數(shù)為N.

1)閱讀器列表式讀取方式.若閱讀器讀取范圍內(nèi)存在N個(gè)標(biāo)簽，列表式讀取方式讀取單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)的系統(tǒng)傳輸時(shí)延τl1為

對(duì)全部標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)的系統(tǒng)傳輸時(shí)延τlN為

2)二進(jìn)制搜索算法.對(duì)于二進(jìn)制搜索算法，當(dāng)閱讀器需要對(duì)其閱讀范圍內(nèi)N個(gè)標(biāo)簽中的某一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)，系統(tǒng)傳輸時(shí)延τb1為

對(duì)于二進(jìn)制搜索算法，當(dāng)閱讀器需要對(duì)其讀取范圍內(nèi)全部N個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)傳輸時(shí)延 τbN為

3)系統(tǒng)傳輸時(shí)延仿真分析.假設(shè)閱讀器讀取范圍內(nèi)存在N個(gè)標(biāo)簽，讀取單個(gè)標(biāo)簽時(shí)兩種算法的系統(tǒng)傳輸時(shí)延的仿真分析比較如圖3所示.

圖3 識(shí)別單個(gè)標(biāo)簽仿真結(jié)果對(duì)比

從圖3可以看出，提出的讀取方式系統(tǒng)傳輸時(shí)延為定值3 ms，即識(shí)別單個(gè)標(biāo)簽的傳輸時(shí)延與閱讀器工作范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量無(wú)關(guān).而二進(jìn)制搜索算法的傳輸時(shí)延隨著橫軸標(biāo)簽數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在標(biāo)簽數(shù)目為0～10的范圍內(nèi)，增長(zhǎng)幅度最為明顯，以后呈平緩增長(zhǎng)趨勢(shì).

對(duì)讀取范圍內(nèi)全部N個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)，兩種算法的系統(tǒng)傳輸時(shí)延仿真分析比較如圖4所示.

圖4 識(shí)別全部N個(gè)標(biāo)簽仿真結(jié)果對(duì)比

由圖4可知，無(wú)論二進(jìn)制搜索算法還是閱讀器列表式讀取方式，其系統(tǒng)傳輸時(shí)延都會(huì)隨著閱讀器讀取范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的增加而有所增加，但顯然列表式讀取方式較二進(jìn)制搜索算法上升幅度遲緩，在標(biāo)簽數(shù)目為150個(gè)時(shí)，列表式讀取方式系統(tǒng)傳輸時(shí)延為500 ms，而二進(jìn)制搜索算法達(dá)到2 000 ms，時(shí)延為列表式的4倍.可見標(biāo)簽數(shù)量增大時(shí)，閱讀器列表式讀取方式優(yōu)勢(shì)性更為明顯.

2.3 系統(tǒng)效率分析

由閱讀器發(fā)送尋呼命令次數(shù)的仿真圖可知，閱讀器發(fā)送尋呼命令的次數(shù)會(huì)隨其讀取范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，即閱讀器成功識(shí)別標(biāo)簽效率下降.列表式讀取方式與二進(jìn)制搜索算法的系統(tǒng)效率［9］分析比較如下.

1)列表式讀取方式.對(duì)于列表式讀取方式，閱讀器要對(duì)其讀取范圍內(nèi)N個(gè)標(biāo)簽中的某一個(gè)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)效率El1可以表示為

當(dāng)需識(shí)別全部N個(gè)標(biāo)簽時(shí)，列表式讀取方式的系統(tǒng)效率ElN為

2)二進(jìn)制搜索算法.若閱讀器讀取范圍內(nèi)存在N個(gè)標(biāo)簽，當(dāng)需識(shí)別單個(gè)標(biāo)簽時(shí)，二進(jìn)制搜索算法系統(tǒng)效率Eb1可以表示為

當(dāng)需識(shí)別其讀取范圍內(nèi)的全部N個(gè)標(biāo)簽時(shí)，二進(jìn)制搜索算法的系統(tǒng)效率EbN為

3)系統(tǒng)效率仿真分析.若閱讀器工作區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽數(shù)目為N個(gè)，當(dāng)閱讀器需要對(duì)其中某一個(gè)進(jìn)行讀取時(shí)，系統(tǒng)效率的仿真如圖5所示.

