RFID讀寫器抗沖突問題研究

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：王愛明 李艾華 穆曉曦   人氣： 發表時間：2011年10月16日

　　1 讀寫器的干擾

　　讀寫器的沖突是指由一個讀寫器檢測到，并且由另一個讀寫器所引起的干擾。它主要有三種表現形式。

　　(1)讀寫器與讀寫器之問的干擾：當一個讀寫器發射較強的信號與一射頻標簽反射回的微弱信號相干擾時，就引起了讀寫器與讀寫器之間的干擾，其示意圖如圖1所示。讀寫器R1位于讀寫器R2干擾區。從射頻標簽Tl反射回的信號到達讀寫器R1，很容易被讀寫器R2發射的信號干擾。這種干擾即使兩個讀寫器閱讀范圍沒有重疊也有可能產生。

　　(2)多讀寫器到標簽問的干擾：當多個讀寫器同時閱讀同一個標簽時引起了多讀寫器到標簽間的干擾，如圖2所示，兩個讀寫器閱讀范圍重疊。從讀寫器Rl和R2發射的信號可能在射頻標簽Tl處產生干擾。在這種情況下，標簽T1不能解密任何查詢信號并且讀寫器R1和R2都不能閱讀T1。因為讀寫器沖突，讀寫器Rl能閱讀標簽T2和T3，但是不能閱讀標簽Tl，因此，讀寫器R1指示兩個射頻標簽存在而不是3個。

圖１　讀寫器到讀寫器間的干擾

圖２　讀寫器到標簽間的干擾

　　(3)讀寫器沖突使載波偵聽無效：另外一種讀寫器沖突的情況如圖3所示。兩個讀寫器閱讀范圍沒有重疊，但讀寫器R2發射的信號與讀寫器R1發射的信號在標簽T處干擾。這種情況同時發生在兩個讀寫器不在相互偵聽范圍內時，使射頻識別網絡中載波偵聽無效。

圖３　讀寫器沖突使載波偵聽無效

　　除了誤操作，讀寫器沖突同時使射頻識別系統總的閱讀速率減慢，而且這些問題在移動或手持式讀寫器中更加嚴重。因此，減少讀寫器沖突是必須的。

　　2 相關工作和研究

　　2．1 讀寫器沖突的主要特點

　　讀寫器沖突主要有下列特點：
　　①隱藏節點問題是讀寫器沖突問題的一個方面。兩個讀寫器不在相互偵聽范圍內而在標簽處干擾時，使射頻識別網絡中正常的載波偵聽無法工作。
　　②當多個讀寫器詢問／發射的信號在某射頻標簽處沖突時，該點的信號會變得非常雜亂并且射頻標簽不能再接收任何讀寫器詢問／發射的信號。
　　③所研究的射頻標簽是被動式標簽，因此標簽本身既不能調整也不能主動與讀寫器通信以避免沖突。射頻標簽是在被讀寫器詢問信號激活后才能通信。

　　2．2 相關的多址機制

　　常用的多址機制不能直接應用在射頻識別系統中，因為：
　　①FDMA。FDMA方式中，讀寫器使用不同的頻率和射頻標簽通信。由于射頻標簽沒有頻率調諧電路，因此射頻標簽不能選擇一個特定的讀寫器與其通信。如果射頻標簽增設頻率調諧電路功能，將大大增加射頻標簽的成本，因此FDMA不適合應用在射頻識別系統中。
　　②TDMA。TDMA方式中，讀寫器被分配不同的時隙，以避免讀寫器同時詢問／發送射頻信號。這類似于圖論中的圖形著色問題，是一個NP-hard問題。在移動式網絡中，沒有干擾的讀寫器因為移動靠近而出現干擾，需要重新分配時隙。動態的分配時隙減小了RFID系統閱讀速率。
　　③CSMA。RFID網絡，像其他的無線網絡一樣，存在隱藏節點問題。讀寫器不在互相偵聽范圍內在標簽處發生干擾，因此僅僅依靠載波偵聽無法避免RFID網絡中的沖突問題。
　　④CDMA。CDMA需要在射頻標簽上增設額外的電路，大大增加了標簽的成本，并且分配碼給所有網絡中的標簽是一件非常復雜的工作。因此CDMA不是一種成本低且有效的方案。

　　2．3 相關的抗沖突機制

　　常見的抗沖突協議，如RTS-CTS，不能直接應用在RFID系統中，因為：
　　①傳統的無線網絡，只有一個節點回發CTS信號給發送者。然而在RFID系統中，如果讀寫器廣播發送一RTS信號，所有在讀寫器閱讀范圍內的標簽都得回發CTS信號給發送者讀寫器。這需要給這些CTS信號設計另外的抗沖突機制，將使這種協議更加復雜。
　　②有可能因為沖突，一些標簽(如T1)沒有接收到RTS信號而另外一些標簽(如T2)接收到了RTS信號。在這種情況下，從T2回發的CTS信號不能確定在讀寫器的閱讀范圍內沒有沖突。如何確定讀寫器接收了在其閱讀范圍內的所有標簽的CTS信號，對于讀寫器是否存在沖突是非常重要的。

