RFID 系統(tǒng)中基于中繼傳感器的協(xié)同防碰撞算法*

孫曉玲，鄭 勉，李偉勤

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610500)

0 引 言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)系統(tǒng)［1］中，影響數(shù)據(jù)傳輸完整性的重要因素是多個應(yīng)答器同時競爭無線信道導(dǎo)致閱讀器無法確認數(shù)據(jù)來源發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞［2］。因此，多應(yīng)答器進入多閱讀器探測范圍內(nèi)時，需要通過識別正確信號消除其它信號干擾，為閱讀器與應(yīng)答器之間建立正確、穩(wěn)定和可靠的通信［3］，成為RFID 系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。

Fyhn K 等人［4］在多個閱讀器會話過程中，基于實際的樹防沖突協(xié)議集成和可靠的標記算法提高標記的概率估計的可靠性。文獻［5］結(jié)合影響RFID 系統(tǒng)識別率的關(guān)鍵因子，得出了標簽與閱讀器平面夾角、讀寫器天線數(shù)量、標簽與讀寫器距離等關(guān)鍵參數(shù)。文獻［6］優(yōu)化了搜索效率從而降低了系統(tǒng)空閑率。文獻［7］提出了輪胎嵌入式超高頻無源RFID 系統(tǒng)功率傳遞模型。

針對RFID 系統(tǒng)中的多閱讀器與數(shù)據(jù)碰撞帶來的多應(yīng)用、多樣性服務(wù)等問題，提出了一種適用于RFID 系統(tǒng)的基于中繼傳感器的協(xié)同防碰撞機制，主要包括:1)設(shè)計了一種避免數(shù)據(jù)碰撞的中繼傳感器;2)為了實現(xiàn)RFID 系統(tǒng)中繼傳感器協(xié)同合作設(shè)計了傳感器外圍電路;3)基于系統(tǒng)工作區(qū)異類輻射元的信號，通過中繼傳感器匯聚，提出了協(xié)同防碰撞算法。

1 RFID 系統(tǒng)中繼傳感器

傳統(tǒng)RFID 系統(tǒng)包括:應(yīng)答器、閱讀器和多樣性高層應(yīng)用。對于復(fù)雜的多樣性應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)多閱讀器、多應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)碰撞問題嚴重，導(dǎo)致應(yīng)答器識別效率和準確度下降。

假設(shè)RFID 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞概率為Pt，可以分為以下三種情形:

1)同一應(yīng)答器與多閱讀器之間的數(shù)據(jù)碰撞，概率記為Pc1;

2)同一閱讀器與多個應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)碰撞，概率記為Pc2;

3)n 個閱讀器與m 個應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)碰撞，概率記為Pc3。

因此，RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)碰撞從概率分布角度具有式(1)所示關(guān)系

因數(shù)據(jù)碰撞導(dǎo)致電磁場狀態(tài)變化帶來的電感耦合產(chǎn)生的電流，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生干擾，干擾權(quán)重λ 可由式(2)計算得到

其中，S 為碰撞檢測面積，d0為有效通信距離，β 為磁感強度，特別是第三種數(shù)據(jù)碰撞發(fā)生后對系統(tǒng)信號識別和定位產(chǎn)生影響，測量分布情況如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)碰撞效應(yīng)測量分布Fig 1 Measurement distribution of data collision effect

為了消除圖2 所示的碰撞效應(yīng)，對傳統(tǒng)RFID 系統(tǒng)進行擴展，將圖1 所示架構(gòu)增強為圖3 所示，協(xié)同RFID 系統(tǒng)為協(xié)同應(yīng)答器、協(xié)同閱讀器和中繼節(jié)點。

圖2 所示的協(xié)同RFID 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)碰撞概率分布滿足泊松特性如式(3)所示

圖2 協(xié)同RFID 系統(tǒng)架構(gòu)Fig 2 Collaborative RFID system architecture

其中，p 為協(xié)同合作處理后數(shù)據(jù)碰撞平均概率。

通過一組中繼傳感器為應(yīng)答器組合閱讀器組之間提供高效和可靠的數(shù)據(jù)識別和信標定位，預(yù)防數(shù)據(jù)碰撞，該中繼傳感器必須具有與應(yīng)答器、閱讀器之間建立無線通信的天線電路和具有協(xié)同處理功能的微控器，傳感器頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中繼傳感器頭結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of relay sensor probe

使用圖3 所設(shè)計的中繼傳感器，通過傳感器、應(yīng)答器和閱讀器之間的協(xié)同合作，可以對圖2 所示的數(shù)據(jù)碰撞效應(yīng)測量分布優(yōu)化改進。

2 協(xié)同防碰撞算法

基于1 節(jié)中設(shè)計的圖3 所示中繼傳感器頭結(jié)構(gòu)，圖4給出了其外圍電路結(jié)構(gòu)，選用元件包括:16 位80C51 微處理器、CONN—D15F 連接器等。其中，15 位引腳連接器與微處理器的A0 ～A14 連接，A16 為空閑位。

圖4 中繼傳感器結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of relay sensor

加入中繼傳感器節(jié)點的RFID 系統(tǒng)的輻射元包括三類:電流元、磁感元和感知元。由它們構(gòu)成的電磁場覆蓋的空間具有式(5)所示的關(guān)系