圖5 識(shí)別單個(gè)標(biāo)簽仿真結(jié)果對(duì)比

由圖5可知，識(shí)別閱讀器讀取范圍內(nèi)單個(gè)標(biāo)簽時(shí)二進(jìn)制搜索算法的系統(tǒng)效率呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì).標(biāo)簽數(shù)量在0～10范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率直線下降，隨著標(biāo)簽數(shù)量逐漸增多，下降幅度將有所緩解，但仍一直呈下降趨勢(shì).而對(duì)于列表式讀取方式，系統(tǒng)效率始終為100%.

當(dāng)閱讀器需要識(shí)別所有標(biāo)簽時(shí)，系統(tǒng)的效率仿真分析如圖6所示.從圖可知，二進(jìn)制搜索算法的系統(tǒng)效率與標(biāo)簽數(shù)目成負(fù)相關(guān)，即標(biāo)簽數(shù)量上升，系統(tǒng)效率隨之下降，而列表式讀取方式的系統(tǒng)效率恒定為100%.因此，系統(tǒng)效率方面列表式讀取方式優(yōu)于二進(jìn)制搜索算法.

圖6 識(shí)別全部N個(gè)標(biāo)簽仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

列表式讀取方式省去了傳統(tǒng)防碰撞算法中復(fù)雜的防碰撞過程，利用二次讀取方式、循環(huán)讀取方式或嵌套讀取方式對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，通過仿真實(shí)驗(yàn)分析得出本算法在閱讀器尋呼次數(shù)、系統(tǒng)傳輸時(shí)延以及系統(tǒng)效率3個(gè)重要的性能指標(biāo)上都明顯優(yōu)于二進(jìn)制搜索算法.尤其是在圖書館開放式書架管理以及倉(cāng)儲(chǔ)管理等需查詢某一特定標(biāo)簽的特殊應(yīng)用環(huán)境下凸顯其靈活便捷性［10－11］.但對(duì)于閱讀器列表式讀取方式，一方面因其跳過防碰撞算法，不能靈活應(yīng)對(duì)閱讀器讀取范圍內(nèi)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與閱讀器通信的狀況;另一方面因其識(shí)別主動(dòng)權(quán)不在標(biāo)簽，而在閱讀器，只有地址信息存放于閱讀器內(nèi)部存儲(chǔ)器的標(biāo)簽才能被識(shí)別，所以相應(yīng)的其應(yīng)用范圍也將受到一定的限制.因此列表式讀取方式并不能完全地取代傳統(tǒng)的讀取方式，在實(shí)際中應(yīng)該將兩種不同思想的讀取方式結(jié)合起來(lái)，使應(yīng)用更加靈活高效.

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UID-listed reading mode of RFID reader

GUO Yu-qi1，2，QIAN Zhi-hong1，BAI Xi-yuan1，LIU Miao1

(1.School of Communication Engineering，Jilin University，130025 Changchun，China;2.Institute of Policy and Management，Chinese Academy of Sciences，100190 Beijing，China)

In order to improve the RFID system read efficiency，a reading mode named UID-Listed Reading Mode is proposed.With putting the UID of tags to be identified into the address list of a RFID reader，which was formed in advance，the address list would be tracked and searched until all of the tags were identified one by one，according to certain rules.To prove the strong points of the UID-Listed reading mode proposed，query times，transmission delay and system efficiency were simulated，and then contrasted with the Binary Search Algorithm，which had similar operation principle with proposed reading mode.The consequences of simulation indicate that the UID-Listed reading mode turns out to be better than the classical binary search algorithm.

RFID;UID-Listed reading mode;second read mode;circulation read mode

TN92

A

0367－6234(2012)11－0096－05

2012－04－18.

國(guó)家自然科學(xué)基金(60940010，61071073)和教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20090061110043)資助課題.

郭雨齊(1979—)，女，博士研究生;

錢志鴻(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

錢志鴻，dr.qzh@163.com.

(編輯 張 宏)