實(shí)驗(yàn)室儀器管理中RFID 多標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法研究

龔玉梅，胡金艷

（上海第二工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 201209）

在新時(shí)代新工科建設(shè)的大背景下，相關(guān)高等院校均致力于提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。實(shí)踐教學(xué)在高等院校教書(shū)育人中的地位不斷提高，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模不斷擴(kuò)大，儀器設(shè)備數(shù)量逐漸增多。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室向開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型，對(duì)于以服務(wù)學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，其開(kāi)放性和流動(dòng)性大大增強(qiáng)。在這種需求背景下，射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，該應(yīng)用相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備手動(dòng)信息掃描、登記和管理，可以遠(yuǎn)距離批量化進(jìn)行儀器設(shè)備信息的獲取與修改，大大提高了儀器設(shè)備的信息管理效率，降低了實(shí)驗(yàn)室儀器管理中的相應(yīng)成本[1-7]。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量的日趨多樣化，射頻識(shí)別技術(shù)中的讀寫(xiě)器在識(shí)別范圍內(nèi)通常會(huì)包含多個(gè)電子標(biāo)簽。讀寫(xiě)器與多個(gè)電子標(biāo)簽間的無(wú)線通信信道共享必然引起通信鏈路上的數(shù)據(jù)碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正確讀取，電子標(biāo)簽信息無(wú)法正確識(shí)別，降低了無(wú)線信道傳輸效率，影響了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的有效識(shí)別率。針對(duì)高等院校實(shí)驗(yàn)室儀器管理的應(yīng)用場(chǎng)景，如何優(yōu)化多個(gè)RFID 標(biāo)簽的識(shí)別算法，降低多個(gè)電子標(biāo)簽間的數(shù)據(jù)碰撞概率，提高儀器設(shè)備的識(shí)別效率，成為了該應(yīng)用場(chǎng)合中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)在各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，如物流管理、車(chē)輛識(shí)別、產(chǎn)線生產(chǎn)、智能倉(cāng)儲(chǔ)等多個(gè)方面。該技術(shù)與傳統(tǒng)的紙質(zhì)和磁性標(biāo)簽相比，具有防水、防磁、快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。RFID 技術(shù)完成物體標(biāo)簽信息讀取和處理的方式具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和前景。無(wú)線射頻讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽、射頻收發(fā)天線、RFID 中間件和RFID 應(yīng)用軟件構(gòu)成了典型RFID 系統(tǒng)，如圖1 所示[8]。

無(wú)線射頻讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽的射頻天線起到了收發(fā)無(wú)線射頻信號(hào)的作用，建立了無(wú)線信道的連接。系統(tǒng)高層應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的信息交互，用以傳達(dá)用戶的需求和意圖。RFID 中間件主要起到了應(yīng)用層與射頻鏈路層之間的連接作用，對(duì)電子標(biāo)簽信息進(jìn)行采集和處理，并解析應(yīng)用層的命令。

在實(shí)驗(yàn)室儀器管理的典型應(yīng)用環(huán)境中，通常只有一個(gè)讀寫(xiě)器，儀器設(shè)備端安裝電子標(biāo)簽，由于實(shí)驗(yàn)室儀器使用壽命約為五到十年，考慮到儀器端的電子標(biāo)簽使用周期，一般使用無(wú)源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽，且采用一主多從式的系統(tǒng)架構(gòu)，其工作流程如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)工作流程圖

1）應(yīng)用系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶需求，發(fā)出信息采集要求。

2）讀寫(xiě)器根據(jù)系統(tǒng)指令，進(jìn)行相關(guān)編碼調(diào)制，發(fā)出無(wú)線射頻信號(hào)。

3）電子標(biāo)簽接收到讀寫(xiě)器發(fā)送的指令，通過(guò)天線感應(yīng)到電流后，電子標(biāo)簽被喚醒。

4）電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線天線發(fā)射信號(hào)，傳送自身的識(shí)別信息，對(duì)讀寫(xiě)器響應(yīng)。

5）讀寫(xiě)器將接收到的信息進(jìn)行相關(guān)處理，并傳送給系統(tǒng)應(yīng)用層。

6）系統(tǒng)應(yīng)用層根據(jù)用戶需求及相關(guān)邏輯運(yùn)算和基本計(jì)算，進(jìn)行相應(yīng)的處理，并進(jìn)一步發(fā)出響應(yīng)指令，控制讀寫(xiě)器作相應(yīng)的處理和指令發(fā)送。

2 多標(biāo)簽防撞算法

RFID 系統(tǒng)利用無(wú)線通信信道，在多個(gè)電子標(biāo)簽存在的應(yīng)用中，共享信道上必然發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，通常解決信道沖突的方法主要有以下幾種[9-10]。

