基于RFID的時分標(biāo)簽到標(biāo)簽干擾抑制技術(shù)

孫光浩+劉丹青+王永鑒

1研究背景

射頻識別（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，通過捕獲有意義的數(shù)據(jù)來跟蹤和共享信息，有助于將物理對象的狀態(tài)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。它已經(jīng)成為涵蓋資產(chǎn)管理，供應(yīng)鏈和施工等廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。RFID系統(tǒng)由閱讀器（詢問器），標(biāo)簽（應(yīng)答器）和中間件軟件組成，可幫助使用RF信號從標(biāo)簽到讀取器的數(shù)據(jù)處理。標(biāo)簽根據(jù)其功能被分類為被動，半無源和主動。由于無源標(biāo)簽沒有配備電源，因此需要來自讀取器的能量才能發(fā)回包含其ID信息的重新調(diào)制信號?；诜聪蛏⑸錁?biāo)簽信號的RFID通信取決于各種因素，包括信號的功率，標(biāo)簽的雷達(dá)截面（RCS）和傳播損耗。

2研究意義

為了最小化由相鄰標(biāo)簽引起的數(shù)據(jù)沖突，本文提出了一種基于時分（TD）技術(shù)的防沖突算法。在TD技術(shù)中，每個標(biāo)簽的響應(yīng)都是通過特定的時間間隔進(jìn)行區(qū)分的，這個時間間隔對應(yīng)于這個特定的時間間隔。因此，數(shù)據(jù)幀被分成幾個時隙，每個時隙被分配給各個標(biāo)簽，并且讀取器可以按時間順序讀取所有標(biāo)簽。此外，本文中考慮的數(shù)據(jù)幀包括前導(dǎo)碼幀，其有助于信道估計，信噪比（SNR）估計，同步等。在RFID應(yīng)用中，TD方法需要使用相同的時隙對標(biāo)簽進(jìn)行分組，以便它們只在特定的時間間隔內(nèi)傳輸。在本文中，我們將提出的TD方法與常規(guī)方法的性能進(jìn)行比較，而不考慮干擾抑制和抗沖突技術(shù)以及基于黃金碼序列的CDMA技術(shù).

本文的其余部分安排如下。第3節(jié)描述了RFID碰撞問題，并討論并分析了以前與碰撞問題有關(guān)的一些工作。在第4節(jié)中，我們將介紹本研究中使用的接收信號模型的細(xì)節(jié)。在第5節(jié)中，我們介紹了針對單個讀取器的抗沖突問題的TD解決方案，最后，在第6節(jié)，我們得出結(jié)論。

3RFID碰撞問題

在本節(jié)中，我們將討論RFID碰撞的類型和以前的相關(guān)工作。

3.1RFID碰撞的類型

RFID標(biāo)簽信號引起的干擾是RFID系統(tǒng)的常見問題。由于讀卡器和標(biāo)簽通常使用相同的通道，來自多個標(biāo)簽的同時傳輸會導(dǎo)致沖突。碰撞被分類為讀寫器，讀寫器到標(biāo)簽和標(biāo)簽到標(biāo)簽的碰撞。

3.1.1讀者閱讀器碰撞

當(dāng)相鄰讀卡器同時詢問相同頻帶中的特定標(biāo)簽時，會發(fā)生讀寫器沖突。此外，當(dāng)標(biāo)簽在一個讀取器的可讀范圍內(nèi)并且另一個讀取器的干擾范圍時，來自后一讀取器的信號可能會干擾來自標(biāo)簽的返回信號。Colorwave中更詳細(xì)地討論了讀者與讀者的沖突。

3.1.2讀者到標(biāo)簽的碰撞

當(dāng)標(biāo)簽從不同的讀者收到多個并發(fā)查詢時，會發(fā)生讀寫器到標(biāo)簽的沖突（標(biāo)簽干擾）。這個問題可以通過給附近的讀者分配不同的頻道來解決。

3.1.3標(biāo)簽到標(biāo)簽的碰撞

當(dāng)多個信號同時到達(dá)讀卡器時，會發(fā)生標(biāo)簽到標(biāo)簽沖突，從而防止其詢問區(qū)內(nèi)所有標(biāo)簽的可靠檢測。圖1中示出了這種情況，其中標(biāo)簽（T1，T2，T3和T4）同時向單個讀取器發(fā)送信號，從而阻止讀取器正確識別特定標(biāo)簽。沒有防沖突協(xié)議，這些標(biāo)簽的數(shù)據(jù)不僅會在讀卡器上發(fā)生沖突，從而降低其識別率，而且還會導(dǎo)致浪費(fèi)帶寬和能量。

