RFID讀寫器抗沖突研究

　　1 讀寫器的干擾

　　讀寫器的沖突是指由一個(gè)讀寫器檢測(cè)到，并且由另一個(gè)讀寫器所引起的干擾。它主要有三種表現(xiàn)形式。

　　(1)讀寫器與讀寫器之問的干擾：當(dāng)一個(gè)讀寫器發(fā)射較強(qiáng)的信號(hào)與一射頻標(biāo)簽反射回的微弱信號(hào)相干擾時(shí)，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(qū)。從射頻標(biāo)簽Tl反射回的信號(hào)到達(dá)讀寫器R1，很容易被讀寫器R2發(fā)射的信號(hào)干擾。這種干擾即使兩個(gè)讀寫器閱讀范圍沒有重疊也有可能產(chǎn)生。

　　(2)多讀寫器到標(biāo)簽問的干擾：當(dāng)多個(gè)讀寫器同時(shí)閱讀同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)引起了多讀寫器到標(biāo)簽間的干擾，如圖2 所示，兩個(gè)讀寫器閱讀范圍重疊。從讀寫器Rl和R2發(fā)射的信號(hào)可能在射頻標(biāo)簽Tl處產(chǎn)生干擾。在這種情況下，標(biāo)簽T1不能解密任何查詢信號(hào)并且讀寫器R1 和R2都不能閱讀T1。因?yàn)樽x寫器沖突，讀寫器Rl能閱讀標(biāo)簽T2和T3，但是不能閱讀標(biāo)簽Tl，因此，讀寫器R1指示兩個(gè)射頻標(biāo)簽存在而不是3個(gè)。

圖１　讀寫器到讀寫器間的干擾

圖２　讀寫器到標(biāo)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(gè)讀寫器閱讀范圍沒有重疊，但讀寫器R2發(fā)射的信號(hào)與讀寫器R1發(fā)射的信號(hào)在標(biāo)簽T處干擾。這種情況同時(shí)發(fā)生在兩個(gè)讀寫器不在相互偵聽范圍內(nèi)時(shí)，使射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)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(shí)使射頻識(shí)別系統(tǒng)總的閱讀速率減慢，而且這些問題在移動(dòng)或手持式讀寫器中更加嚴(yán)重。因此，減少讀寫器沖突是必須的。

　　2 相關(guān)工作和研究

　　2．1 讀寫器沖突的主要特點(diǎn)

　　讀寫器沖突主要有下列特點(diǎn)：
①隱藏節(jié)點(diǎn)問題是讀寫器沖突問題的一個(gè)方面。兩個(gè)讀寫器不在相互偵聽范圍內(nèi)而在標(biāo)簽處干擾時(shí)，使射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中正常的載波偵聽無法工作。
②當(dāng)多個(gè)讀寫器詢問／發(fā)射的信號(hào)在某射頻標(biāo)簽處沖突時(shí)，該點(diǎn)的信號(hào)會(huì)變得非常雜亂并且射頻標(biāo)簽不能再接收任何讀寫器詢問／發(fā)射的信號(hào)。
③所研究的射頻標(biāo)簽是被動(dòng)式標(biāo)簽，因此標(biāo)簽本身既不能調(diào)整也不能主動(dòng)與讀寫器通信以避免沖突。射頻標(biāo)簽是在被讀寫器詢問信號(hào)激活后才能通信。

　　2．2 相關(guān)的多址機(jī)制

　　常用的多址機(jī)制不能直接應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，因?yàn)椋?BR>①FDMA。FDMA方式中，讀寫器使用不同的頻率和射頻標(biāo)簽通信。由于射頻標(biāo)簽沒有頻率調(diào)諧電路，因此射頻標(biāo)簽不能選擇一個(gè)特定的讀寫器與其通信。如果射頻標(biāo)簽增設(shè)頻率調(diào)諧電路功能，將大大增加射頻標(biāo)簽的成本，因此FDMA不適合應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中。
②TDMA。TDMA方式中，讀寫器被分配不同的時(shí)隙，以避免讀寫器同時(shí)詢問／發(fā)送射頻信號(hào)。這類似于圖論中的圖形著色問題，是一個(gè)NP-hard問題。在移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)中，沒有干擾的讀寫器因?yàn)橐苿?dòng)靠近而出現(xiàn)干擾，需要重新分配時(shí)隙。動(dòng)態(tài)的分配時(shí)隙減小了RFID系統(tǒng)閱讀速率。
③CSMA。RFID網(wǎng)絡(luò)，像其他的無線網(wǎng)絡(luò)一樣，存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題。讀寫器不在互相偵聽范圍內(nèi)在標(biāo)簽處發(fā)生干擾，因此僅僅依靠載波偵聽無法避免RFID網(wǎng)絡(luò)中的沖突問題。
④CDMA。CDMA需要在射頻標(biāo)簽上增設(shè)額外的電路，大大增加了標(biāo)簽的成本，并且分配碼給所有網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽是一件非常復(fù)雜的工作。因此CDMA不是一種成本低且有效的方案。

