密集移動(dòng)環(huán)境中的有源RFID防碰撞算法的研究

呂 軍 ，吳海建 ，鄢團(tuán)軍 ，楊登輝 ，劉 凱

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 310012；2.中電?？导瘓F(tuán)有限公司，杭州 310012）

當(dāng)前由標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用平臺(tái)組成的有源RFID系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展迅速。有源RFID越來越多地應(yīng)用于標(biāo)簽密集而且移動(dòng)的環(huán)境中。在大部分的應(yīng)用場(chǎng)合，要求閱讀器在較短時(shí)間內(nèi)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)所有有源RFID標(biāo)簽，但是由于成本、壽命等因素限制，閱讀器和其范圍內(nèi)的標(biāo)簽都工作在相同的無線信道，使得標(biāo)簽的無線信號(hào)可能發(fā)生數(shù)據(jù)沖撞，導(dǎo)致閱讀器不能正確識(shí)別標(biāo)簽。作為關(guān)鍵技術(shù)問題的標(biāo)簽碰撞制約有源RFID系統(tǒng)大規(guī)模投入實(shí)際應(yīng)用。RFID系統(tǒng)通過防碰撞算法處理該問題。

隨機(jī)性防碰撞ALOHA算法因?qū)崿F(xiàn)容易、成本低，被廣泛應(yīng)用于有源RFID的系統(tǒng)中。然而隨機(jī)性防碰撞的研究熱點(diǎn)大多集中在時(shí)隙ALOHA，幀時(shí)隙ALOHA與動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA等算法以及基于上述算法的各種改進(jìn)和優(yōu)化算法[1-4]。針對(duì)有源RFID“標(biāo)簽只發(fā)”的系統(tǒng)中[5]，文獻(xiàn)[6]統(tǒng)計(jì)了各種退避時(shí)間下的識(shí)別時(shí)間和重發(fā)次數(shù)。文獻(xiàn)[7]采用主從雙閱讀器，用于解決閱讀器處理能力不足的問題。通過加入從閱讀器，降低主閱讀器的處理負(fù)載，從而降低通信延遲、沖撞率和標(biāo)簽?zāi)芎模岣吡擞性碦FID標(biāo)簽讀取數(shù)量，但是沒有針對(duì)標(biāo)簽發(fā)送時(shí)間展開研究。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，在有源RFID“標(biāo)簽只發(fā)”的系統(tǒng)，本文分析了處在密集移動(dòng)環(huán)境中放的標(biāo)簽工作模式，建立了標(biāo)簽的移動(dòng)模型，提出了一種確定最優(yōu)的電子標(biāo)簽的發(fā)送周期，提高有源RFID標(biāo)簽壽命的防碰撞算法。同時(shí)搭建了原型模型驗(yàn)證防碰撞算法的有效性和實(shí)用性。

1 標(biāo)簽移動(dòng)模型

為研究標(biāo)簽移動(dòng)狀態(tài)下的有源RFID系統(tǒng)，建立了如圖1所示的載有標(biāo)簽的電動(dòng)車穿過城市道路的模型。標(biāo)簽安裝在電動(dòng)車上，電動(dòng)車平均占地面積s，每輛電動(dòng)車的安裝標(biāo)簽數(shù)量為N，電動(dòng)車以車速V行進(jìn)在寬為d的道路上。閱讀器的閱讀范圍為Rmax，安裝在位置A或者位置B，安裝的垂直高度為h，調(diào)整閱讀器上的天線方向，使得閱讀器信號(hào)范圍最大。

圖1 載有標(biāo)簽的電動(dòng)車穿過城市道路的模型Fig.1 Mode of motor-pedal with tags running on the road

某個(gè)時(shí)刻t0，對(duì)于安裝位置A，可得道路上的電動(dòng)車保有量：

當(dāng)h?Rmax時(shí)，Rmax≈r，則式（1）可簡(jiǎn)化為

同理，對(duì)于安裝位置點(diǎn)B，可得道路上的電動(dòng)車保有量：

不失一般性，以安裝位置點(diǎn)A作為研究對(duì)象，則道路上的標(biāo)簽數(shù)量：

當(dāng)標(biāo)簽穿過道路上的閱讀器的信號(hào)范圍時(shí)，共發(fā)送的次數(shù)近似為

式中：V為電動(dòng)車上的標(biāo)簽移動(dòng)速度（km/h）；T為有源RFID標(biāo)簽的發(fā)送周期（s）。

2 ALOHA算法

在所有的防沖撞算法中，ALOHA算法是對(duì)硬件要求較低、較容易實(shí)現(xiàn)的一種，屬于識(shí)別結(jié)果不確定性防沖撞算法。該算法適合于低通信負(fù)載的系統(tǒng)中，在有源RFID領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

