A framework for fast RFID tag reading in static andmobile environments 一种 RFID 标签的快速阅读体系结构

摘要本文提出了一种用于在标签密集环境中减少平均阅读标签时间的体系结构。在这个提系统提出了 Accelerated Frame Slotted ALOHA (AFSA) 可以与所有基于帧时隙frame slotted ALOHA. 的算法结合在一起使用。 AFSA 通过减少在碰撞和空闲时隙所消耗的比特，减少了读标签的时间。本文将 AFSA 与两种基于 frame slotted ALOHA. 的算法结合在一起使用，其中一个算法中帧的长度是定长的，另一个算法中不固定帧的长度。此外还进一步扩展将 AFSA 运用到对移动标签的阅读中。仿真结果表明，与单独的 ALOHA 算法相比， AFSA 可以减少 40% 的标签阅读时间。

A framework for reducing the average reading time of passive RFID tags in dense environments is introduced. The proposed framework termed Accelerated Frame Slotted ALOHA (AFSA) can be used in conjunction with almost all RFID tag reading protocols that are based on frame slotted ALOHA. It is shown that AFSA reduces the tag reading time by avoiding the wastage in bit times due to collisions and idle slots. The implementation of AFSA in conjunction with two different ALOHA protocols – one with unlimited frame sizes and the other with limited frame sizes is discussed. For both these protocols, extensions of AFSA to read passive tags in a mobile setting are described. Simulation results show that AFSA reduces the average tag reading time by up to 40% with respect to the stand alone ALOHA protocols under bothstatic and mobile settings.

1. 简介

RFID 是一种比现存条码技术更好的自动识别方法。 RFID 的优点是：非接触识别，并且具备存储更多数据的能力。 RFID 用芯片或着说是标签来存储产品的电子码（ EPC ）。标签还拥有一个射频收发器，用来将电子码传送到阅读标签的阅读器。

RFID (Radio Frequency Identification) is an automatic identification scheme considered to be abetter replacement of existing barcode technology. RFID possesses the advantages of contact-less identification and the ability to hold more data with respect to barcode technology. RFID uses silicon chips or tags to store electronic product codes (EPC). The tags also have radio transceivers using which they transmit the EPCs to the devices that probe these tags.本文提出的 AFSA 是通过减少在碰撞和空闲时隙的比特数来减少平均标签阅读时间的。In this paper, we propose a framework called Accelerated Frame Slotted ALOHA (AFSA) whichreduces the duration of bit times wasted due to collisions and idle slots in probabilistic tag reading protocols.

2. 相关工作标签阅读算法可以被分为两类：一个是确定性的，即基于二进制搜索树的算法。另一种是概率性的算法，即基于帧时隙的 ALOHA 算法。在基于 ALOHA 的算法中，每一个标签阅读过程包括三个阶段：广播阶段，读卡器向标签广播帧的长度。帧的长度也就是帧中可用时隙的数目。第二个阶段是传输阶段，没一个标签随即的选择一个时隙来发送 EPC 。如果多于一个标签选择了相同的时隙，就会发生碰撞，则该时隙就会被浪费掉，如果没有任何一个标签选择某个时隙，则该时隙也会被浪费掉。只有那些被唯一的标签所选择的时隙被真正利用，即是成功的时隙。第三个阶段是确认阶段，阅读器通知标签它传送的 EPC 被成功接收。以往的算法中主要是在选择帧长度和选择标签的方法上有所差异。

Almost all of the probabilistic tag reading protocols are based on slotted ALOHA. In these protocols, each tag reading round comprises of three phases. The first phase is the advertisement phase, where the reader broadcasts the frame size to the tags. Frame size refers to the number of time slots available in a frame. The second phase is the transmission phase, during which each tag randomly chooses a time slot within the frame and transmits its EPC. If more than one tag chooses the same time slot, their transmissions collide and the slot will ultimately be wasted. A slot is also wasted when none of the tags choose it for transmitting their EPCs. Only those slots that are chosen by exactly one tag each end up actually being used and such slots are also referred to as successful slots. The third phase is the acknowledgment phase, wherein the reader informs a tag if its transmission was successful or not. While the aforesaid working is common for all the probabilistic protocols, they differ in terms of the way in which they choose the frame size and the way in which they choose the tags that respond in a given round.

basic frame slotted ALOHA (BFSA) 是最简单的算法。在所有的标签阅读过程中，它用固定的帧长度，不管阅读器周围区域有多少标签。因此当标签数目很打或很少时，系统性能都会明显降低。当标签数目很多时，会发生很多碰撞，而当标签数目较少时，很多时隙没有被利用。 DynamicFrame Slotted ALOHA （ DFSA ）通过动态调整帧的长度克服了这个问题，它通过收集并分析上一个阅读过程周的碰撞时隙，空闲时隙，成功时隙的数目，得到下一个阅读周期中合适的帧长度。The basic frame slotted ALOHA (BFSA) [15] is the simplest of all the probabilistic protocols. It uses a fixed frame size for all the rounds, irrespective of the number of tags in the reader’s vicinity. Consequently, the system efficiency1 drops significantly in case of both large and small tag counts. Under large tag counts, lot of collisions occur while under small tag counts, many slots go unused. Dynamic Frame Slotted ALOHA (DFSA) overcomes this problem by dynamically changing the frame size as per the tag count. It gathers and uses information such as number of successful slots, idle slots, and collision slots from the previous round to determine the appropriate frame size for the next round.