1）空分多路利用定向天線技術(shù)，可在讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)在不同角度進(jìn)行定向讀取對(duì)應(yīng)不同的電子標(biāo)簽，該技術(shù)中天線設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

2）頻分多路在無(wú)線通信鏈路中通過(guò)頻率調(diào)制方法，分別讀寫(xiě)相應(yīng)頻點(diǎn)的電子標(biāo)簽信息，從而避免數(shù)據(jù)沖突。該技術(shù)增加了收發(fā)端的電路復(fù)雜度。

3）碼分多路通過(guò)在發(fā)送端和接收端使用偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)調(diào)制解調(diào)，達(dá)到擴(kuò)頻的目的，該技術(shù)增加了收發(fā)端的信息處理復(fù)雜度。

4）時(shí)分多路將信息的傳輸時(shí)間切分成若干個(gè)時(shí)間間隔（Time Slot，TS，又稱(chēng)時(shí)隙），每個(gè)時(shí)隙只有一路通信，目前該方法較為簡(jiǎn)單易行，成本也較低。

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大背景，前3 種方式的技術(shù)手段相對(duì)復(fù)雜，增加了讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽端的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，尤其是電子標(biāo)簽數(shù)較多的情況下。目前在RFID 系統(tǒng)中，時(shí)分多路的防碰撞方法應(yīng)用較為廣泛。其中，純ALOHA 算法及其改進(jìn)算法具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，文中將對(duì)純ALOHA 算法和時(shí)隙ALOHA算法進(jìn)行比較分析[11-17]。

2.1 純ALOHA算法

純ALOHA 算法所采用的算法邏輯為電子標(biāo)簽端隨機(jī)接入，簡(jiǎn)單易行，非常適用于一主多從式的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，該算法是一種隨機(jī)發(fā)送和競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送協(xié)議。在電子標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中，讀寫(xiě)器處于接收位置，電子標(biāo)簽主動(dòng)進(jìn)行信息發(fā)送，各設(shè)備間不需要時(shí)鐘同步，降低了設(shè)計(jì)成本。

在某一讀寫(xiě)器識(shí)別范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽隨機(jī)地在信道上發(fā)送信息給讀寫(xiě)器。如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，相應(yīng)的電子標(biāo)簽將等待一段隨機(jī)時(shí)長(zhǎng)后，進(jìn)行信息重發(fā)。由于等待的時(shí)長(zhǎng)隨機(jī)，對(duì)各電子標(biāo)簽的應(yīng)答時(shí)間進(jìn)行了分散處理，從而在一定程度上規(guī)避沖突和碰撞，提高了電子標(biāo)簽的識(shí)別率和信息傳輸?shù)男省＜傾LOHA 算法原理示意圖如圖3 所示。

圖3 純ALOHA算法原理示意圖

圖中以3 個(gè)標(biāo)簽隨機(jī)發(fā)送信息為例，若同一時(shí)刻無(wú)線通道上出現(xiàn)了兩個(gè)以上的標(biāo)簽正在發(fā)送信息，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)碰撞。多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的隨機(jī)發(fā)送時(shí)，在無(wú)線共享信道中將會(huì)不可避免地發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。由于各電子標(biāo)簽的隨機(jī)發(fā)送是異步的，因此往往會(huì)出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)沖突和完全數(shù)據(jù)沖突兩種情況。

假設(shè)在單讀寫(xiě)器識(shí)別范圍內(nèi)，有n個(gè)標(biāo)簽在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其分布符合泊松分布，則響應(yīng)讀寫(xiě)器的概率為：

其中，λ為響應(yīng)讀寫(xiě)器的單位時(shí)間內(nèi)的平均標(biāo)簽數(shù)。

設(shè)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間為T(mén)，則數(shù)據(jù)未發(fā)生碰撞的概率為：

發(fā)送的總數(shù)據(jù)率G為：

信道的吞吐率S為：

2.2 幀時(shí)隙ALOHA算法

幀時(shí)隙ALOHA（Framed Slotted Aloha，F(xiàn)SA）算法引入了同步的概念，將每一幀分成若干個(gè)時(shí)隙，單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度必須大于收發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以保證數(shù)據(jù)包的傳輸完整性。讀寫(xiě)器范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽不能隨意發(fā)送數(shù)據(jù)，必須隨機(jī)選擇某個(gè)時(shí)隙的起始點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

如圖4 所示，在信息傳輸中包含以下時(shí)隙：1）空閑時(shí)隙，信道處于空閑狀態(tài)，無(wú)電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；2）應(yīng)答時(shí)隙，僅有一個(gè)電子標(biāo)簽在該時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)；3）碰撞時(shí)隙，多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。

