CN106096476A - 一种rfid系统中基于多信道的阅读器碰撞避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RFID系统中基于多信道的阅读器碰撞避免方法，通过分析阅读器的碰撞类型，结合阅读器间的距离信息，构造各类阅读器碰撞问题的解决方法；为了更好地执行解决方案，针对阅读器间的不同关系，建立优选数据信道的准则；制定控制信息的消息格式，以方便相关阅读器获取信道的选取信息；为了更好完成阅读器与标签的通信，设计新型通信处理流程，更好地发挥多信道功能；进一步仿真验证本方法在识别命令失败次数、识别处理时间及网络负载等方面与已有协议相比的性能优势。本发明适用于具有多阅读器的RFID实际场景，将对信息获取技术起到推动作用。

Description

一种RFID系统中基于多信道的阅读器碰撞避免方法

技术领域

本发明属于射频识别RFID通信领域，涉及一种应用于RFID系统中的碰撞避免方法，具体涉及一种RFID系统中基于多信道的阅读器碰撞避免方法。

背景技术

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种无线双向非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术的研究近年来受到了极大的关注，并广泛应用于物流、传输、安全及目标跟踪等众多领域。

RFID系统由多个阅读器及大规模标签组成，标签通常为无源标签，其结构简单、成本降低，由于没有电源装置，需依靠阅读器发送查询命令的能量来触发通信，且无分辨信号频率的能力。由于阅读器与标签通信时，共享无线信道，易产生信息碰撞问题，将严重影响标签的识别率，降低通信效率，是RFID系统通信中急需解决的关键问题。碰撞问题主要分为两种：标签碰撞和阅读器碰撞。当多个标签同时响应一个阅读器查询命令时，由于信号冲突导致阅读器不能正常识别标签的问题，称为标签碰撞，目前存在的防碰撞解决方法多针对于此类问题；随着应用的扩展，多个阅读器需要同时获取在某一特定区域内的多标签信息，由于信号冲突而导致识别失败的问题，称为阅读器碰撞，该问题在以往的研究中较少被关注，将严重影响系统运行效率，必须有效解决。本发明重点针对时隙和频率合理分配的阅读器碰撞避免方法。

Colorwave算法需要每个阅读器从[0,Maxcolors]中选取一个颜色值，并在所属的颜色时隙中与标签通信，来避免碰撞问题，由于该算法的执行需要依靠时间同步算法，所以网络负载较高；Pluse协议中设置了两个信道，分别为：控制信道和数据信道，当阅读器监听到控制信道空闲时，方可在数据信道中与标签通信，由于仅使用了单个数 据信道，算法性能有待提高；PCP协议通过在簇内安排读写器的读写顺序来减少碰撞的发生，GDRA协议则通过几何概率函数来避免碰撞，这两种协议均需要中心控制节点，因而增加了额外的硬件消耗；Dica协议同样使用了单个数据信道，该协议可以有效解决阅读器与标签间的碰撞问题，但无法解决阅读器间的碰撞问题；MCMAC协议虽然考虑了使用多个数据信道，因为网络吞吐量较高，但由于没有考虑相邻阅读器间的干扰，所以仅能解决有限的碰撞问题；DiMAC是一种分布式协议，可以解决各种类型的阅读器碰撞，拥有两个控制信道，一个用于传输频率信息，另一个用于传输时隙信息，其性能较高，但无法解决控制信息的碰撞问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种RFID系统中基于多信道的阅读器碰撞避免方法，构造基于有效多信道的阅读器碰撞避免方法EMRCA，适用于多阅读器的RFID应用场景，可以有效解决分布在相同区域的多个阅读器同时获取大量标签信息时所出现的各类阅读器碰撞问题，同时通过设置合理的退避时间来解决控制信息的碰撞问题，有效提高信息的获取效率。

技术方案

一种RFID系统中有效的多信道阅读器碰撞避免方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定阅读器碰撞类型，构建各类阅读器碰撞问题的解决方案：

