MIMO型RFID的傳感標(biāo)簽盲源分離防碰撞算法

劉東洋， 佐 磊， 何怡剛， 尹 強(qiáng)， 李 亞

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

MIMO型RFID的傳感標(biāo)簽盲源分離防碰撞算法

劉東洋， 佐 磊， 何怡剛， 尹 強(qiáng)， 李 亞

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

針對(duì)傳感標(biāo)簽密集的多輸入多輸出型射頻識(shí)別(MIMO-RFID)系統(tǒng)中標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)導(dǎo)致一系列的碰撞問題，提出了一種并行識(shí)別傳感標(biāo)簽的欠定盲分離的防碰撞算法(BFast-ICA)。在快速獨(dú)立分量分析(Fast-ICA)算法的基礎(chǔ)上，采用更高階次的迭代方法，實(shí)現(xiàn)碰撞傳感標(biāo)簽信號(hào)的欠定盲分離。在分離性能和吞吐量兩個(gè)方面進(jìn)行性能仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)的防碰撞算法能夠更快地分離傳感標(biāo)簽信號(hào)；在閱讀器天線數(shù)目相同的情況下，最大吞吐量比當(dāng)前的盲分離標(biāo)簽防碰撞算法提高了40 %以上。

多輸入多輸出型射頻識(shí)別； 傳感標(biāo)簽； 防碰撞； 欠定盲源分離； 快速獨(dú)立分量分析

0 引 言

無源射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)[1]是一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它以空間電磁波作為傳輸介質(zhì),達(dá)到雙向通信、自動(dòng)識(shí)別的目的。電子標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其工作環(huán)境也越來越惡劣，將標(biāo)簽與傳感器(溫度、濕度、壓力、加速度等)融合構(gòu)成的傳感標(biāo)簽可以提高傳統(tǒng)標(biāo)簽的感知和自動(dòng)識(shí)別能力。當(dāng)前大多RFID系統(tǒng)的應(yīng)用都屬于標(biāo)簽密集型應(yīng)用，讀寫器作用范圍內(nèi)有多個(gè)未識(shí)別的標(biāo)簽,當(dāng)讀寫器發(fā)出查詢指令后,每個(gè)標(biāo)簽都會(huì)做出響應(yīng)。此時(shí),所有標(biāo)簽的同時(shí)響應(yīng)將產(chǎn)生標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞，導(dǎo)致閱讀器不能正確識(shí)別標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

已有很多研究者對(duì)標(biāo)簽的碰撞問題進(jìn)行了討論，常用的RFID標(biāo)簽防碰撞算法有兩類，一類是基于Aloha技術(shù)的隨機(jī)性防碰撞算法[2]，另一類是基于二進(jìn)制樹搜索技術(shù)的確定性防碰撞算法[3]。這兩類防碰撞算法的目的都是縮小標(biāo)簽響應(yīng)范圍，最終使同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)標(biāo)簽對(duì)閱讀器的查詢命令做出響應(yīng)。這兩種方法都在多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)系統(tǒng)中使用過[4～6]，閱讀器和標(biāo)簽之間需要多次協(xié)調(diào)通信，使得單標(biāo)簽識(shí)別時(shí)間加長，閱讀器的標(biāo)簽識(shí)別率降低，且會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的漏讀現(xiàn)象。

現(xiàn)有的RFID防碰撞技術(shù)，一般要求閱讀器天線個(gè)數(shù)不少于標(biāo)簽數(shù)目[7]，然而在MIMO型RFID中，會(huì)導(dǎo)致較高的硬件要求和復(fù)雜度。鑒此，本文提出了一種基于欠定盲分離的多標(biāo)簽防碰撞算法[8]，該算法在分析實(shí)際通信中閱讀器天線數(shù)目小于標(biāo)簽數(shù)目基礎(chǔ)上，建立了多標(biāo)簽碰撞的欠定盲源分離通信模型，用欠定盲源分離的方法處理標(biāo)簽的碰撞問題。