3.2相關(guān)作品的碰撞問題

RFID是一種準(zhǔn)確的物體識別系統(tǒng)，商業(yè)上用于檢測和管理與各種物品有關(guān)的信息。然而，工業(yè)應(yīng)用RFID的大規(guī)模接受度低于預(yù)期，這主要是由于環(huán)境因素，多徑衰落等以及標(biāo)簽碰撞問題等幾個問題。標(biāo)簽沖突問題通常是由于讀寫器與標(biāo)簽之間缺乏適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)而發(fā)生的。從標(biāo)簽到讀取器的反向散射響應(yīng)可能與相鄰標(biāo)簽相沖突，這最終掩蓋了讀取器正確讀取標(biāo)簽ID。

在本文中，我們專注于具有多個標(biāo)簽的環(huán)境中的單個讀取器的問題。此外，我們專注于RFID技術(shù)在智慧圖書館的實(shí)際應(yīng)用。通常，在施工現(xiàn)場，存在大量標(biāo)簽對象。因此，同時提高對象識別性能并最大限度地降低運(yùn)營成本是非常重要的。近來開發(fā)的RFID系統(tǒng)已經(jīng)使用了各種多址技術(shù)，例如空分多址（SDMA），頻域多址（FDMA），時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），這被稱為擴(kuò)頻。

3.2.1SDMA協(xié)議

SDMA在空間插槽中重復(fù)使用某些資源（信道容量）。SDMA協(xié)議使用電子控制定向天線或多個讀取器分離信道，以識別標(biāo)簽。然而，這種方法的缺點(diǎn)包括高實(shí)現(xiàn)成本，需要設(shè)計復(fù)雜的天線系統(tǒng)，并且僅限于少數(shù)專門應(yīng)用。另一方面，F(xiàn)DMA不同于對應(yīng)答者的不同頻率的傳播，這導(dǎo)致了對讀者的影響。這需要復(fù)雜的接收者，因?yàn)楸仨殲槊總€接收信道提供專用接收機(jī)。雖然CDMA對于多個標(biāo)簽表現(xiàn)出良好的性能，但是它要求在傳輸之前將它們的數(shù)據(jù)乘以偽隨機(jī)噪聲（PN）序列。相反，TDMA防沖突算法在每幀中分配幾個時隙來解決沖突問題。

3.2.2 TDMA防沖突技術(shù)

TDMA防沖突技術(shù)是最受歡迎的RFID讀寫器抗碰撞技術(shù)，它在色波算法中被使用，每個讀卡器選擇一個隨機(jī)時隙來傳輸數(shù)據(jù)。TDMA防沖突方法按時間順序劃分參與者之間的總可用信道容量。其程序被分類為同步讀取器驅(qū)動和異步標(biāo)簽驅(qū)動。在閱讀器驅(qū)動的過程中，在特定的時間間隔，首先使用特定算法從一組標(biāo)簽中選擇一個單獨(dú)的標(biāo)簽，然后在所選標(biāo)簽和讀取器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信鏈接。另一方面，通過標(biāo)簽驅(qū)動程序，標(biāo)簽通過在讀取器的存在下發(fā)送其ID而向讀取器通知。前者和后一個程序也分別被稱為讀取器通話（RTF）和標(biāo)簽通話（TTF）。與RTF相比，TTF相對較慢，無法實(shí)現(xiàn)。對于RFID系統(tǒng)中的防沖突算法，Abramson的招聘訪問邏輯（ALOHA）協(xié)議和二叉樹算法是基于確定性和概率方法的，被廣泛使用。用于超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是將抗沖突算法的二叉樹搜索稱為確定性方案，因?yàn)槊總€屋頂?shù)饺~子路徑表示唯一的標(biāo)簽ID，并且可以同時檢索所有完全搜索所有分支后的ID。另一方面，ALOHA抗沖突算法通常被稱為概率方案，其中每個標(biāo)簽ID將具有成功檢索的概率。