采取“標(biāo)簽只發(fā)”的方式，即標(biāo)簽在其整個(gè)生命周期內(nèi)隨機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)包，一進(jìn)入讀寫器的作用區(qū)域，讀寫器采集該標(biāo)簽的發(fā)送信息。對(duì)同一個(gè)標(biāo)簽來說它的發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間是隨機(jī)的。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)沖撞時(shí)，因標(biāo)簽不能接收閱讀器的信息，標(biāo)簽不知道已經(jīng)發(fā)生碰撞，仍會(huì)按照隨機(jī)等待的一段時(shí)間進(jìn)行發(fā)送。

考慮到有源RFID標(biāo)簽的壽命，標(biāo)簽發(fā)送模式如圖2所示。對(duì)某一個(gè)標(biāo)簽，在約定的發(fā)送時(shí)間T的情況下隨機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為τ。所有標(biāo)簽發(fā)送完數(shù)據(jù)包后，在其各自的休眠周期T-τ內(nèi)處在休眠狀態(tài)。每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送完數(shù)據(jù)包后，因采用只發(fā)的通信模式，仍會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的發(fā)送周期持續(xù)隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到壽命的終止期。

圖2 考慮標(biāo)簽壽命的數(shù)據(jù)包發(fā)送模式Fig.2 Tags data transmission mode

由概率論可知，標(biāo)簽每秒鐘發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)目服從泊松分布，因此t秒鐘發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)包的概率為

式中：λ為每秒鐘平均發(fā)送的總的數(shù)據(jù)包數(shù)。

閱讀器范圍內(nèi)的Ntotal個(gè)標(biāo)簽單次發(fā)送被識(shí)別的概率：

式中：S為吞吐率，表示有效傳輸?shù)膶?shí)際總數(shù)據(jù)率，即τ時(shí)長(zhǎng)內(nèi)標(biāo)簽成功完成通信的平均次數(shù)；G為輸入負(fù)載，表示發(fā)送的總數(shù)據(jù)率，即τ時(shí)長(zhǎng)內(nèi)標(biāo)簽的平均到達(dá)次數(shù)。

在有源RFID系統(tǒng)，關(guān)心的是系統(tǒng)中的全部RFID標(biāo)簽的被識(shí)別讀取的概率PNtotal。文獻(xiàn)[8]給出的定理2表明：不論數(shù)據(jù)包的隨機(jī)時(shí)延D分布是固定長(zhǎng)時(shí)間，還是其它形式的分布，如果需要多次發(fā)送，其平均到達(dá)數(shù)據(jù)包可以看成是由兩個(gè)泊松流組合而成，其中一個(gè)泊松流是由另一個(gè)沿時(shí)間軸向后推遲一段長(zhǎng)為D的時(shí)間形成。因此可簡(jiǎn)化分析，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包符合泊松流，閱讀器范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽均被識(shí)別的概率可由下式表示：

式中：PNk表示Ntotal個(gè)標(biāo)簽第k次發(fā)送被識(shí)別的概率；

將式（5）代入式（8），可得：

3 標(biāo)簽壽命

目前，大部分有源標(biāo)簽為降低功耗采用以下2種工作模式[9-10]：周期性地向外發(fā)送ID號(hào)；利用低頻喚醒高頻。上述2種方式在低功耗控制方面能取得不錯(cuò)的效果。第1種方式為單向通信方式，讀寫器無法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行任何指令操作。第2種工作方式要求電子標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高、體積大。因此，為保證標(biāo)簽壽命，采用硬件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，功耗最小的第1種工作模式，同時(shí)也從軟件入手降低系統(tǒng)功耗，設(shè)定合理的發(fā)送參數(shù)，從而達(dá)到降低功耗，延長(zhǎng)標(biāo)簽的使用壽命。

有源標(biāo)簽的工作方式采用標(biāo)簽只發(fā)模式，則其射頻模塊中能耗由射頻發(fā)送能耗和標(biāo)簽休眠能耗兩部分組成。在一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)的平均電流為

其中標(biāo)簽的發(fā)送時(shí)間占空比D：

電動(dòng)車在閱讀器閱讀范圍內(nèi)的發(fā)送周期內(nèi)的平均電流為

根據(jù)對(duì)射頻電路的分析，其休眠模式中消耗的能量非常低，Isleep為2～3 μA，因此有源電子標(biāo)簽的能耗由其工作在發(fā)送模式中消耗的能量決定。標(biāo)簽的壽命如式（13）確定。

式中：η為有源標(biāo)簽的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估系數(shù)，取0.8；