1 MIMO-RFID傳感標(biāo)簽碰撞模型

當(dāng)閱讀器上安裝多個(gè)天線，同時(shí)通信的每個(gè)傳感標(biāo)簽也具有各自的天線，以此構(gòu)成MIMO系統(tǒng)通信模型[9]。圖1為MIMO的RFID系統(tǒng)模型。

圖1 MIMO-RFID系統(tǒng)原理

圖1中,當(dāng)傳感標(biāo)簽信號(hào)同時(shí)到達(dá)閱讀器時(shí)，發(fā)生了標(biāo)簽碰撞，設(shè)此時(shí)傳感標(biāo)簽反射的信號(hào)可以表示為S=[s1，…，si，…，sn]T，其中,0≤i≤n，i為第i個(gè)標(biāo)簽天線發(fā)出的信號(hào)；閱讀器接收到信號(hào)可以表示為X=[x1，…，xj，…，xm]T，其中,0≤j≤m，j為第j個(gè)天線接收的信號(hào)。

1.1 盲源分離單元

盲源分離是根據(jù)觀測(cè)信號(hào)來分離出位置信號(hào)的處理過程，簡化盲信號(hào)處理模型如圖2所示。

圖2 盲信號(hào)處理模型

X=AS+E

(1)

式中ai=[aj1,aj2，…,ajm]為天線接收信號(hào)xj相對(duì)于各傳感標(biāo)簽信號(hào)的混合系數(shù)，即

(2)

Y=WX

(3)

式中wi=[wi1，…，wij，…，wim],0≤i≤n，為相對(duì)于混合信號(hào)X的解混系數(shù)，即

(4)

2 防碰撞算法

基于以上分析,本文采用了一種解決欠定情況下的多標(biāo)簽碰撞的算法，即基于智能天線技術(shù)的欠定盲分離算法。

解決盲源問題，使得新向量X的各個(gè)分量互不相關(guān)，白化是一個(gè)重要步驟，假設(shè)一個(gè)線性白化矩陣

(5)

令

z=Q·x

式中DsS為以協(xié)方差矩陣Rx=E[x·xH]的特征值為對(duì)角元素的對(duì)角陣；Es為以協(xié)方差矩陣Rx相應(yīng)特征向量為列的矩陣,則輸出為

(6)

式中wi為W的列向量；上標(biāo)H為共軛轉(zhuǎn)置；yi為第i個(gè)估計(jì)信號(hào)。

2.1 基于負(fù)熵判據(jù)的快速獨(dú)立分量分析算法

快速獨(dú)立分量分析(fast independent component analysis,Fast-ICA)算法[11]是一種基于固定點(diǎn)(fixed-point)迭代理論來尋求非高斯性最大值的方法[12]。由中心極限定理可知,非高斯性可以作為隨機(jī)信號(hào)相互依賴的度量,所以當(dāng)非高斯性達(dá)到最大時(shí),表明已完成對(duì)各獨(dú)立分量的分離。由信息論可知負(fù)熵可以度量信號(hào)的非高斯程度,因此,采用負(fù)熵作為獨(dú)立性判據(jù),可以從觀測(cè)信號(hào)中分離出獨(dú)立分量。

對(duì)于一概率密度函數(shù)為p(y)的隨機(jī)變量y,負(fù)熵定義為

J(y)=H(yGauss)-H(y)

(7)

(8)

然而,使用負(fù)熵所遇到的問題使計(jì)算非常困難，因此,對(duì)其取近似

J(y)∞[E{G(y)}-E{G(yGauss)}]2

(9)

式中yGauss為具有與y相同方差的高斯變量;G為任意的非二次函數(shù)，分量y的非高斯性越強(qiáng)，E{G(y)}的值越大，負(fù)熵J(y)越大，對(duì)輸入測(cè)量信號(hào)X預(yù)處理后，依據(jù)負(fù)熵判據(jù)，尋找矩陣W使負(fù)熵最大。

