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一种时间高效的易于实现的多标签射频识别技术
资料介绍
多标签碰撞问题严重影响射频识别RFID系统的识别效率.在研究子帧观测机制的基础上,针对常规动态帧时隙Aloha多标签防碰撞算法存在的复杂度高、时间效率低等问题,提出了一种基于子帧的动态帧时隙Aloha算法,其在识别过程中采取设定的子帧观测,运用空闲与碰撞时隙数的关系估计剩余标签数,再依据预估的结果优化设置新的帧长,显著提升了大容量多标签RFID系统的识别效率.该算法的运算复杂度低、计算量小,易于在常规RFID读写器中实现,工程应用前景广阔.仿真结果表明:同传统的Aloha类防碰撞算法相比,提出的算法具有复杂度低、稳定好、识别效率高等优势.
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Vol． 46 No． 4
Apr． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
4
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
一种时间高效的易于实现的
多标签射频识别技术
1，3
2
3
， ，
苏 健 杨晓娇 韩 雨
( 1．
，
南京信息工程大学计算机与软件学院 江苏南京
210044; 2．
，
重庆交通大学信息技术中心 重庆
400074;
3．
， 611731)
电子科技大学通信与信息工程学院 四川成都
:
RFID
．
，
摘
要
多标签碰撞问题严重影响射频识别
系统的识别效率 在研究子帧观测机制的基础上 针对常规
、 ， Aloha
多标签防碰撞算法存在的复杂度高 时间效率低等问题 提出了一种基于子帧的动态帧时隙
Aloha
动态帧时隙
， ， ，
算法 其在识别过程中采取设定的子帧观测 运用空闲与碰撞时隙数的关系估计剩余标签数 再依据预估的结果优化
，
设置新的帧长 显著提升了大容量多标签
RFID ． 、 ， RFID
系统的识别效率 该算法的运算复杂度低 计算量小 易于在常规
， ． :
读写器中实现 工程应用前景广阔 仿真结果表明 同传统的
Aloha
， 、
类防碰撞算法相比 提出的算法具有复杂度低 稳
、
定好 识别效率高等优势
．
:
;
;
;
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
射频识别 防碰撞 复杂度 时间效率
:
TP399
:
A
:
0372-2112 ( 2018) 04-0903-08
文献标识码
文章编号
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 04． 019
电子学报
A Time-Efficient and Easy-to-Implement
RFID Technology for Multiple Tags
1，3
2
3
SU Jian ，YANG Xiao-jiao ，HAN Yu
( 1． School of Computer and Software，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210044，China;
2． Information Technology Centre，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
3． School of Communication and Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 611731，China)
Abstract: Multiple tags collision problem severely degrade the identification efficiency of an RFID system． Based on
the research of sub-frame observation mechanism，a sub-frame based dynamic framed slotted Aloha ( SUBF-DFSA) algo-
rithm is presented to tackle the high computation complexity and low time efficiency existing in the conventional DFSA al-
gorithm． The SUBF-DFSA algorithm makes effective use of the idle and collision statistics during a sub-frame to estimate
the tag backlog，determine the optimal frame size for the next identification round，so that it can dramatically improve the i-
dentification efficiency of an RFID system with large volume of tags． It is easier to implement into the conventional RFID
reader because of the low computation overhead． Simulation results are supplemented to demonstrate the advantages of the
proposed algorithm in achieving low computation complexity，good stability，and high identification efficiency compared to
the traditional Aloha-based algorithms．
Key words: radio frequency identification; anti-collision; complexity; time efficiency
［1］
． ，
领域 在大多数工业应用中 无源超高频
( UHF) RFID
1
引言
、 、 、
由于其通信距离长 识别速度快 存储容量大 成本低等
( Radio Frequency Identification，RFID)
射频识别
是
，
优点 受到更多的青睐
． RFID
系统的一个典型应用是将
，
一种用于目标自动识别的无线通信技术 现已广泛的
，
大量标签贴在高密集度的产品上 然后快速而有效的
、 、 、
应用于物流管理 供应链管理 室内定位 工业自动化等
． ．