3.2.3基于樹的防沖突算法endprint

基于樹的防沖突算法使用虛擬樹通過迭代地查詢不同級別的標(biāo)簽的子集來讀取讀取器的讀取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并且標(biāo)簽ID基于它們的預(yù)定義分發(fā)。根是要標(biāo)識的一組標(biāo)簽，中間節(jié)點(diǎn)表示碰撞標(biāo)簽組，葉片表示單個標(biāo)簽響應(yīng)。它們被進(jìn)一步分類為樹分裂（TS），查詢（QT），二進(jìn)制搜索（BS）和逐位仲裁（BTA）。在TS協(xié)議中，使用隨機(jī)數(shù)生成器對多個響應(yīng)標(biāo)簽進(jìn)行分組。另一方面，QT協(xié)議將樹信息存儲在讀卡器中。讀者用位串預(yù)測符廣播查詢，然后將其與標(biāo)簽ID的前綴匹配，之后具有匹配預(yù)處理的標(biāo)簽以讀取器的ID為響應(yīng)查詢。這個過程一直持續(xù)到只有一個標(biāo)簽響應(yīng)。這克服了使用TS生成隨機(jī)數(shù)的問題，降低了成本和計算復(fù)雜度。在BS中，通信由讀取器發(fā)送標(biāo)簽的序列號開始。然后將序列號與其ID進(jìn)行比較。在該協(xié)議中，如果標(biāo)簽的等級不等于用戶名，則通信是可能的。不需要上述協(xié)議，BTA通過請求標(biāo)簽來從最重要的位逐位回應(yīng)到其ID的最不重要的位。

3.2.4ALOHA協(xié)議

ALOHA協(xié)議是概率方法，其中信號在幀內(nèi)的隨機(jī)時隙內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)以識別標(biāo)簽。在不同的基于ALOHA的協(xié)議中，幀時隙ALOHA（FSA）和動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）在RFID系統(tǒng)中最常用，因?yàn)樗鼈兛梢越档蜆?biāo)簽之間的沖突概率。在FSA中，讀取器確定幀大小和時隙的實(shí)際持續(xù)時間，并且標(biāo)簽使用整個時隙集合中的隨機(jī)時隙（總時隙和幀大小被固定）。因此，在讀寫器詢問區(qū)中，對于少量的標(biāo)簽，存在因空槽而浪費(fèi)的問題，對于大量的標(biāo)簽，存在沖突問題。FSA的這個缺點(diǎn)由DFSA部分解決。在DFSA中，當(dāng)大量插槽相撞時，讀卡器會將一個插槽的插槽數(shù)量相加。類似地，當(dāng)存在許多空插槽時，閱讀器將減少一個幀大小的時隙數(shù)量。在DFSA中，在估計每幀結(jié)束后的剩余標(biāo)簽數(shù)量的情況下，調(diào)整下一幀的大小，而不對當(dāng)前幀內(nèi)的理想時隙和相關(guān)時隙進(jìn)行任何操作。因此，在這些時隙期間讀者的請求時間被浪費(fèi)。因此，如果我們嘗試減少請求時間，則可能會增加標(biāo)簽沖突的可能性。

4基于TD的RFID防碰撞

在本節(jié)中，我們提出了一種有效和簡單的防碰撞RFID系統(tǒng)，特別是智能圖書館管理系統(tǒng)技術(shù)。這種施工技術(shù)的目標(biāo)是通過重復(fù)利用和回收先前標(biāo)簽降低施工成本并提高施工速度。在這種情況下，我們需要使用簡單協(xié)議的低成本RFID系統(tǒng)，與ALOHA系統(tǒng)或基于金碼的系統(tǒng)不同，它應(yīng)該具有良好的防沖突性能。

在本文中，我們提出了一種基于TD方法的簡單有效的RFID系統(tǒng)。所提出的RFID標(biāo)簽使用特定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，并且該時隙被固定。在標(biāo)簽附于圖書之前，標(biāo)簽根據(jù)其時間段進(jìn)行分組（請注意，組數(shù)可以根據(jù)圖書的數(shù)量確定）。當(dāng)將具有特定時隙的標(biāo)簽附加到圖書時，應(yīng)該管理它們，以避免同一組中的標(biāo)簽位于鄰居中。例如，如果第一組的標(biāo)簽連接到特定的圖書，則屬于其他組的標(biāo)簽應(yīng)連接到相鄰的圖書。管理RFID標(biāo)簽位置的這個過程很簡單，因?yàn)閳D書通常在同一地點(diǎn)相對長的一段時間，直到圖書被借走，并且圖書在另一個人借走中重新使用。雖然我們在本文中重點(diǎn)介紹了在智能圖書館管理系統(tǒng)應(yīng)用所提出的RFID系統(tǒng)，但它可能適用于物體相對較長時間放置在同一地點(diǎn)的其他區(qū)域，如存儲，工業(yè)場所等安裝了各種設(shè)備。