1、若阅读器间的距离：d(R_i,R_j)＜r_i+r_j，则判定标签位于多个阅读器的读写范围内，不能同时响应多个阅读器的读写请求，产生第一类阅读器与标签碰撞类型(R～T₁)；

解决方案：阅读器采用随机选取不同的通信时隙，解决多个阅读器对读写交叉区域的标签同时读取而造成碰撞的问题；

2、若阅读器间的距离满足：max{I_i,I_j}＜d(R_i,R_j)＜max{r_i+I_j,r_j+I_i}，则判定阅读器与标签通信时，易受其他相关阅读器干扰范围的影响，产生第二类阅读器与标签碰撞类型(R～T₂)；

解决方案：阅读器采用随机选取不同通信时隙的方法，或采用优选数据信道的准则选择不同信道，解决标签获取读写命令时受到相关阅读器干扰范围影响的问题；

3、若阅读器间的距离满足：r_i+r_j＜d(R_i,R_j)＜max{I_i,I_j}，则判定无源标签在响应阅读器时，易在同一时隙和同一频率受到其他相关阅读器干扰范围的影响，产生阅读器间碰撞类型(R～R)；

解决方案：阅读器采用优选数据信道的准则选择不同信道，解决相关阅读器的干扰范围影响正常标签响应的问题；

其中：阅读器R_i的读写范围半径为r_i、干扰范围半径为I_i；阅读器R_j的读写范围半径为r_j、干扰范围半径为I_j；d(R_i,R_j)表示阅读器R_i与阅读器R_j的距离；在某一阅读器读写范围内的阅读器，称为其邻居阅读器，其余满足上述距离关系能够造成阅读器碰撞的阅读器，均称为其相关阅读器；

所述优选数据信道的准则为：

i)阅读器在空闲信道中选取与其相关阅读器频率差距最大的通信信道；

ii)当R～R碰撞或R～T₂碰撞发生时，若阅读器已有初始信道，则选择跳频到与其相关阅读器频率差距最大的通信信道上；

iii)当R～T₁碰撞发生时，阅读器在初始信道中等待邻居阅读器读写完毕，或跳频到不同时隙通信的其它通信信道；

在整个过程中，当阅读器占用数据信道与标签通信时，周期性在控制信道上发送控制信息beacon，以此引导其他阅读器选取数据信道的操作；

所述Beacon格式为：(a)阅读器ID，唯一标识beacon所属的阅读器；(b)阅读 器选取的信道号；(c)校验和，确保beacon信息的正确性；

步骤2：当各阅读器已根据步骤1合理选择信道，则通信处理流程如下：

在空闲阶段：阅读器在数据信道上的信息传输已完成，且没有在控制信道上的通信，阅读器进入空闲阶段；

在等待阶段：当需要与标签通信时，阅读器首先要监听控制信道，当没有beacon消息传送时，则认为没有相关阅读器在此时发送信息，等待3个时隙T_i后，进入竞争阶段；在等待的时隙内，若收到beacon信息，则需判断信息的来源，若由邻居阅读器发出，则需在初始信道中等待，直到邻居阅读器通信完毕，随后继续进入等待阶段；若由相关阅读器发出，则继续减少等待时间，直至时间结束后进入竞争阶段；

在竞争阶段：为了增加公平性，避免邻居阅读器同时读取标签，在每个阅读器与标签通信之前，都必须等待一段延迟时间Delay_time，Delay_time每隔一个时隙减1，直到减少为0，阅读器进入通信阶段。若在Delay_time时间减少的过程中，收到了邻居阅读器的beacon信息，则阅读器回到等待阶段，并将此时Delay_time的值存入当前记录中；

所述延迟时间Delay_time的数值从阅读器先前竞争阶段的记录中获取；若没有先前竞争阶段的记录，则从[0,round{N/n}]中随机选择一个整数进行初始化，其中：N为阅读器数目，n为信道数目，round()为取整函数；