识别它们 从而实现目标产品的追踪与识别 由于多个
: 2016-11-16;
: 2017-02-10;
:
责任编辑 孙瑶
收稿日期
修回日期
:
基金项目 南京信息工程大学人才启动经费
( No． 224314701031)
904
2018
年
电
子
学
报
，
标签共享同一个信道与读写器进行通信 从而导致了
． ILCM
签数估计方法应用于防碰撞算法中
降低了标签
． UHF RFID
，
系统读写器覆盖范围广
，
数估计所产生的能量消耗 但是它的性能随着标签数
多标签碰撞问题
系统内覆盖的标签数目很多 同时对标签的读写要求
UHF RFID
，
．
的增加而恶化
，
DFSA
很高 这样使得
系统的标签碰撞问题更为突
为了降低
算法的计算复杂度和确保其识别
EPCglobal C1 Gen2
． ， 、 、
出 因此 高效 稳定 复杂度低的防碰撞算法是
UHF
，
性能的可靠性 本文针对
了一种基于子帧的动态帧时隙
Dynamic Frame Slotted Aloha，SUBF-DFSA)
标准提出
RFID ， UHF RFID
系统研究的一个核心问题 也是
Aloha( SUB-Frame based
产业
．
化的一个先决条件
．
算法 该算法
，
技术上 多标签防碰撞算法可以分为
Aloha
类算
( m )
基于对当前子帧 完整帧的前 个时隙 的观测来确定
［2 ～ 4］
［5，6］
．
法
和树形算法
树形算法的核心在于碰撞比特
．
下一帧的帧长 在子帧中利用空闲时隙和碰撞时隙的
． ， UHF RFID
识别和追踪技术 然而 在
，
系统中 由于读写
． ，
关系来提高标签估计的有效性 除此之外 考虑到不同
，
器端的接收信号存在频率偏移 导致读写器不能有效
，
时隙状态的持续时间的差异 传统的系统 吞吐 率指
［2，3，10 ～ 12］
，
的检测到具体的碰撞位 因此使得树形算法难以应用
(
)
标签数与所需的总时隙数之间的比率 不
标
［7］
UHF RFID
，
系统中 诸如
EPCglobal C1 Gen2
ISO/
或
到
．
能有效地从识别时间的角度来衡量算法的性能 因此
，
［8］
IEC 18000-6B
．
， EPCglobal C1 Gen2
例如 在
，
系统中 不
．
本文在算法的设计中考虑了时间效率 仿真结果显示
同标签 的 调 制 信 号 的 符 号 速 率 最 大 偏 移 可 以 达 到
SUBF-DFSA
．
在时间效率方面优于现有算法 测试结果
［9］
22%
，
这就意味着不同标签的响应最大间隔时间为
:
进一步表明 本文所提出的
SUBF-DFSA
算法具有很好
R2000
防碰撞
24 s．
μ
， ISO/IEC 18000 － 6B
类似地 在
，
标准中 不同标签
，
的识别性能 超过了
Impinj
公司设计的
15% ．
的符号速率最大偏差达到
．
算法
Aloha
，
类算法无需检测碰撞的具体位置 从而可以
2
算法描述
UHF RFID
． ，
系统 特别地 动态帧时隙
很好地适用于
Aloha( DFSA)
2. 1
Aloha
，
算法 该
帧长的调整策略
DFSA
是目前应用最广泛的一种
:
算法的最大优势在于 将时间分成动态可调整的时隙
，
大多数现存
基于上一个完整帧的观测结果 一旦上一帧的帧长不
． EPCglobal C1 Gen2
标
算法解决碰撞和调整帧长都是
，
多个时隙为一帧 标签在一帧中随机选择一个时隙来
．
， ，
响应读写器操作 在每轮识别中 读写器根据标签剩余
，
合适 性能就会受到较大的影响
． Q
准指定了一种基于帧内调整机制的 算法
， ．
数来动态的调整帧的大小 从而完成对标签的识别 由
Q
算法的
DFSA
，
主要优势在于便于实现 但是标准中并未详细给出具
于
算法对标签数的估计都是基于上一帧的统计
，
结果 一旦出现估计错误就会对最终的性能造成较大
．
体的调整策略
． ，
的影响 为了提高标签数估计的准确性 大多数现有算
SUBF-DFSA
(
算法利用子帧 子帧的大小为
F )
来
sub
，
法采用最优化和循环迭代搜索 这些都要求较高的计
．
确定下一帧的帧长 当读完
F
，
个时隙后 读写器统计
sub
， ． ，
算负载或存储空间 无法满足移动读写器 近来 研究者
．
子帧中空闲时隙和碰撞时隙出现的次数 如果两者的
［10 ～ 12］
DFSA
，
类算法 可以应用到计
们提出了一些先进的
，
比值超过一定的阈值范围 那么读写器就根据子帧中
．
算能力受限的读写器 文献
［10］
提出了一种基于分组
( Grouped Dynamic
． n
统计的结果来调整帧长 假定系统内存在 个待识别标
［3］
RFID
动态 帧 时 隙 的
防 碰 撞 算 法
， F， U
签 帧长为 那么系统吞吐率 可以计算为
:
n － 1
Frame Slotted Aloha，GDFSA) ．
该算法首先预估待识别的
n
1
1 －
U =
·
( 1)
(
)
(
)
F
F
，
标签数 然后采用分组以及动态帧时隙策略对标签进
F = n
，
时 系统可以实现最大吞吐率
0. 368．
EPC-
当
由于
． GDFSA
行识别
算法的标签数估计方法需要不断的迭
Q［7］
global C1 Gen2
，
标准规定 帧长的设定必须为
2
(
其
， ． ［11］
代搜索 这无疑会增加计算开销 文献 提出了一种
Q
0 15
到
) ， F
之间的整数 所以帧长 有时不能严
中
为
( Feasible Easy-to-Imple-
可行的易于实现的防碰撞算法
ment Anti-Collision，FEIA) ．
n． ，
格等于 为了实现稳定的吞吐率 读写器需要针对估
该算法需要在每个时隙都进
． 1 ，
计出的标签数合适的调整帧长 如图 所示 对于不同
，
行一次标签数估计和帧长的设置 这同样会增加读写
F， n ， n F
大小的帧 都对应一组 值 这组 值在该 下可以
，
器的计算成本 特别是计算能力严格受限的移动读写
．
实现最高的吞吐率
．
器 此外
，FEIA
算法受限于一帧中初始时隙为空闲状态
，
为了避免性能恶化 我们针对不同的标签数范围
． ，
的应用场景 为了降低读写器的能耗 作者在文献
［12］
Q
．
推导出了最佳的帧长 给定一个
n， F ( F = 2 )
令 下的
L
( Improved Linear-
引入适度的浮点
中提出了一种提高型线性组合模型
L
Q + 1
F ( F = 2
H
)
，F
F
和 为
H
ized Combinatorial Model，ILCM) ，ILCM
吞吐率与
下的吞吐率相等
H
L
，
相邻的两个帧长 我们有
( Floating Point Operations，FLOP)
运算
，
成本 可以作为标
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