DFSA 假设可以确定地增加帧的长度，然而，显示中是不可能做到的。此外，帧的长度过长，在多阅读器的环境中，不同阅读器间会产生干扰。因此提出了一只改进的DFSA 算法即 Enhanced Dynamic Frame Slotted ALOHA (EDFSA) 它利用有限的帧长度，保证了很高的标签阅读速度。 EDFSA 假设帧长度和每个时隙的长度都是相同的，在这个基础上选择每个阅读周期中参与的合适的标签数目，使时隙的利用率最高。While the above DFSA schemes perform well, they assume that the frame size can be increased indefinitely. However, in practice, it may not be possible to do so [18]. In addition, large frame sizes can increase the interference between readers in a multireader environment. Consequently, schemes that can minimize the reading time with limited frame sizes are required. Enhanced Dynamic Frame Slotted ALOHA (EDFSA) [14] is one such scheme that guarantees a high tag reading rate even with a limited frame size. In EDFSA, under the assumption of equal slot durations, the frame size and the number of tags participating in a given round are chosenso as to maximize the probability of a slot being successful.

3.DFSA 和 EDFSA 简介

3.1DFSA

每一个 DFSA 阅读过程包括三个阶段：广播，传输和确认。令 K 代表实际未读的标签数目。在初始化广播阶段之前，阅读器估计 K 值。通过对上一个阅读过程的观测，得到碰撞次数，则未读标签数目的估计值为 =2.3922* 。当标签分组数 G 确定时，下一个阅读过程的帧长度 N= 。然后阅读器广播该帧长度。

3.2EDFSA同样， EDFSA 在开始广播之前要对未读标签的数目进行估计，采用 [12] 中的方法进行估计。当估计数目较小时，令 N= ，当估计数目较大时，阅读器并不会像 DFSA 那样确定地增加帧长度，相反，它限制进入下一个阅读过程的标签数目，以此来保证即使在帧长度较小时也能得到较高的标签阅读比例。在估计标签数目之后，将标签分为不同的组，组数 M 是由最大帧长度和决定的 M=/ 。然后阅读器广播 N,M 值。标签产生一个随机数，并且对该随机数进行取模运算，只有余数为 0 的标签才可以参与本次阅读过程，其余标签则保持沉默。

4.AFSA4.1 系统模型

标签 EPC 为 64 比特，还有 16 比特的循环冗余校验码 CRC ，每一个码的持续时间是4 微秒，采用频移键控的调制模式。阅读器用标志码 0 ， 1 ， NULL 与标签通信。 NULL 代表命令的起点和终点，每一个码的持续时间是 12.5 微秒。结构如图 1 所示。

4.2 实现过程如图 2 所示

阅读器发送复位和同步信号，检测哪些标签进入活动状态。阅读器广播分组数和帧长度。进入阅读周期的标签与阅读器交换一定比特的信息。这之后，其中部分标签进入数据传送状态，其余标签则活到最初的活动状态。进入传送状态的标签发送 EPC ，如果发送被成功接收，标签进入确认状态，如果未被成功接收则回到活动状态。 AFSA 的整个阅读过程包括 5 个阶段，如图 1 所示。

4.2.1 广播阶段阅读器广播 N,M,n 的值， N.,M 值的按照上文提到的方法确定。如果 M=1 ，则所有标签都可以进入该阅读周期，如果 M>1 ，则标签按照 3.2 中的方法确定是否有资格进入本轮阅读。每一个状态为 select 的标签发送一个 1-N 之间的随机数，这代表了标签所选中的时隙。如图 3 所示。

4.2.2 保留阶段他的 ALOHA 算法不同的是，标签并不直接在所选择的时隙将数据发送给阅读器 , 而是在所选时隙发送 n 比特的序列，其中 n 就是广播阶段广播的值。总共有个可能的序列值，标签从这些值中随即选择一个发送给阅读器，如果阅读器成功接收这个序列值，则认为该时隙被某个标签成功的利用，如果阅读器在某个时隙收到一个被改变的信号，则认为在该时隙有碰撞发生。如图 4 所示。

4.2.3 分析阶段在这一阶段阅读器通知标签帧内时隙的状态，状态是通过一个长度为 N 的位图表示的。1 代表成功利用的时隙， 0 代表为成功利用的时隙，又分为两种情况（ 1 ）碰撞（ 2 ）空闲 如图 5 所示