　　2．4 相關的讀寫器抗沖突方法

　　2.4.1 UHF第二代標簽標準：UHF第二代標簽標準是由EPCglobal制定的。該標準把讀寫器和射頻標簽的信號傳輸分割開，這樣沖突只能在標簽與標簽間或者讀寫器與讀寫器問發生。這種分割使讀寫器和射頻標簽信號在不同的頻道上傳輸，解決了讀寫器問的干擾。然而，標簽沒有頻率選擇性。因為當兩個讀寫器用不同的頻率同時與標簽通信時，標簽不能調諧到特定的頻率．所以會在標簽處發生沖突。因此該標準仍存在多讀寫器到標簽間的干擾。

　　2.4.2 Colorwave算法：Colorwave算法是一種基于TDMA分布式算法。該算法規定每一個讀寫器從0到maxColors中隨機選擇一個時隙(顏色)傳輸數據。如果發生了沖突，讀寫器選擇一個新的時隙(顏色)，并且發送一個kick(較小的控制包)給它所有鄰近的讀寫器，告訴它們它選擇了一個新的時隙(顏色)。如果鄰近的讀寫器有同樣的時隙(顏色)，它重新選擇一個新的時隙(顏色)并發送一個kick。這樣一直繼續下去。這種轉換和駐留的動作就被稱為kick。每一個讀寫器跟蹤當前的時隙是什么顏色。Colorwave算法要求在讀寫器之間時間同步，同時假定讀寫器能夠檢測到RFID系統中的沖突。然而，僅僅用一個讀寫器檢測在標簽處發生的沖突是不可行的，除非標簽也參加沖突檢測，并且讀寫器移動將會重新分配時隙，重新分配的時隙傳播整個網絡，將會導致整個系統的無效。

　　2.4.3 ETSl EN 208標準：ETSI EN 208是一個為RFID讀寫器開發的標準，它基于CSMA協議的“先聽再說”。讀寫器首先在一特定的小時間段里偵聽數據通道里任何正在進行的通信。如果在那段時間里，數據通道空閑，它將閱讀標簽；如果通道忙，它隨機選擇一段退避時間。然而，正如前面所講，讀寫器僅僅依靠載波偵聽不能檢測到沖突。

　　2.4.4 Q學習算法：Q學習算法提出了一種HiQ、多層、在線的學習算法。該算法通過學習讀寫器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫器，動態地解決RFID系統中讀寫器的沖突問題。Q學習算法多層結構如圖4所示。讀寫器發送沖突消息給讀寫器級服務器層(R-Server)。然后單個的R-server然后分配資源給它的讀寫器，這樣的方式可使它們之間的相互通信不出現干擾。R-Server通過Q學習服務器(Q-server)被分配到頻率和時隙。根Q-server具有所有頻率和時隙資源的全部知識，并且能分配它們。Qserver不像R-Server一樣，沒有單個讀寫器問約束關系，這種關系通過該層下面的服務器之問的相互作用來推斷。

圖４　Q學習算法多層結構

　　這種方法如果應用在RFID系統中，將存在下面的問題：
　　①協議保持多層結構需要額外的管理開銷。
　　②對于移動的讀寫器來說，網絡拓撲結構不確定的變化將會改變Q學習算法的多級結構。這就需要重新分配時隙，將花去更多的時間并使系統無效。
　　③Q學習假定讀寫器的沖突檢測不在讀寫器相互的偵聽范圍內。然而，并不是所有的沖突都能檢測到，這將導致協議的不正確操作。
　　④使用時隙需要所有的讀寫器同步，這種同步將是整個系統的額外開銷。
　　綜上所述，這些讀寫器抗沖突方法不適合具有移動讀寫器的RFID網絡系統。因此，必須尋求一種具有實際意義且有效的適合各種情況的RFID系統。

　　3 一種減少讀寫器沖突的新算法

　　3．1 新算法的提出

　　在設計讀寫器抗沖突協議時，要考慮的一個重要因素就是射頻標簽是被動式的，因此不能參與抗沖突；同時任何增加給標簽的新功能都將增加標簽的成本。因此希望尋求一種標簽不參與的抗沖突協議。