在通信阶段：阅读器占据相应数据信道与标签通信，并在控制信道中周期性广播beacon信息，直到通信结束；若阅读器还有通信请求，则进入等待阶段，否则进入空闲阶段。

有益效果

本发明提出的一种首先通过分析阅读器间的距离与阅读器碰撞类型的依存关系，引入多信道的思想，给出各类阅读器碰撞问题的解决方案；在此基础上建立优选数据信道的准则，利用定制的beacon消息格式，传输信道选取信息，指导后续阅读器信道的选择；在多个数据信道的基础上，设计新型阅读器通信处理流程，其中邻居阅读器与相关阅读器将采用不同的通信处理原则，即邻居阅读器应在不同时隙通信，用以解决R～T₁碰撞问题；而相关阅读器应在不同信道通信，用以解决R～R碰撞和R～T₂碰撞问题；最后利用实例和仿真结果验证本方法的性能。本发明的优点在于将多数据信道引入阅读器防碰撞方法中，并和距离、时隙相结合，有效地解决了标签识别效率低的问题，减少了阅读器碰撞的发生；利用控制信道，设计新型的通信处理流程，在应用碰撞解决方案的同时，解决了beacon消息碰撞的问题，可以很好的减少网络负载，提高标签识别率和识别效率，适用于在特定区域内存在多阅读器同时读取标签信息的射频识别场景。

本发明的效果如下：

(1)将阅读器间的距离与阅读器碰撞类型相关联，引入多信道，针对碰撞类型的特点，合理利用不同时隙和不同信道，提出各类阅读器碰撞问题的解决方法。

(2)针对阅读器的位置关系，建立多信道优选准则，解决了信道的初始化问题和碰撞发生时的跳频问题，利用多信道最大限度的减少碰撞概率的发生，以提高标签的识别效率。给出控制信号的传输格式，以便时隙及信道选取信息在相关阅读器中传输，引导其后续的读取行为。

(3)针对碰撞问题的解决方法，设计新型的通信流程，进一步规划控制信道与数据信道的合理使用，将流程分为多个阶段，控制阅读器的读写行为，引入等待时间T_i和延迟时间Delay_time，增加了方法的公平性，有利于减少beacon的碰撞问题。从图5～6可知，相比于已有算法，本方法在减少识别失败次数、识别处理时间和网络负载方面具有更优的性能。

附图说明

图1为阅读器分布的实例图；

图2为实例中阅读器通信的时序图；

图3为基于多信道的阅读器碰撞避免方法流程图；

图4为识别失败的次数与阅读器数目关系的仿真结果图；

图5为识别处理时延与阅读器数目关系的仿真结果图；

图6为网络负载与阅读器数目关系的仿真结果图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1、根据阅读器的分布位置，分析其可能产生的碰撞类型，并给出处理方法。

图1所示的是5个阅读器的分布情况，假设所有阅读器的读写半径设置为r，而干扰半径为I，则其潜在的碰撞类型及处理方法如下：

1)阅读器R₁和R₂之间的距离d₁₂＜2r，潜在R～T₁碰撞，因此两个邻居阅读器将被安排在不同通信时隙读取标签信息；

2)阅读器R₃与阅读器R₁和R₂之间的距离：2r＜d₁₃＜I，2r＜d₂₃＜I，潜在R～R碰撞，因此R₃需选择与R₁和R₂不同的信道通信，且不受通信时隙的限制；

3)阅读器R₄不是阅读器R₁,R₂和R₅的相干阅读器，因此不会收到它们的beacon消息。由于阅读器R₃与R₄之间的距离I＜d₃₄＜r+I，潜在R～T₂碰撞，因此这两个阅读器需选择不同的信道读取标签信息，且不受通信时隙的限制；