　　2．3 相關(guān)的抗沖突機(jī)制

　　常見的抗沖突協(xié)議，如RTS-CTS，不能直接應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中，因?yàn)椋?BR>①傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)回發(fā)CTS信號(hào)給發(fā)送者。然而在RFID系統(tǒng)中，如果讀寫器廣播發(fā)送一RTS信號(hào)，所有在讀寫器閱讀范圍內(nèi)的標(biāo)簽都得回發(fā)CTS信號(hào)給發(fā)送者讀寫器。這需要給這些CTS信號(hào)設(shè)計(jì)另外的抗沖突機(jī)制，將使這種協(xié)議更加復(fù)雜。
②有可能因?yàn)闆_突，一些標(biāo)簽(如T1)沒有接收到RTS信號(hào)而另外一些標(biāo)簽(如T2)接收到了RTS信號(hào)。在這種情況下，從T2回發(fā)的CTS信號(hào)不能確定在讀寫器的閱讀范圍內(nèi)沒有沖突。如何確定讀寫器接收了在其閱讀范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽的CTS信號(hào)，對(duì)于讀寫器是否存在沖突是非常重要的。

　　2．4 相關(guān)的讀寫器抗沖突方法

　　2.4.1 UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)：UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是由EPCglobal制定的。該標(biāo)準(zhǔn)把讀寫器和射頻標(biāo)簽的信號(hào)傳輸分割開，這樣沖突只能在標(biāo)簽與標(biāo)簽間或者讀寫器與讀寫器問發(fā)生。這種分割使讀寫器和射頻標(biāo)簽信號(hào)在不同的頻道上傳輸，解決了讀寫器問的干擾。然而，標(biāo)簽沒有頻率選擇性。因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)讀寫器用不同的頻率同時(shí)與標(biāo)簽通信時(shí)，標(biāo)簽不能調(diào)諧到特定的頻率．所以會(huì)在標(biāo)簽處發(fā)生沖突。因此該標(biāo)準(zhǔn)仍存在多讀寫器到標(biāo)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(guī)定每一個(gè)讀寫器從0到maxColors中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙(顏色)傳輸數(shù)據(jù)。如果發(fā)生了沖突，讀寫器選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)，并且發(fā)送一個(gè)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(gè)新的時(shí)隙(顏色)。如果鄰近的讀寫器有同樣的時(shí)隙(顏色)，它重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)并發(fā)送一個(gè)kick。這樣一直繼續(xù)下去。這種轉(zhuǎn)換和駐留的動(dòng)作就被稱為kick。每一個(gè)讀寫器跟蹤當(dāng)前的時(shí)隙是什么顏色。Colorwave算法要求在讀寫器之間時(shí)間同步，同時(shí)假定讀寫器能夠檢測(cè)到 RFID系統(tǒng)中的沖突。然而，僅僅用一個(gè)讀寫器檢測(cè)在標(biāo)簽處發(fā)生的沖突是不可行的，除非標(biāo)簽也參加沖突檢測(cè)，并且讀寫器移動(dòng)將會(huì)重新分配時(shí)隙，重新分配的時(shí)隙傳播整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的無效。

　　2.4.3 ETSl EN 208標(biāo)準(zhǔn)：ETSI EN 208是一個(gè)為RFID讀寫器開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它基于CSMA協(xié)議的“先聽再說”。讀寫器首先在一特定的小時(shí)間段里偵聽數(shù)據(jù)通道里任何正在進(jìn)行的通信。如果在那段時(shí)間里，數(shù)據(jù)通道空閑，它將閱讀標(biāo)簽；如果通道忙，它隨機(jī)選擇一段退避時(shí)間。然而，正如前面所講，讀寫器僅僅依靠載波偵聽不能檢測(cè)到?jīng)_突。