設(shè)i時(shí)刻輸入變量z的分量zi，則由牛頓迭代定理式可得i+1時(shí)刻變量z的分量為

(10)

(11)

(12)

2.2 改進(jìn)的FastICA算法

要解決欠定狀態(tài)下的盲源分離問題，傳感標(biāo)簽天線數(shù)遠(yuǎn)大于天線數(shù)時(shí)需要分離出大量的碰撞信號(hào)。Fast-ICA算法是二階收斂的，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時(shí)，其收斂速度不是很快，消耗大量時(shí)間[13]。因此，在原Fast-ICA算法的基礎(chǔ)上，采用三階牛頓迭代算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)式(10)進(jìn)行修正，使之滿足3階收斂，以提高其收斂速度，修正形式為

(13)

由式(10)～式(12)可推得改進(jìn)的Fast-ICA算法的分離矩陣為

(14)

修正直到wi收斂，可以確保估計(jì)不同源信號(hào)。

3 算法性能分析

3.1 分離特性

為驗(yàn)證本文算法BFast-ICA對(duì)RFID 的MIMO系統(tǒng)防碰撞分離的可行性，假設(shè)3個(gè)傳感標(biāo)簽對(duì)其進(jìn)行編碼，組成信號(hào)源矩陣S=[s1,s2,s3]T，3個(gè)閱讀器接收天線。對(duì)傳感標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行采樣，得出混合信號(hào)X如圖3所示，由圖可知混合信號(hào)發(fā)生了嚴(yán)重的沖突。

圖3 混合信號(hào)

對(duì)該混合信號(hào)運(yùn)用上述方法進(jìn)行處理，經(jīng)解混以后求得信號(hào)源S的估計(jì)Y，如圖4所示。

圖4 估計(jì)信號(hào)

通過觀察發(fā)現(xiàn):本算法的分離性能明顯高于ICA算法，且準(zhǔn)確性更高，Y1相似于s1，Y2相似于s3，Y3相似于s2。算法識(shí)別后傳感標(biāo)簽數(shù)據(jù)的次序發(fā)生了改變，但是不影響數(shù)據(jù)的完整性。而實(shí)際情況，只要求能夠準(zhǔn)確分離出信號(hào)。本文所提的算法可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽的并行數(shù)據(jù)正確識(shí)別,如圖5。

圖5 源信號(hào)

3.2 吞吐量分析

假設(shè)當(dāng)前傳感標(biāo)簽數(shù)量為n，幀長為L。每一個(gè)傳感標(biāo)簽隨機(jī)在L個(gè)時(shí)隙中選擇一個(gè)時(shí)隙響應(yīng)讀寫器的查詢指令，則每個(gè)傳感標(biāo)簽選擇某一個(gè)時(shí)隙的概率為1/L，于是某一個(gè)時(shí)隙被r個(gè)傳感標(biāo)簽選擇的概率為

(15)

在一個(gè)幀時(shí)隙中，傳感標(biāo)簽數(shù)目為0的概率

(16)

則一幀時(shí)隙中傳感標(biāo)簽數(shù)不為0的概率為

(17)

分離這些傳感標(biāo)簽所需要的總查詢數(shù)N為

(18)

研究n>m的MIMO模型，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功識(shí)別標(biāo)簽的個(gè)數(shù)r≤m，則一個(gè)標(biāo)簽在一幀內(nèi)被成功識(shí)別的概率為

(19)

在幀長為L情況下，成功識(shí)別的傳感標(biāo)簽數(shù)的期望

(20)

則系統(tǒng)吞吐率表示為

(21)