4)阅读器R₅不是阅读器R₁～R₄的相干阅读器，因此不会收到它们的beacon消息。在本例中R₅可以随便选取时隙和信道读写标签信息，但应受到其相干阅读器和邻居阅读器的限制。

在选择数据信道时，应遵循优选数据信道的准则：阅读器将尽量选取与相关阅读器频率差距最大的信道，以增加路径损耗，减少干扰的产生。控制消息beacon以指定格式传递信道占用信息，以便其他阅读器合理选择读取标签信息时的信道和时隙。路径损耗公式(1)如下：

例，假设d为与阅读器的距离，当标签与阅读器的距离为2m时，根据公式(1)，标签收到阅读器请求信息时的路径损耗为：P_{path loss}＝32+25log(2)＝39.5db。假设激活标签所需的能量为10db，则阅读器收到标签应答信息时的路径损耗为：39.5+39.5+10db＝89db。若每个阅读器的发射功率是相同的，其路径损耗大于89db的阅读器将不会影响此标签正常响应信息的接收。根据公式(1)可得，在同一信道的两个阅读器必须相距76.9m之上，才可避免此类干扰。若选择相邻信道，路径损耗将增加20db，则阅读器间距离在20.6m之上即可避免此类干扰。由此可知选择不同的信道可大大减少能够产生干扰的距离，并且信道频率相差越大效果越明显。

2、实例中各阅读器的通信处理流程及时序分配。

在阅读器与标签通信之前，首先需确定退避时延Delay_time的选取范围，假设阅读器数目N＝150，信道数目n＝20，则选取范围为：[0,round(150/20)]≈[0,7]，其中round()为取整函数，图2为实例中5个阅读器的通信时序图。

在读写标签之前，阅读器要先等待3T_i个时隙，确保没有相干阅读器在控制信道上传输beacon消息，随后需在[0,7]中选取退避时延Delay_time，防止邻居阅读器同时占据数据信道，提高方法的公平性。Delay_time每过一个时隙减1，直到减少为0时，若阅读器依然没有收到相关阅读器的beacon消息，便可占据数据信道读写标签信息。

如图2所示，阅读器R₁与R₂选择的退避时延分别为：6和4，R₂的退避时延小于R₁，因而首先减少到0，R₂先开始占据数据信道与标签通信，而R₁将保留剩余退避时延， 并在原有信道上等待，这是因为阅读器R₁与R₂是邻居阅读器，需选择不同时隙与标签通信，且不受通信信道的限制。图中当R₂通信完毕后，重新选择Delay_time为3，R₁则从记录中恢复剩余时延2，继续随时隙减少，R₁率先减少为0，占据数据信道与标签通信，此时R₂受时隙限制，同样保留剩余退避时延在原信道中等待，依此类推。

为了避免R～R碰撞，阅读器R₃选择了与R₁和R₂不同的数据信道，由于不受通信时隙的限制，从图2中可知，R₃选择的Delay_time为3，率先减少为0，当它与标签进行通信时，并未影响R₂退避时延的减少，R₂随后在不同的信道中同时与其标签进行通信，同理R₁在占用数据信道与标签通信时，也未影响R₃在不同信道中同时与其标签进行通信。R₃为R₁和R₂的相干阅读器，虽在通信时隙的选取上不受这两个阅读器的限制，但依然受到其本身邻居阅读器的影响。

阅读器R₄不是阅读器R₁,R₂和R₅的相干阅读器，因而在时隙和信道的选取上均不受它们的限制；与R₃是相干阅读器，为了避免R～T₂碰撞，需选择与R₃不同的数据信道，但在选取通信时隙上不受限制。从图2实例中看出，R₄与R₂、R₃和R₅可同时通信，但同样要受到其本身邻居阅读器选取通信时隙的影响。

阅读器R₅不是R₁～R₄的相干阅读器，在选取退避时延后，可不考虑其他阅读器信道和时隙选择的限制，当时延减少为0后，即可与其标签通信，但其本身依然受到邻居阅读器选择时隙的影响。