　　 2.4.4 Q學(xué)習(xí)算法：Q學(xué)習(xí)算法提出了一種HiQ、多層、在線的學(xué)習(xí)算法。該算法通過學(xué)習(xí)讀寫器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫器，動(dòng)態(tài)地解決 RFID系統(tǒng)中讀寫器的沖突問題。Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)如圖4所示。讀寫器發(fā)送沖突消息給讀寫器級(jí)服務(wù)器層(R-Server)。然后單個(gè)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(xiàn)干擾。R-Server通過Q學(xué)習(xí)服務(wù)器(Q-server)被分配到頻率和時(shí)隙。根Q-server具有所有頻率和時(shí)隙資源的全部知識(shí)，并且能分配它們。Qserver不像R-Server一樣，沒有單個(gè)讀寫器問約束關(guān)系，這種關(guān)系通過該層下面的服務(wù)器之問的相互作用來推斷。

圖４　Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)
這種方法如果應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中，將存在下面的問題：
①協(xié)議保持多層結(jié)構(gòu)需要額外的管理開銷。
②對(duì)于移動(dòng)的讀寫器來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定的變化將會(huì)改變Q學(xué)習(xí)算法的多級(jí)結(jié)構(gòu)。這就需要重新分配時(shí)隙，將花去更多的時(shí)間并使系統(tǒng)無效。
③Q學(xué)習(xí)假定讀寫器的沖突檢測(cè)不在讀寫器相互的偵聽范圍內(nèi)。然而，并不是所有的沖突都能檢測(cè)到，這將導(dǎo)致協(xié)議的不正確操作。
④使用時(shí)隙需要所有的讀寫器同步，這種同步將是整個(gè)系統(tǒng)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(dòng)讀寫器的RFID網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，必須尋求一種具有實(shí)際意義且有效的適合各種情況的RFID系統(tǒng)。

　　3 一種減少讀寫器沖突的新算法

　　3．1 新算法的提出

　　在設(shè)計(jì)讀寫器抗沖突協(xié)議時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素就是射頻標(biāo)簽是被動(dòng)式的，因此不能參與抗沖突；同時(shí)任何增加給標(biāo)簽的新功能都將增加標(biāo)簽的成本。因此希望尋求一種標(biāo)簽不參與的抗沖突協(xié)議。

　　RFTD網(wǎng)絡(luò)存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題，如圖5所示。R1和R2不在相互的偵聽范圍內(nèi)，但是在T處從讀寫器R2發(fā)射的信號(hào)與從讀寫器R1發(fā)射的信號(hào)發(fā)生干擾。在這種情形下，R1和R2間需要一個(gè)通知機(jī)制。這樣，當(dāng)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(biāo)簽的通信。我們把這種通過廣播形式發(fā)送的消息稱為“信標(biāo)”。當(dāng)一個(gè)讀寫器正在與射頻標(biāo)簽通信時(shí)，它將周期性地在一個(gè)獨(dú)立的控制通道里發(fā)送信標(biāo)。

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(gè)讀寫器在相互的數(shù)據(jù)通道(該通道用來閱讀標(biāo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通道發(fā)射更高的功率達(dá)到的。控制通道是RFID頻譜中除那些用作讀寫器與標(biāo)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(shù)據(jù)通道上正在進(jìn)行的通信。數(shù)據(jù)通道被用作讀寫器與標(biāo)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(shí)接收控制通道和數(shù)據(jù)通道上的信號(hào)。

　　3.2 新算法信標(biāo)的幀格式

　　新算法只為讀寫器設(shè)計(jì)，因?yàn)樯漕l標(biāo)簽不參與抗沖突活動(dòng)。信標(biāo)的幀格式如下：

　?、賻愋停甘驹摂?shù)據(jù)包是信標(biāo)數(shù)據(jù)。它可以分割成幀類型和序列號(hào)，序列號(hào)指明將被發(fā)送的信標(biāo)的數(shù)量。
②源地址，包括發(fā)射信標(biāo)的讀寫器的地址。在該結(jié)構(gòu)中信標(biāo)沒有目標(biāo)地址，因?yàn)樾艠?biāo)是在控制通道廣播發(fā)送。
③CRC檢驗(yàn)，用來檢測(cè)錯(cuò)誤和校正，是數(shù)據(jù)包循環(huán)冗余檢驗(yàn)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(biāo)簽通信前，必須在等待狀態(tài)至少等待tmin時(shí)長(zhǎng)。該時(shí)長(zhǎng)等于3倍的信標(biāo)間隔時(shí)間。時(shí)長(zhǎng)tmin類似于802．11算法DIFS時(shí)間。在該狀態(tài)，讀寫器每接收到一個(gè)信標(biāo)，它重新復(fù)位等待時(shí)長(zhǎng)為tmin。