吞吐率的大小與閱讀器天線的數(shù)目有關(guān)，圖6為當(dāng)閱讀器天線數(shù)目不同時(shí)，應(yīng)用該算法的吞吐率與傳感標(biāo)簽數(shù)目的關(guān)系圖，其中,幀的大小L=256，顯然,當(dāng)識(shí)別的傳感標(biāo)簽數(shù)目相同時(shí)，閱讀器天線越多系統(tǒng)吞吐率越大。

圖6 閱讀器數(shù)目與吞吐率的關(guān)系

通過上述分析，圖7給出本文所提算法與ICA-FSA及改進(jìn)的Fast-ICA算法的吞吐量比較，其中,閱讀器天線數(shù)目為m=5，幀時(shí)隙為256，比較結(jié)果可以看出:該算法吞吐率遠(yuǎn)大于ICA-FSA算法和Fast-ICA算法的吞吐率，并且在同一時(shí)隙內(nèi)吞吐量隨著傳感標(biāo)簽數(shù)目的增加越來越高，當(dāng)傳感標(biāo)簽繼續(xù)增多時(shí)，碰撞現(xiàn)象越明顯，3種算法吞吐率均有所下降。

圖7 不同算法吞吐率比較

圖8為3種算法查詢次數(shù)的比較圖，選取的幀時(shí)隙L=256，閱讀器個(gè)數(shù)為M=5，仿真結(jié)果顯示：識(shí)別相同數(shù)目的傳感標(biāo)簽，本文提出的BFast-ICA算法明顯快于ICA-FSA算法和Fast-ICA算法，傳感標(biāo)簽越密集算法的優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖8 3種算法查詢次數(shù)比較

4 結(jié) 論

提出了盲分離的MIMO-RFID系統(tǒng)防碰撞(BFast-ICA)算法，通過運(yùn)用BFast-ICA算法，使MIMO-RFID模型實(shí)現(xiàn)盲源分離;通過合理的時(shí)隙數(shù)選擇，使每一時(shí)隙內(nèi)發(fā)生碰撞的傳感標(biāo)簽數(shù)小于或等于閱讀器的天線數(shù)，滿足使用ICA算法的條件。仿真結(jié)果表明：BFast-ICA算法能夠準(zhǔn)確分離出信號(hào)，閱讀器識(shí)別效率高，可根據(jù)傳感標(biāo)簽數(shù)目的多少，適當(dāng)選擇幀時(shí)隙的大小。BFast-ICA算法的標(biāo)簽識(shí)別率遠(yuǎn)高于ICA-FSA標(biāo)簽防碰撞算法及Fast-ICA算法，且用時(shí)較少。在同一時(shí)隙內(nèi)吞吐量隨著傳感標(biāo)簽數(shù)目的增加越來越高，當(dāng)標(biāo)簽繼續(xù)增多時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，算法吞吐率會(huì)有所降低。

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應(yīng)用技術(shù)

Anti-collision algorithm of blind source separation for sensing tag based on MIMO-RFID

LIU Dong-yang, ZUO Lei, HE Yi-gang, YIN Qiang, LI Ya

(School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Aiming at problem of sensing tags collision in multiple input multiple output radio frequency identification(MIMO-RFID)system,a parallelizable identification anti-collision algorithm based on underdetermined blind separation is propsoed.On the basis of fast independent component analysis(Fast-ICA) algorithm,using the iteration method of higher order,to realize underdetermined blind source separation of collision sensing tag signals.Performance simulation of two aspects of separation performance and throughput are carried out.Experimental results show that the proposed anti-collision algorithm can quickly separate sensing tag signals.Under the condition of same number of reader antennas,the algorithm of the maximum throughput than the current blind separation tag anti-collision algorithm improved by more than 40 %.

multiple input multiple output radio frequency identification(MIMO-RFID); sensing tags; anti-collision; underdetermined blind source separation; Fast-ICA

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0153—04

2016—06—28

TN 92

A

1000—9787(2017)09—0153—04

劉東洋(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、無線通信。