所提出的防碰撞RFID算法著重于涉及單個手持式讀取器和多個標(biāo)簽的情況。除了通過將標(biāo)簽分配給先前分配的時隙以傳輸數(shù)據(jù)外，還能夠有效地降低由于其他標(biāo)簽引起的沖突的概率，它還采用簡單的RFID協(xié)議進(jìn)行單向通信。這種簡單的RFID協(xié)議可能會降低實(shí)施成本，因?yàn)镽FID標(biāo)簽使用固定的特定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程，這與基于金碼或ALOHA的防碰撞RFID系統(tǒng)不同。請注意，金碼防碰撞RFID標(biāo)簽需要重要數(shù)量的數(shù)值運(yùn)算，包括乘法和加法，而ALOHA技術(shù)需要自適應(yīng)資源處理，用于在數(shù)據(jù)幀內(nèi)分配時隙。

4.1考慮干擾信號的RFID信號功率模型

在RFID系統(tǒng)中，一旦標(biāo)簽被來自讀取器的發(fā)射功率供電，所選擇的標(biāo)簽開始響應(yīng)于讀取器。由于從RFID標(biāo)簽散射的調(diào)制信號受到來自其他標(biāo)簽的噪聲和干擾信號的影響，所以由等式（1）和（2）給出的PFID讀取器處的接收信號由感興趣的調(diào)制后向散射信號，噪聲和干擾信號。在讀取器處，可用于其接收天線的可用功率量由下式給出

其中PR接收機(jī)[dB]是讀取器的接收機(jī)天線接收的功率，GR接收機(jī)是讀取器處的接收機(jī)天線的增益（其等于讀取器處的發(fā)射機(jī)天線增益），a是RF標(biāo)簽的RCS，這對于系統(tǒng)級效率和可靠性很重要[28（35），29]。RFID標(biāo)簽的橫截面積可以寫成

方程式（8）和（9）表明無源RFID系統(tǒng)的總能耗取決于從讀寫器傳輸?shù)綐?biāo)簽的功率。由于這些方程式表示可以通過維持讀取器天線處的功率來調(diào)整標(biāo)簽與讀取器之間的有效距離r，所以無源RFID標(biāo)簽的全反向散射功率和詢問范圍取決于讀取器的發(fā)送功率水平。在我們的計算機(jī)模擬中，我們使用了上述的RFID信號功率模型。

4.2基于TD的RFID反碰撞方案

為了抑制來自周圍多個RFID標(biāo)簽的干擾信號，我們提出了一種基于TD技術(shù)的防沖突方法，該方法在特定時隙上分配標(biāo)簽信息。在讀卡器到標(biāo)簽通信期間，讀取器將發(fā)送功率Pr的載波信號發(fā)送到它們的詢問區(qū)內(nèi)的一組任意多個標(biāo)簽。如果讀取器接收到的功率大于從標(biāo)簽接收到的最小功率，這被稱為讀取器靈敏度，則從標(biāo)簽到讀取器的數(shù)據(jù)傳輸可能是可能的。當(dāng)讀卡器接收到的能量高于激活閾值時，讀卡器的覆蓋區(qū)域中的所有標(biāo)簽隨后被激活，并將其識別信息發(fā)送給具有PR接收器功率的讀取器。如果測量的PR接收機(jī)值高于激活閾值，則發(fā)送信號對發(fā)送其有效載荷是有效的。相反，如果測量值低于激活閾值，則發(fā)送信號不能有效地發(fā)送其有效載荷并且數(shù)據(jù)傳輸可能失敗。在所提出的RFID系統(tǒng)中，當(dāng)使用特定時隙的特定標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀取器時，使用其它時隙的其他標(biāo)簽不傳輸任何數(shù)據(jù)，而是保持其順序。由于標(biāo)簽根據(jù)輪轉(zhuǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，在讀卡器中，與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，能夠有效地抑制來自其他標(biāo)簽的干擾信號，并提高了通信的可靠性，因?yàn)樗鼈儗τ诙鄠€標(biāo)簽具有低讀取能力，因?yàn)樗鼈儧]有干擾抑制或防碰撞技術(shù)。圖2示出了基于二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）的標(biāo)簽處的發(fā)送信號和讀取器處的接收信號的示例，其使用具有獨(dú)立數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)的恒定載波信號幅度，并且有助于提供穩(wěn)定的功率傳輸無線通信。在圖中，為了解釋所提出的系統(tǒng)，我們假設(shè)每個標(biāo)簽采用唯一的時隙。盡管在實(shí)際系統(tǒng)中，一些標(biāo)簽可以被分配到相同的時隙中，但與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，其他標(biāo)簽的干擾信號被有效地抑制。我們通過執(zhí)行計算機(jī)模擬來討論基于TD的所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能。endprint