　?、谧x寫器如果在時(shí)長(zhǎng)tmin消耗完了還沒有接收到任何信標(biāo)，讀寫器推斷出在其附近沒有其他的讀寫器在閱讀標(biāo)簽。于是讀寫器進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)階段，并且從時(shí)間間隔 [OACW]中選擇一隨機(jī)退避時(shí)間。如果它選擇i，那么讀寫器必須在競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)等待i個(gè)信標(biāo)時(shí)間間隔時(shí)間。如果讀寫器現(xiàn)在接收到一個(gè)信標(biāo)，它就丟失現(xiàn)在的周期，在下一個(gè)周期等待。例如在tmin時(shí)長(zhǎng)接收到了信標(biāo)，它將在下一個(gè)tmin時(shí)長(zhǎng)等待。如果隨機(jī)退避時(shí)間結(jié)束，讀寫器還沒有接收到信標(biāo)，該讀寫器就認(rèn)為沒有其他的讀寫器和它競(jìng)爭(zhēng)，因此該讀寫器就在控制通道上發(fā)送信標(biāo)，并且在數(shù)據(jù)通道上和標(biāo)簽通信。該隨機(jī)退避時(shí)間幫助讀寫器問避免產(chǎn)生沖突。否則，許多其他讀寫器在等待時(shí)長(zhǎng)tmin后會(huì)同時(shí)發(fā)送信標(biāo)。隨機(jī)退避時(shí)間是多倍的信標(biāo)間隔長(zhǎng)，提高了競(jìng)爭(zhēng)的公平性。

　　③當(dāng)讀寫器與標(biāo)簽通信時(shí)，讀寫器在控制通道上每隔一信標(biāo)間隔時(shí)長(zhǎng)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)。該信標(biāo)通知鄰近的讀寫器，以便阻止它們與標(biāo)簽的通信，這樣避免了沖突。在與標(biāo)簽通信結(jié)束后，讀寫器重新回位到等待狀態(tài)，繼續(xù)余下的周期。

　　④每次讀寫器發(fā)送一信標(biāo)，它首先檢測(cè)控制通道。如果控制通道忙，就一直檢測(cè)下去。一旦檢測(cè)到控制通道空閑，讀寫器就等待一隨機(jī)延遲并再一次檢測(cè)通道和發(fā)送信標(biāo)。該隨機(jī)延遲是多倍的信標(biāo)傳播延遲，以避免沖突。否則，許多讀寫器在信道空閑時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)送信標(biāo)。算法中的競(jìng)爭(zhēng)延遲及發(fā)信標(biāo)前延遲與通常的無線網(wǎng)絡(luò)中的退避相似。一旦控制通道檢測(cè)到空閑競(jìng)爭(zhēng)延遲和發(fā)信標(biāo)前延遲，計(jì)數(shù)器減少；當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)；當(dāng)控制通道檢測(cè)到空閑后，計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。并且，如果讀寫器在競(jìng)爭(zhēng)階段的退避期間接收到信標(biāo)，它就會(huì)存儲(chǔ)余下的退避計(jì)算時(shí)間等待下一次機(jī)會(huì)。例如，在tmin時(shí)間內(nèi)讀寫器接收了信標(biāo)，當(dāng)讀寫器重新進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)階段時(shí)，讀寫器利用余下的退避時(shí)間。這樣做的目的是提高讀寫器間的公平。

　　4 結(jié)論

　　分布式讀寫器抗沖突算法，通過在控制通道上周期地發(fā)送信標(biāo)來達(dá)到抗沖突的目的。與CSMA機(jī)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(dá)98％。它需要讀寫器較少的花銷，完全不需要射頻標(biāo)簽參與抗沖突。該算法同時(shí)還適合移動(dòng)或手持式閱讀器的射頻網(wǎng)絡(luò)，具有重大的實(shí)用價(jià)值。