將式（11）、式（12）代入式（13），則：

式（14）表明，為了延長(zhǎng)電池的壽命，盡量小的發(fā)送電流和比較小的發(fā)送時(shí)間占空比D有利于系統(tǒng)的壽命。對(duì)標(biāo)簽只發(fā)的情況下，由于標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包包含了必要的唯一標(biāo)簽碼，數(shù)據(jù)包的內(nèi)容已經(jīng)是最簡(jiǎn)的必要內(nèi)容，發(fā)送時(shí)間τ是個(gè)常量。Itrans認(rèn)為是一個(gè)恒定值，因此盡量延長(zhǎng)標(biāo)簽的發(fā)送周期T。

標(biāo)簽只發(fā)的RFID系統(tǒng)，必須同時(shí)滿足下式：

在滿足標(biāo)簽壽命的要求下，盡量使得PNtotal最大。

4 仿真

利用Matlab仿真軟件進(jìn)行防碰撞算法的仿真分析。仿真參數(shù)具體設(shè)置如下：城市環(huán)境中的閱讀器的平均有效信號(hào)范圍Rmax=50 m，電動(dòng)車的速度為V=40 km/h，每輛電動(dòng)車上設(shè)置2張標(biāo)簽，電動(dòng)車的平均占地面積為s=1.5 m2，城市電動(dòng)車道路的寬度為d=5 m。從而計(jì)算出閱讀器有效范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量Ntotal=700，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間τ＝0.0003 s。

4.1 標(biāo)簽的發(fā)送次數(shù)M與發(fā)送周期T之間的關(guān)系

電動(dòng)車在閱讀器的閱讀范圍內(nèi)的行駛時(shí)間和標(biāo)簽的發(fā)送周期共同決定了電動(dòng)車上搭載的標(biāo)簽在這段行駛的時(shí)間內(nèi)，向閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)包總次數(shù)。如圖3所示，是標(biāo)簽總發(fā)送次數(shù)與數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期之間的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)車的行駛速度較快時(shí)，停留在閱讀器范圍內(nèi)的時(shí)間短，發(fā)送的數(shù)據(jù)包總次數(shù)也少，這在一定程度上會(huì)影響閱讀器的接收標(biāo)簽的數(shù)量。

圖3 發(fā)送周期T和標(biāo)簽移動(dòng)速度V對(duì)標(biāo)簽發(fā)送次數(shù)的影響Fig.3 Relationships among the active tags transmitting cycle，the tags speed and the number of retries allowed after a transmission

從圖3可知，標(biāo)簽數(shù)據(jù)包發(fā)送周期在0.2～0.6 s之間，標(biāo)簽的總發(fā)送次數(shù)的增長(zhǎng)速率較快。在0.8～2 s范圍內(nèi)，標(biāo)簽的總發(fā)送次數(shù)的增長(zhǎng)速率較慢。

4.2 標(biāo)簽的發(fā)送周期T對(duì)標(biāo)簽壽命L的影響

有源RFID標(biāo)簽的壽命如圖4所示。從圖4中可看出標(biāo)簽壽命需要保持5年以上，必須使得標(biāo)簽的發(fā)送周期為0.75 s以上，才能保證標(biāo)簽壽命。

圖4 標(biāo)簽壽命Fig.4 Active tag lifetime

仿真參數(shù)設(shè)定：紐扣電池C=600 mAH，Itrans＝25 mA。

4.3 最優(yōu)標(biāo)簽發(fā)送周期

標(biāo)簽的發(fā)送周期和閱讀器范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽均被讀取的概率如圖5所示。應(yīng)用ALOHA算法，仿真1000次，即仿真電動(dòng)車1000次經(jīng)過閱讀器。取1000次的仿真結(jié)果作為PNtotal平均值。在電動(dòng)車經(jīng)過閱讀器的范圍內(nèi)，發(fā)射周期T越大，發(fā)射的次數(shù)就越少。發(fā)射周期越長(zhǎng)，標(biāo)簽的碰撞幾率減少，所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal變大，但是標(biāo)簽的發(fā)送次數(shù)也減少，所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal變小。發(fā)射周期T越小，標(biāo)簽的碰撞幾率大大增大，使得所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal降低，同時(shí)標(biāo)簽的發(fā)送次數(shù)也增加了，這又使得所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal變大。因此在發(fā)射周期和所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal之間存在著非單調(diào)的關(guān)系。

圖5 標(biāo)簽發(fā)送周期T對(duì)PNtotal的影響Fig.5 Relationships between PNtotal and the active tags transmitting cycle T

