|
|
EDA365欢迎您登录！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
在射频识别技术 RFID( RadioFrequencyIdentification)技术的应用中, 不同阅读器的信号之间互相干扰造成的阅读器冲 突问题是制约系统性能的主要瓶颈之一, 尤其在阅读器密集分布和移动的环境中, 问题更为突出。 结合现有多种抗冲突方法的优 点, 提出一种针对多信道的、阅读器密集分布的 RFID系统的基于 IRCM的抗冲突协议。 仿真表明在多信道、阅读器密集分布的 RFID系统中该协议能显著提高系统效率。
) A3 [* q) G# V0 K( W6 v( s, [9 h5 B+ ]
射频识别技术 RFID是一项自动识别技术。 在一定区域内 一个阅读器会干扰工作在同频率的其他阅读器的工作, 这种现 象称为阅读器冲突。根据产生原因不同, 阅读器冲突可以分为两种:& l a8 Y) r! @6 n- p8 w- M
(1) 阅读器 -阅读器冲突, 阅读器的较强信号干扰了标签微弱的回复信号, 如图 1所示。 ' a+ J. s1 d& K/ J
(2)阅读器 -标签冲突, 多个阅读器同时识读位 于其识读域内的同一个标签时的冲突, 如图 2所示。 图中干扰 域是阅读器无线信号可以到达的范围, 通常大于识读域。
' w8 i, C, v, O" {. v, Q2 D
+ A3 J$ D+ {) c& u6 t3 ~1 {/ t为减少漏读, 通常将多个阅读器密集地配置, EPCGlobal定 义的 Class1 Generation2标准[ 2]将同时工作的阅读器数量相当 于或者大于信道数量的操作环境定义为密集阅读器环境, 但在 密集阅读器环境中冲突问题更为突出。
8 o) o1 u8 s1 | {0 s为了解决阅读器冲突问题, 研究人员提出了很多解决方法, 如文献[ 1, 3] 是研究阅读器冲突的先驱工作, 作者提出了类似 于简单图着色算法的中心近似算法和当地近似算法, 但这些算 法需要知道阅读器的分布。 文献[ 4, 5] 提出了分布式的基于 TDMA的 Colorwave抗冲突算法;EPCGlobalC1G2标准根据 FD- MA, 使阅读器间通信和标签—阅读器间通信分开, 以消除阅读 器和标签之间的冲突;文献[ 6] 提出了一种分层的在线的学习 算法 Q-Learning, 但需要较大的管理开销。 为解决隐藏终端问题, Pulse协议[ 7]提出了基于 TDMA的抗 冲突算法, 为每个阅读器建立一个控制信道, 阅读器工作时在该 信道进行“Beacon”广播, 邻居阅读器收到后会抑制与标签的通 信, 以此避免冲突的发生。 协议实现了阅读器间信息的交互, 显 著提高了移动阅读器环境中的系统效率, 但由于基于 TDMA, 在 多信道环境中会造成信道上的浪费;此外, 阅读器的干扰区域一 般是识读区域的十倍数量级, 要求控制信道比标签信道传播范 围大很多, 不同阅读器的 Beacon信号之间也会有冲突, 这使得 协议的复杂性增大。 ETSIEN302 208[ 8]中定义了一个基于载波侦听 ( CSMA) 的 “listenBeforeTalk” ( LBT)方法, 该方法适合于多信道环境, 通过载波侦听, 选择空闲信道进行通信。 文献[9] 提出了协作 式的 RFID阅读器冲突模型, 并基于此模型提出了一种减轻阅读器冲突的方法。 通常, 阅读器网络是集中式的, 阅读器网络可 以描述为阅读器间直接交互信息的 P2P网络。 在所有可能发 生冲突的阅读器 (称为相邻阅读器 )之间, 通过阅读器网络建立 直接的连接, 就可构建起协作式的 RFID阅读器冲突模型 IRCM ( InterconnectedRFIDReaderCollisionModel) 。 IRCM是一个分 布式自组织的 Overlay网络, 该网络为互相干扰的阅读器提供了 一个可以交互信息的平台。