4.2. 4 数据发送阶段那些占用有效时隙的标签才会进入数据传送状态，可以传送数据。假设有效时隙总共为 S ，则标签很容易通过计算位图中 1 的数目来确定自己在 S 中的位置，如图 6 所示。

4.2. 5 确认阶段阅读器发送 1 代表成功接收数据， 0 代表未成功接收数据。所有接收到 1 的标签进入确认状态，其余标签则回到最初的活动状态。如图 7 所示。

一个阅读过程的持续时间

分别代表每个阶段的持续时间，则总的阅读时间为 T ，

=

其中

5移动环境下的 AFSARFID 标签阅读算法面临的其宗一个挑战就是，如何有效地阅读移动的标签。这一部分的目的就是扩展 AFSA 在移动标签阅读中的应用，设计初始标签数目和标签到达和离开的比例，以达到期望的标签阅读率。我们采用 [19] 中提到的模型，即标签由速度为v 的传送带传送进入阅读区域。在静态系统中，只需要在初始化阶段向标签发送同步信号。在移动系统中，由于不断有新的标签进入阅读区域，阅读器要不断的发送同步信号，以使得新进入阅读区域的标签获得同步信号。如图 9 ， 10 所示。

阅读器放置在传送带上方 h米处，阅读器与标签所能通信的最远距离是

是标签在阅读区域内停留的总时间， 其中是获得能量和同步信号的时间 标签可用的传送数据的时间。显然，

，我们选择 保证每一组新的标签在离开阅读区域前至少被初始化一次，T 代表一个阅读过程的总时间， q 代表一个标签要经历的阅读过程的次数。

令 P 代表期望的标签阅读比例，如果 代表标签在一次阅读中被读取的概率，其应该满足下面的条件，

maxl

定义第 i 次阅读的标签分组数为 G ， 为标签标签到达比例。要完成 m-AFSA 的设计，需要

5.1针对 DFSA 的 m-AFSA第 i 次阅读中成功阅读的标签数目是

可以得到 由 12式知，要达到期望的标签阅读比例，标签所经历的阅读次数是

由 q 和等式 11 可得，一次阅读的时间为

由于有 0.368G 标签被阅读，所以应有同样数目的新标签达到。则

可以确定

将 M,N,n 用 G 表示，同时 T 还满足下述等式

通过这两个等式可以确定 G 的值。

6.m-AFSA 在 EDFSA 上的应用对于 EDFSA ，考虑到帧长度的上界，进入阅读区域的标签数目，不仅影响阅读周期的时间 T ，还影响 。在设计系统时，我们令 T 和 G 是完全独立的。我们选择使得 q值最小的 T 值，即使一个标签被阅读的次数最少。对 q 的估计，由等式 11 知， q 不依赖于 t 和 T 。 T 的值与 N,K 和 n 有关。在 EDFSA中，利用表 1 ，得到 N,G 值。由于不断的有新的标签到达，因此在表 1 中，选择可以使吞吐量最大的 N 值。也就是可以将 N 固定为 256. 当 S 值确定时， T 的值就可以知道了， S 与 K 和 n* 有关， n* 是动态变化的，但是其最佳值接近于 2 ，所以选择 2 最为 n* 的近似。当 N 和 n* 确定后， S 就只与 K ，即未读标签数目有关，选择使 S 值，即有效时隙的数目，最大的 K 值。 S 缺的最大值同时也会使 T 最大，因而会使 q 最小，即一个标签被阅读的次数。令 N=256 ， n*=2 ，使 K=336 使 S 最大，根据上述规则和公式， T=520.92ms 。

7 仿真结果7.1 静态设置下系统的性能如前面讨论的，参数 n 在确定标签平均阅读时间时起到了很重要的作用。 N 值过大或过小都会增加阅读标签的总时间，如图 11 所示。

由前面的结论知，当 n=n* 时，可以使阅读时间最小。由图可知， n=2 时，曲线与n=n* 的曲线最为接近。得到这种结果的原因可以由图 12 给出。

对于（ N,K ）的大多数组合， n*=2 ，这就解释了图 11 的试验结果。图 13 是将 AFSA 系统与基于其他算法的系统想比较的结果。显然 AFSA 的系统的阅读时间最短，

7.2 移动设置下系统的性能令 v=5m/s, l=2m,h=1m 。标签阅读比例为 P=99% ， P=99.9%, 阅读标签数目为50000. 由第 6 部分的内容确定确定初始标签分组数 G 和标签离开阅读其区域的比例为 , 仿真试验重复了 20 次。表 2 给出了仿真结果。

从表中可以看出，第一列是使标签阅读比例为 99% 时，所设置的初始的标签数目。从第三，四的对比可知，在 P=99.9% 时，标签离开阅读器区域的比例较低。从表中还可以看出， AFSA显著地提高了系统的吞吐量。这是因为 AFSA 系统减少了每个阅读过程的时间，因此可以实现更多次阅读循环。