其中，I，Φ，S 分別為電流元、磁感元和感知元獲取信號強度，n 為線圈匝數(shù)，ω 為系統(tǒng)工作角頻率，θ 為中繼傳感器感知點與天線線圈原點夾角弧度，H1為磁場強對電流影響系數(shù)，H2為中繼傳感器感知信號對磁場強影響系數(shù)。

在上述三元輻射覆蓋的電磁場中，異構(gòu)信號傳輸循環(huán)流程如圖5 所示。其中，上電過程時為無源應(yīng)答器通過磁感耦合從閱讀器獲得電壓和中繼傳感器電池為微處理器與數(shù)據(jù)發(fā)射前端供電的過程。初始化工作包括:閱讀器發(fā)送檢測信號尋找功能區(qū)域內(nèi)所有應(yīng)答器、應(yīng)答器回復(fù)閱讀器響應(yīng)和中繼傳感器干涉多應(yīng)答器與多閱讀器的碰撞感知。具體信號包括應(yīng)答器信號、中繼信號和匯總信號。

圖5 中繼傳感器與應(yīng)答器端電壓循環(huán)傳輸Fig 5 Voltage loop transmission of relay sensor and transponder terminal

基于中繼傳感器的協(xié)同防碰撞算法流程為:

1)多閱讀器、多應(yīng)答器和中繼傳感器上電;

2)初始化閱讀器和應(yīng)答器芯片，以及中繼傳感器微處理器和外圍電路;

3)多閱讀器的請求命令幀和多應(yīng)答器的響應(yīng)命令幀匯聚至中繼傳感器節(jié)點;

4)中繼傳感器節(jié)點之間協(xié)同合作，利用式(1)～式(3)獲得協(xié)同合作增益;

5)根據(jù)式(4)～式(6)獲得系統(tǒng)匯總信號;

6)閱讀器根據(jù)式(7)得到防碰撞后由中繼傳感器發(fā)送來的正確應(yīng)答器響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 實驗驗證

為了對比和分析所提防碰撞算法與無中繼傳感器的RFID 系統(tǒng)的ALOHA 防碰撞算法的性能表現(xiàn)，實驗環(huán)境布設(shè)情況如下:

1)在100 m×80 m 的舉行區(qū)域內(nèi)部署10 個同類應(yīng)用閱讀器;

2)部署50 個同類應(yīng)用應(yīng)答器;

3)部署5 個中繼傳感器，其參數(shù)設(shè)置:輸出電流為10～20 mA，工作距離為10～20 m，發(fā)射率為0.1～1.1，負載電阻為50 kΩ。

第一組實驗中，設(shè)定應(yīng)答器回復(fù)閱讀器響應(yīng)幀的個數(shù)從10 開始，以步長為10 遞增至50，統(tǒng)計測量閱讀器通過中繼傳感器讀取的時隙數(shù)，結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明:傳統(tǒng)的ALOHA 防碰撞算法隨著系統(tǒng)中應(yīng)答器個數(shù)的增加，閱讀器所需的讀取時隙數(shù)迅速增加，而所提算法因為在應(yīng)答器和閱讀器之間加入了中繼傳感器從而降低了防碰撞所占用的系統(tǒng)資源，有效減少了所需讀取時隙。

圖6 讀取時隙數(shù)Fig 6 Read time slot number

第二組實驗，控制RFID 系統(tǒng)中發(fā)送的數(shù)據(jù)幀個數(shù)從1開始，以5 個幀為步長逐步遞增至30 個。統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)幀從應(yīng)答器到閱讀器的傳輸時延，結(jié)果如圖7 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種防碰撞算法在數(shù)據(jù)幀規(guī)模從1 增大到15 之間，時延變化趨勢相同，所提算法時延明顯比ALOHA 算法短。特別是當(dāng)數(shù)據(jù)幀個數(shù)達到20 后，傳統(tǒng)ALOHA 算法的時延突然迅速增加，而所提算法依然保持平穩(wěn)趨勢，這主要得益于中繼傳感器的協(xié)同合作防碰撞算法，通過匯總來自閱讀器、應(yīng)答器和中繼傳感器的信號，由中繼傳感器協(xié)同處理后正確到達閱讀器或應(yīng)答器，為其通信提供可靠保障。

圖7 傳輸時延Fig 7 Transmission delay

4 結(jié)束語

本文研究了一種適用于多閱讀器應(yīng)答器系統(tǒng)的基于中繼傳感器的協(xié)同防碰撞算法。首先將系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞分為三種情形，根據(jù)數(shù)據(jù)碰撞角度和碰撞效應(yīng)，設(shè)計一種可以避免數(shù)據(jù)碰撞的中繼傳感器結(jié)構(gòu)，然后為了實現(xiàn)多中繼傳感器節(jié)點之間進行協(xié)同合作設(shè)計了外圍電路結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合三類輻射元的信號匯聚提出了中繼傳感器協(xié)同防碰撞算法。實驗結(jié)果表明:所提的基于中繼傳感器的協(xié)同防碰撞算法與傳統(tǒng)的ALOHA 算法相比，在讀取時隙和傳輸時延等方面具有明顯優(yōu)勢。

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