, j; r# A* d6 O8 d
( y3 Z7 V9 D, k' {1、基于IRCM的抗冲突协议思想- w4 {3 F4 I. a' b
基于 IRCM, 工作在多信道的系统中, 各阅读器通过 IRCM 告知邻居阅读器自己的工作情况, 每个阅读器因此可以清楚所 有信道的占用情况, 通过自动地选择没有被占用的信道, 实现对 冲突的避免。 通过不断地重构 IRCM, 可进一步适应阅读器移 动的环境。 为了避免未察觉的冲突, 当阅读器进入工作状态时, 引入 LBT中的 CSMA侦听机制。 在多信道的环境中, 研究人员发现:当某个阅读器在某个信 道中工作时, 除了在一个相当大的区域范围内阻止其他阅读器 使用该信道, 也会在一定区域内阻止使用该信道的相邻信道。 这是由于阅读器工作信号的边带功率通常也在一定频谱范围内大于 CSMA的门限功率, 文献[10] 对此作了具体的分析, 表 1 给出室内环境中天线在某个信道上工作时, 其他阅读器的天线 能使用这个信道或者旁边信道的最小距离。
7 U \$ `/ s! m0 m3 ]8 j
6 t9 D4 h7 K$ J0 j+ h; J! Y& N7 n
在密集阅读器环境中, 考虑邻居阅读器占用多个信道的情 况。 阅读器可以通过对邻居的传输信号进行频谱分析的方法获 知其占用信道的情况, 但对阅读器提出了相当高的要求;阅读器 也可以采用逐个信道侦听的办法, 但相邻信道很可能与其它阅 读器的旁带相重叠, 无法区分, 且这种方法耗时太多;比较简单 而且实用的方法是每个阅读器保存从邻居阅读器到自身的信道 衰减, 同时邻居阅读器告知自己的发射功率和占用的信道, 这样 阅读器便可以根据发射功率和信道衰减计算出接收信号的功 率, 再根据信号的频谱特征可以计算出在各个信道上的功率, 比 较判断的门限功率便可得出邻居阅读器占用的信道个数, 以避 免冲突的发生。# w4 t1 g: w, b1 n" z0 ?
5 v7 n, d9 ~% Q% j- Z" ?8 y2、协议内容7 {+ G+ Y) e; g: @( I6 V
将通过网络设备例如 (交换机、路由器或者集线器 ) 连接的 多个阅读器如文献 [9] 所述, 构建为一个 P2P的阅读器网络。 系统开始工作后, 各阅读器利用冲突检测功能, 逐个发现自己的 邻居并建立连接, 构建起 IRCM。标示系统中所有的可用信道, 每个阅读器维护一个邻居列表和活动邻居列表, 前者包含所有 已知的邻居和该邻居到自身的信道衰减, 后者包含所有正在工 作的邻居和其所占用的信道, 可见后者中的阅读器集合是前者 的阅读器集合的子集。 在任一时刻将所有正在工作的邻居所占 用的信道去除, 就得到了对于该阅读器来说的空闲信道。
/ s0 c4 i A$ r: ^ \% \7 Z& M8 W2.1 协议流程
$ W7 v- r* c H图3描述了协议的基本流程。当阅读器有工作要求时, 首先进入等待状态, 检查自身的空闲信道列表, 如果该表不为空, 则阅读器随机选择一个信道, 进入竞争状态。否则在此状态等待,直到空闲信道列表不为空, 即有信道被释放,选定一个空闲的信道并进入竞争状态。
5 X9 Q' O6 {2 N- O0 h+ ?# i" E
1 E3 I) I3 t# D: W
在竞争状态, 阅读器等待一个随机设定的后退等待时间, 其 目的是防止当有信道释放时, 多个阅读器同时挤占信道。 在竞 争期间如果收到邻居阅读器的 Start Working消息, 则暂停等 待, 并开始信道衰减检查过程 (该过程在协议流程图中没有标 示 ), 如果该过程显示所选定的信道被占用, 则阅读器返回等待 状态, 否则继续等待。 在等待结束时进行 CSMA侦听, 确认空闲 就结束竞争状态, 进入阅读状态。 进入阅读状态, 阅读器向所有邻居发出 Start Working信 息, 其中包含自身 ID、发射功率和所选信道, 并开始与标签的通 信 。收到信息的邻居将该阅读器添加进活动邻居列表, 并更新 空闲信道列表。阅读器工作结束时向所有邻居发出 End Work- ing消息, 回到空闲状态或者开始下一轮工作, 邻居收到消息后 将其从活动邻居列表中删除。 若邻居阅读器没收到 End Work- ing消息, 且收到 Start Working消息已超过一个阅读周期, 则也 将其从活动邻居列表中删除。 为了实现协议, 须考虑两个问题:信道衰减的检查及邻居发现。0 g2 Q- _) Y# j1 i