　　RFTD網絡存在隱藏節點問題，如圖5所示。R1和R2不在相互的偵聽范圍內，但是在T處從讀寫器R2發射的信號與從讀寫器R1發射的信號發生干擾。在這種情形下，R1和R2間需要一個通知機制。這樣，當Rl和T正在通信，R2被通知R1的通信，因此R2可以延遲與射頻標簽的通信。我們把這種通過廣播形式發送的消息稱為“信標”。當一個讀寫器正在與射頻標簽通信時，它將周期性地在一個獨立的控制通道里發送信標。 

圖５　新算法控制通道范圍

　　控制通道的通信范圍，指任何兩個讀寫器在相互的數據通道(該通道用來閱讀標簽)干擾，能夠在控制通道通信。圖5中盡管讀寫器R1和R2相互在數據通道干擾，但它們將在控制通道通信。這是通過在控制通道比數據通道發射更高的功率達到的。控制通道是RFID頻譜中除那些用作讀寫器與標簽間通信的頻譜外的子頻帶。因此，在控制通道上的傳播不影響任何在數據通道上正在進行的通信。數據通道被用作讀寫器與標簽之間的通信，而控制通道被用作讀寫器與讀寫器之間的通信。假定讀寫器能夠同時接收控制通道和數據通道上的信號。

　　3.2 新算法信標的幀格式

　　新算法只為讀寫器設計，因為射頻標簽不參與抗沖突活動。信標的幀格式如下：

　　①幀類型，指示該數據包是信標數據。它可以分割成幀類型和序列號，序列號指明將被發送的信標的數量。
　　②源地址，包括發射信標的讀寫器的地址。在該結構中信標沒有目標地址，因為信標是在控制通道廣播發送。
　　③CRC檢驗，用來檢測錯誤和校正，是數據包循環冗余檢驗部分。

    3．3 新算法的工作流程和步驟

    圖6為該算法的工作流程圖，主要包括下列步驟：

圖６　新算法流程圖

　　①讀寫器在與射頻標簽通信前，必須在等待狀態至少等待tmin時長。該時長等于3倍的信標間隔時間。時長tmin類似于802．11算法DIFS時間。在該狀態，讀寫器每接收到一個信標，它重新復位等待時長為tmin。

　　②讀寫器如果在時長tmin消耗完了還沒有接收到任何信標，讀寫器推斷出在其附近沒有其他的讀寫器在閱讀標簽。于是讀寫器進入競爭階段，并且從時間間隔[OACW]中選擇一隨機退避時間。如果它選擇i，那么讀寫器必須在競爭狀態等待i個信標時間間隔時間。如果讀寫器現在接收到一個信標，它就丟失現在的周期，在下一個周期等待。例如在tmin時長接收到了信標，它將在下一個tmin時長等待。如果隨機退避時間結束，讀寫器還沒有接收到信標，該讀寫器就認為沒有其他的讀寫器和它競爭，因此該讀寫器就在控制通道上發送信標，并且在數據通道上和標簽通信。該隨機退避時間幫助讀寫器問避免產生沖突。否則，許多其他讀寫器在等待時長tmin后會同時發送信標。隨機退避時間是多倍的信標間隔長，提高了競爭的公平性。

　　③當讀寫器與標簽通信時，讀寫器在控制通道上每隔一信標間隔時長發送一個信標。該信標通知鄰近的讀寫器，以便阻止它們與標簽的通信，這樣避免了沖突。在與標簽通信結束后，讀寫器重新回位到等待狀態，繼續余下的周期。

　　④每次讀寫器發送一信標，它首先檢測控制通道。如果控制通道忙，就一直檢測下去。一旦檢測到控制通道空閑，讀寫器就等待一隨機延遲并再一次檢測通道和發送信標。該隨機延遲是多倍的信標傳播延遲，以避免沖突。否則，許多讀寫器在信道空閑時會同時發送信標。算法中的競爭延遲及發信標前延遲與通常的無線網絡中的退避相似。一旦控制通道檢測到空閑競爭延遲和發信標前延遲，計數器減少；當檢測到發送時，計數器停止計時；當控制通道檢測到空閑后，計數器重新計數。并且，如果讀寫器在競爭階段的退避期間接收到信標，它就會存儲余下的退避計算時間等待下一次機會。例如，在tmin時間內讀寫器接收了信標，當讀寫器重新進入競爭階段時，讀寫器利用余下的退避時間。這樣做的目的是提高讀寫器間的公平。

　　4 結論

　　分布式讀寫器抗沖突算法，通過在控制通道上周期地發送信標來達到抗沖突的目的。與CSMA機制相比，它可以降低讀寫器沖突1％～2％，提高讀寫器的閱讀速率高達98％。它需要讀寫器較少的花銷，完全不需要射頻標簽參與抗沖突。該算法同時還適合移動或手持式閱讀器的射頻網絡，具有重大的實用價值。