图3为基于多信道阅读器碰撞避免方法的流程图，通过新型通信处理流程，可以看出本方法EMRCA的识别效率高于已有阅读器防碰撞方法，本方法可以采用不同的数据信道和时隙来解决各种潜在的碰撞问题。当出现潜在的R～R和R～T₂碰撞时，阅读器可被安排在不同的数据信道，在相同的时隙与标签通信，可大大提高系统的吞吐量，并通过控制信道接收相干阅读器和邻居阅读器的beacon消息，避免发生各类潜在的碰撞问题。

3、EMRCA的仿真及性能分析

本节将估计本方法与已有方法Dica、MCMAC和DiMAC在以下三个方面的性能：1)识别失败次数；2)识别时延；3)网络负载。

仿真环境：假设T_i为0.5ms，阅读器的读写半径为10m，根据路径损耗模型计算出的干扰半径约为1000m。所有阅读器随机分布在3km³的区域内，数据信道频率范围为：920MHz～925MHz，被等间隔分为20个，控制信道频率为930MHz。每个阅读器将识别100个标签，各项结果为仿真100次的平均值。

1)识别失败次数的性能比较

图4为不同方法之间识别失败次数的仿真结果图，从图中可以看出，随着阅读器数目的增加，Dica和MCMAC方法的识别失败次数是增加的，这是因为Dica只能解决R～T₁碰撞，而MCMAC只能解决R～R碰撞，所以识别失败率较高。DiMAC方法虽然可以解决所有类型的碰撞，但没有考虑携有相同信息的beacon消息同时发送的问题，这将会导致相干阅读器占据同一数据信道或相邻阅读器在同一时隙与标签通信的情况产生，所以其曲线略高于本方法。本方法EMRCA不但可以避免所有类型的碰撞，还可以解决beacon消息冲突问题，识别失败的次数几乎为0，并不随阅读器数目的增加而变化，所以此项性能最优。

2)识别时延的性能比较

识别时延定义为完成所有识别任务所需的时间。图5为不同方法之间识别时延的仿真结果图，可以看出所有方法的识别时延都随着加入阅读器数目的增多而增加，因为此时有更多的识别任务。Dica和MCMAC方法的时延较低，这是因为他们只能解决一部分碰撞问题，有效的识别任务较少。DiMAC和本方法EMRCA都可以解决所有类型的碰撞，但使用DiMAC时，阅读器在每次有新的识别任务时，都必须重新选择信道，费时较长，因而该项曲线高于本方法；而本方法EMRCA不需要每次都重新选择信道，仅在通过跳频才可以解决碰撞问题时选择，在通信前，为了保证阅读器间的公平性，增加了退避时延，但其仅消耗较少的时间，因而本方法的时延消耗低于DiMAC方法。

3)网络负载的性能比较

所有beacon消息在控制信道中的传输流量被定义为网络负载。图6为不同方法之间网络负载的仿真结果图，从图中可以看出，本方法的网络负载最低。MCMAC方法最高，其次是DiMAC，因为其有两个控制信道，很多信息被重复传输。Dica方法的曲线稍高于本方法，这是因为其仅有一个数据信道，需要频繁的在控制信道上传输信息以确保数据信道的有效利用。本方法EMRCA具有多个数据信道可以解决各种类型的碰撞，数据信道不需要在每次有新识别任务时改变，减少了控制信道信息的传输，所以网络负载最低。

由此可见本方法EMRCA相比于Dica、MCMAC和DiMAC在降低识别失败次数、识别延时，网络负载方面具有较好的性能。

Claims (1)

1.一种RFID系统中有效的多信道阅读器碰撞避免方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定阅读器碰撞类型，构建各类阅读器碰撞问题的解决方案：

1、若阅读器间的距离：d(R_i,R_j)<r_i+r_j，则判定标签位于多个阅读器的读写范围内，不能同时响应多个阅读器的读写请求，产生第一类阅读器与标签碰撞类型(R～T₁)；