0 Q) c3 ^" L7 d) s2.2 信道衰减检查过程4 H; P/ ~4 E# o; W) X$ b' X
当阅读器收到 Start Working消息且自身不处于阅读状态, 则启动一个信道衰减检查过程, 即侦听来自该邻居的接收信号 功率, 并计算信道衰减, 若与原有记录不符, 说明两者之间的距 离发生变化。 由于无线信号固有的功率震荡, 当衰减变化值超 过一定阈值 ( 3db) 时才说明阅读器间距离的改变将会影响到所 占用信道情况, 此时更新原有纪录, 并且回复一个信道衰减改变 消息, 其中包括最新的信道衰减值。 收到该消息的阅读器作同 样的更新。 实际中信道衰减总是在一定范围内震荡, 且考虑到 功率侦听的误差, 需要信道衰减的变化超过一定阈值, 方进行信息更新和回复。 如果收到 Start Working的邻居阅读器处于阅读状态, 则不 需该过程, 因为此前自身开始阅读时, 所有邻居包括对方, 已检 查过信道衰减, 通常一个阅读周期是很短的, 没必要在这极短的 时间内再次检查, 且此时双方已经可以同时工作。 通过对工作的邻居进行信道衰减检查, 可以实现对大部分 的邻居阅读器位置移动进行跟踪, 对于该过程所不能跟踪的移 动情况, 下面将要介绍的新邻居发现机制可以及时发现。
7 k" z* Q& G7 c9 s3 l
" d0 n/ K$ c3 Z4 u$ V$ L2.3 新邻居发现过程, [# S3 S% r. v. u' x$ Z
在系统初始工作之时以及阅读器的移动造成原本不相干扰 的阅读器互相干扰时, 阅读器的新邻居发现机制都会起作用。 该机制和普通的冲突检测基本相同:如果阅读器与标签通信过 程中发生阅读器碰撞, 说明有新的邻居靠近了该阅读器, 或者原 有邻居的位置更加靠近了该阅读器, 此时阅读器停止相关工作 进入邻居发现状态。 在该状态阅读器等待一个随机延迟后进行 CSMA侦听, 若 发现信道被占用, 则用冲突检测能力获得冲突方的 ID。 若是新 邻居, 计算出其所占用的信道添加进邻居列表, 并根据 ID值找 到其在 IRCM中的地址, 发出邻居关系建立消息, 其中包含计算 出的信道衰减。 对方收到消息添加记录并回复, 双方结束邻居 发现状态回到等待状态。 若是原有邻居, 说明双方距离变小, 只 需更新信道衰减值。 若在该状态等待随即延迟后的 CSMA侦听 中信道空闲, 则自身开始恢复工作, 以使对方首先开始发现自 己, 等待延迟的目的是防止冲突双方同时开始恢复工作, 再次发 生冲突。 如果阅读器在竞争状态结束时的 CSMA侦听中发现信道被 占用, 而在此前的等待期间没有收到关于占用该信道的消息, 其 原因也是上述两种之一, 也需要进入邻居发现状态, 过程与上述 基本相同, 不过直接将延迟时间设置为零, 即不需作等待直接获 取对方 ID。 总起来看, 在 RFID系统工作过程中, 阅读器的移动情况可 以表示为三种:新邻居产生, 原有邻居的所占信道数变大, 原有 邻居的所占信道数变小乃至邻居关系解除。 信道衰减检查, 可 以发现第二种和第三种情况, 新邻居发现过程可以发现第一种 和第二种情况, 可见该协议可以实现对系统中阅读器的实时跟 踪和反映, 保证信息的有效性, 从而尽可能地实现对冲突的避 免, 而且尽量地最大化了对信道资源的利用, 提高了系统效率。9 q" Q9 ?: Y1 L ~2 X o# C& ]
|
|
/1 
发表于 2022-9-27 11:27
收藏
淘帖
支持！
反对！