圖4 幀時(shí)隙ALOHA算法示意圖

如圖4 所示，圖中以3 個(gè)電子標(biāo)簽選擇時(shí)隙進(jìn)行隨機(jī)發(fā)送信息為例，黑色部分為發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)隙。各個(gè)電子標(biāo)簽之間通過(guò)時(shí)鐘同步，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)刻必須為某一時(shí)隙的起始點(diǎn)，因此在無(wú)線共享信道上消除了部分沖突的可能性，僅存在數(shù)據(jù)的完全沖突。

設(shè)在信息傳輸中，每一幀切分成L個(gè)時(shí)隙，在某一讀寫(xiě)器的識(shí)別范圍內(nèi)，可以被識(shí)別的電子標(biāo)簽數(shù)為N，則單個(gè)電子標(biāo)簽隨機(jī)選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的概率為，被讀寫(xiě)器成功識(shí)別的概率為：

通過(guò)理論計(jì)算，系統(tǒng)的吞吐率為：

3 仿真與驗(yàn)證

根據(jù)高等院校實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本硬件布局和RFID 的相關(guān)工作參數(shù)，選用甚高頻工作頻段，其工作距離能夠覆蓋實(shí)驗(yàn)室儀器放置的基本范圍。同時(shí)該頻段的電子標(biāo)簽主要為無(wú)源和半有源兩種方式，具有使用壽命長(zhǎng)、功耗低等特點(diǎn)，滿足實(shí)驗(yàn)室儀器管理的日常需求。文中以單個(gè)讀寫(xiě)器對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別的工作模式為主要仿真對(duì)象，對(duì)純ALOHA算法和幀時(shí)隙ALOHA算法進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。

在純ALOHA 算法中，以一個(gè)閱讀器為主服務(wù)器，對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)2～200 個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行隨機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送，檢測(cè)各個(gè)電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間是否有重疊。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞后，各標(biāo)簽進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)重發(fā)。仿真結(jié)果如圖5 所示。在多個(gè)電子標(biāo)簽的RFID 系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽數(shù)目的增加帶來(lái)信道上數(shù)據(jù)碰撞概率的增大，而發(fā)送成功率逐步降低，信道的有效數(shù)據(jù)吞吐率峰值為0.18 左右。

圖5 純ALOHA算法仿真結(jié)果

在幀時(shí)隙ALOHA 算法中，選擇固定的循環(huán)時(shí)隙，通過(guò)讀寫(xiě)器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令確保各標(biāo)簽的同步。各電子標(biāo)簽隨機(jī)選擇某一特定時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。如果在信道上檢測(cè)到數(shù)據(jù)碰撞，則電子標(biāo)簽將重新隨機(jī)選擇時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)。

考慮到在實(shí)驗(yàn)室儀器日常管理中，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備數(shù)量較為穩(wěn)定，作用范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽數(shù)相對(duì)固定，在仿真分析中，設(shè)定幀內(nèi)時(shí)隙為固定個(gè)數(shù)。隨著電子標(biāo)簽數(shù)增加后帶來(lái)數(shù)據(jù)包量的顯著增加，數(shù)據(jù)沖突增多，通過(guò)仿真軟件對(duì)信道的吞吐率進(jìn)行進(jìn)一步分析，仿真結(jié)果表明，峰值信道吞吐率可達(dá)0.37，如圖6 所示。

圖6 幀時(shí)隙ALOHA算法仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）以其特有的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)室儀器管理中被廣泛地應(yīng)用。隨著實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備密集度的增大，多個(gè)電子標(biāo)簽系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)碰撞算法在提高信息識(shí)別獲取上的作用越發(fā)顯著。文中通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器管理的應(yīng)用場(chǎng)景和多標(biāo)簽數(shù)據(jù)防撞的機(jī)理進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，幀時(shí)隙ALOHA 算法通過(guò)時(shí)隙同步的引入，消除了部分碰撞的可能性，相較于傳統(tǒng)純ALOHA 算法，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。同時(shí)，幀內(nèi)固定時(shí)隙個(gè)數(shù)的方法在實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備數(shù)量變化較頻繁的場(chǎng)合下，有一定的局限性。隨著實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備開(kāi)放性和流動(dòng)性的增強(qiáng)，同一實(shí)驗(yàn)室空間下的儀器設(shè)備數(shù)量和種類(lèi)將會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)地，某一讀寫(xiě)器范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽數(shù)目可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，可以在此基礎(chǔ)上探索時(shí)隙數(shù)的動(dòng)態(tài)可調(diào)算法，增強(qiáng)系統(tǒng)的普適性。