解决方案：阅读器采用随机选取不同的通信时隙，解决多个阅读器对读写交叉区域的标签同时读取而造成碰撞的问题；

2、若阅读器间的距离满足：max{I_i,I_j}<d(R_i,R_j)<max{r_i+I_j,r_j+I_i}，则判定阅读器与标签通信时，易受其他相关阅读器干扰范围的影响，产生第二类阅读器与标签碰撞类型(R～T₂)；

解决方案：阅读器采用随机选取不同通信时隙的方法，或采用优选数据信道的准则选择不同信道，解决标签获取读写命令时受到相关阅读器干扰范围影响的问题；

3、若阅读器间的距离满足：r_i+r_j<d(R_i,R_j)<max{I_i,I_j}，则判定无源标签在响应阅读器时，易在同一时隙和同一频率受到其他相关阅读器干扰范围的影响，产生阅读器间碰撞类型(R～R)；

解决方案：阅读器采用优选数据信道的准则选择不同信道，解决相关阅读器的干扰范围影响正常标签响应的问题；

其中：阅读器R_i的读写范围半径为r_i、干扰范围半径为I_i；阅读器R_j的读写范围半径为r_j、干扰范围半径为I_j；d(R_i,R_j)表示阅读器R_i与阅读器R_j的距离；在某一阅读器读写范围内的阅读器，称为其邻居阅读器，其余满足上述距离关系能够造成阅读器碰撞的阅读器，均称为其相关阅读器；

所述优选数据信道的准则为：

i)阅读器在空闲信道中选取与其相关阅读器频率差距最大的通信信道；

ii)当R～R碰撞或R～T₂碰撞发生时，若阅读器已有初始信道，则选择跳频到与其相关阅读器频率差距最大的通信信道上；

iii)当R～T₁碰撞发生时，阅读器在初始信道中等待邻居阅读器读写完毕，或跳频到不同时隙通信的其它通信信道；

在整个过程中，当阅读器占用数据信道与标签通信时，周期性在控制信道上发送控制信息beacon，以此引导其他阅读器选取数据信道的操作；

所述Beacon格式为：(a)阅读器ID，唯一标识beacon所属的阅读器；(b)阅读器选取的信道号；(c)校验和，确保beacon信息的正确性；

步骤2：当各阅读器已根据步骤1合理选择信道，则通信处理流程如下：

在空闲阶段：阅读器在数据信道上的信息传输已完成，且没有在控制信道上的通信，阅读器进入空闲阶段；

在等待阶段：当需要与标签通信时，阅读器首先要监听控制信道，当没有beacon消息传送时，则认为没有相关阅读器在此时发送信息，等待3个时隙T_i后，进入竞争阶段；在等待的时隙内，若收到beacon信息，则需判断信息的来源，若由邻居阅读器发出，则需在初始信道中等待，直到邻居阅读器通信完毕，随后继续进入等待阶段；若由相关阅读器发出，则继续减少等待时间，直至时间结束后进入竞争阶段；

在竞争阶段：为了增加公平性，避免邻居阅读器同时读取标签，在每个阅读器与标签通信之前，都必须等待一段延迟时间Delay_time，Delay_time每隔一个时隙减1，直到减少为0，阅读器进入通信阶段。若在Delay_time时间减少的过程中，收到了邻居阅读器的beacon信息，则阅读器回到等待阶段，并将此时Delay_time的值存入当前记录中；

所述延迟时间Delay_time的数值从阅读器先前竞争阶段的记录中获取；若没有先前竞争阶段的记录，则从[0,round{N/n}]中随机选择一个整数进行初始化，其中：N为阅读器数目，n为信道数目，round()为取整函数；

在通信阶段：阅读器占据相应数据信道与标签通信，并在控制信道中周期性广播beacon信息，直到通信结束；若阅读器还有通信请求，则进入等待阶段，否则进入空闲阶段。