圖5表示標(biāo)簽的發(fā)送周期T不能太大也不能太小。發(fā)送周期太小，標(biāo)簽在發(fā)送周期內(nèi)因碰撞劇烈，導(dǎo)致閱讀器無法全部讀取。發(fā)送周期太長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)送次數(shù)太少，標(biāo)簽無法保證全部讀取。因此在設(shè)置發(fā)送周期時(shí)不能使標(biāo)簽發(fā)送周期太小。

重點(diǎn)研究圖5的0.5～1.5 s發(fā)送周期，并將其詳細(xì)的展示在圖6～圖8中。

圖6 Ntotal=400時(shí)，標(biāo)簽發(fā)送周期T對(duì)的影響Fig.6 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=400

圖7 Ntotal=700時(shí)，標(biāo)簽發(fā)送周期T對(duì)的影響Fig.7 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=700

圖8 Ntotal=1000時(shí)，標(biāo)簽發(fā)送周期T對(duì)的影響Fig.8 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=1000

從圖6～圖8中可看出標(biāo)簽的發(fā)送周期T為0.9 s時(shí)，所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal較大，綜合考慮標(biāo)簽壽命，此發(fā)送周期為最優(yōu)發(fā)射周期。

從圖6～圖8中也可得到，不同的標(biāo)簽數(shù)量，在相同的發(fā)送周期T，所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal不同。標(biāo)簽數(shù)量越少，PNtotal要優(yōu)于標(biāo)簽數(shù)量大的情況下被讀取的概率。

實(shí)際應(yīng)用中，最優(yōu)的發(fā)送周期T與標(biāo)簽的總數(shù)Ntotal有關(guān)，因此需要預(yù)知整個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)簽的總數(shù)。在一個(gè)RFID系統(tǒng)中對(duì)標(biāo)簽總數(shù)的估計(jì)是個(gè)難題。本算法的前提是通過電動(dòng)車標(biāo)簽移動(dòng)模型預(yù)估出了系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的標(biāo)簽最大總數(shù)，從而根據(jù)標(biāo)簽壽命和識(shí)別概率，確定合適的發(fā)送周期。

5 原型模型驗(yàn)證

實(shí)際中搭建了一個(gè)原型模型，取樣1000個(gè)外殼可拆卸的標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽的發(fā)送周期按照表1所示，某個(gè)發(fā)射周期測(cè)試完后，每個(gè)發(fā)送周期重復(fù)測(cè)試10次，取平均值。采用每輛電動(dòng)車上攜帶100個(gè)標(biāo)簽?zāi)M電動(dòng)車通過城市道路，按照時(shí)速V=40 km/h穿過閱讀器的閱讀范圍。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)時(shí)閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)Tab.1 Number of tags under the field test

在有限的測(cè)試次數(shù)下，發(fā)送周期T為0.8～1.5 s之間，能夠全部讀取到標(biāo)簽。但是本算法作為一種不確定性算法，存在無法全部讀取到標(biāo)簽的概率。

上述算法只研究了單個(gè)閱讀器的情況，作為電動(dòng)車應(yīng)用場(chǎng)合，不僅僅只有一個(gè)閱讀器能夠讀取到標(biāo)簽，在城市各個(gè)道路交叉口上設(shè)置了較多的閱讀器，在多個(gè)閱讀器形成的射頻網(wǎng)覆蓋下，在不同時(shí)空條件下能讀取到標(biāo)簽，進(jìn)而能夠保證該算法的有效性。射頻網(wǎng)覆蓋下的標(biāo)簽防碰撞留待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)語(yǔ)

目前大量的有源RFID標(biāo)簽工作模式多為 “標(biāo)簽只發(fā)”模式，該模式能延長(zhǎng)電子標(biāo)簽的壽命。在其整個(gè)生命周期中一直隨機(jī)地向外發(fā)送數(shù)據(jù)包。閱讀器采集密集移動(dòng)的標(biāo)簽的信息。整個(gè)系統(tǒng)沒有時(shí)間同步，各個(gè)標(biāo)簽工作在異步狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)，存在碰撞的現(xiàn)象。同時(shí)針對(duì)標(biāo)簽只發(fā)的有源RFID系統(tǒng)，需要考慮盡量延長(zhǎng)標(biāo)簽壽命。

本文針對(duì)該現(xiàn)象提出的一種確定防碰撞算法最優(yōu)的電子標(biāo)簽的發(fā)送周期方法，提高了有源RFID標(biāo)簽壽命。仿真表明，采用該最優(yōu)發(fā)送模式，700個(gè)標(biāo)簽在移動(dòng)速度為V=40 km/h的情況下，所有標(biāo)簽均被讀取的概率PNtotal概率為99.99%。原型模型也驗(yàn)證了最優(yōu)的電子標(biāo)簽發(fā)送周期的有效性和實(shí)用性。