4.3基于TD的RFID防碰撞數(shù)據(jù)架構(gòu)

在本小節(jié)中，我們提出一種基于TD的有效數(shù)據(jù)架構(gòu)來防止RFID沖突。在這里，我們在RFID數(shù)據(jù)幀中分配了特定的時隙，以及用于前導(dǎo)數(shù)據(jù)和有效載荷的固定數(shù)量的數(shù)據(jù)位。在特定時間間隔內(nèi)，讀取器識別來自特定標(biāo)簽的數(shù)據(jù)比特，其由隨后有效載荷的前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)組成。為了防止同一個讀寫器詢問區(qū)中的標(biāo)簽之間的沖突，特定的時間間隔將保留給特定的標(biāo)簽。前導(dǎo)碼和有效載荷的功能總結(jié)如下。

4.3.1前導(dǎo)碼

在有可能阻止我們準(zhǔn)確檢測到所需信號的噪聲和干擾環(huán)境中，前導(dǎo)碼有助于防止信號檢測的性能下降。因此，前導(dǎo)數(shù)據(jù)用于信道估計，SNR估計，同步等。在讀取器的接收機(jī)處，應(yīng)該獲得有效的信道和SNR估計，以便能夠準(zhǔn)確地檢測來自RFID標(biāo)簽的傳輸數(shù)據(jù)和估計分別在詢問區(qū)中的標(biāo)簽數(shù)量。此外，由于標(biāo)簽使用特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，所以提出的RFID方法需要完美的同步。在本文中，我們假設(shè)在讀取器的接收器處執(zhí)行信道估計，SNR估計和同步。

假設(shè)有四個標(biāo)簽每個采用唯一的時隙，圖3顯示了所提出的防碰撞RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)。在該系統(tǒng)中，在發(fā)送有效載荷之前，使用圖中的第1個時隙發(fā)送第1個標(biāo)簽中的前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)。

4.3.2有效載荷

在該RFID系統(tǒng)中，當(dāng)讀取器將喚醒信號發(fā)送到標(biāo)簽時（為了簡單起見，我們在數(shù)據(jù)架構(gòu)中不包括喚醒信號），標(biāo)簽使用所示的特定時隙順序發(fā)送前導(dǎo)碼和有效載荷諸如識別（ID）號碼，電子產(chǎn)品代碼（EPC）號碼等信息等信息。使用所提出的數(shù)據(jù)架構(gòu)，當(dāng)特定標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀卡器時，沒有其他標(biāo)簽傳輸任何數(shù)據(jù)，如圖3所示。因此，當(dāng)同時在多個標(biāo)簽和讀卡器之間通信時，不存在干擾信號。雖然圖3中針對RFID的基于TD的防沖突架構(gòu)考慮了四個標(biāo)簽和一個讀卡器，但它可能會擴(kuò)展到更多的標(biāo)簽。如前所述，與實(shí)際系統(tǒng)中相同的時隙中分配某些標(biāo)簽的情況相比，與沒有防碰撞技術(shù)的常規(guī)RFID系統(tǒng)的情況相比，可以有效地抑制來自其他標(biāo)簽的干擾。

5結(jié)論

為了最小化RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽到標(biāo)簽的碰撞數(shù)量，我們提出采用TD技術(shù)的防碰撞技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在所提出的系統(tǒng)中，由于只有特定的標(biāo)簽才能在特定的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡器，因此有效地抑制了其他標(biāo)簽的干擾信號。因此，當(dāng)我們同時在諸如施工現(xiàn)場的工業(yè)現(xiàn)場使用多個標(biāo)簽和單個讀取器時，所提出的RFID架構(gòu)可以提高數(shù)據(jù)的可靠性和性能，從而能夠識別特定對象或材料的信息。我們通過執(zhí)行計算機(jī)模擬來說明了所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能，并將結(jié)果與沒有防沖突技術(shù)的常規(guī)系統(tǒng)和基于黃金代碼序列的防碰撞RFID系統(tǒng)進(jìn)行了比較。未來，我們將更詳細(xì)地探討所提出的RFID系統(tǒng)的一些實(shí)際應(yīng)用endprint