adaptive k-way splitting and pre-signaling for rfid tag anti-collision

Adaptive k-Way Splitting and PrAdaptive k-Way Splitting and Pre-Signaling for RFID Tag Anti-Coe-Signaling for RFID Tag Anti-Co

llision llision

RFID RFID 标签反碰撞的自适应标签反碰撞的自适应 KK 路分路分裂和预信号 裂和预信号

Abstract Abstract • 在在 RFIDRFID 系统，阅读器通过共享的无线信道通信查系统，阅读器通过共享的无线信道通信查

询标签来识别标签。当多个标签同时把它们的询标签来识别标签。当多个标签同时把它们的 IDID发送到阅读器，碰撞就会发生，这大大影响了标发送到阅读器，碰撞就会发生，这大大影响了标签识别的性能。因此如何去减少标签碰撞从而加签识别的性能。因此如何去减少标签碰撞从而加快识别速度是非常重要的。现有几种协议防止标快识别速度是非常重要的。现有几种协议防止标签碰撞。可以把它们分为三类：基本签碰撞。可以把它们分为三类：基本 ALOHAALOHA 、、基本树型和基于计数器。其中基于计数器的协议基本树型和基于计数器。其中基于计数器的协议有相对较好的性能。本文使用自适应有相对较好的性能。本文使用自适应 KK 路分开和路分开和预信号的概念提出一个基于计数器的反碰撞算法。预信号的概念提出一个基于计数器的反碰撞算法。我们同样进行仿真实验，将该算法与我们同样进行仿真实验，将该算法与 ISO/IEC 180ISO/IEC 18000-6B 00-6B 反碰撞协议进行比较，证明该算法的先进反碰撞协议进行比较，证明该算法的先进性。性。

• 关键词关键词 :RFID,:RFID, 反碰撞反碰撞 , ISO/IEC 18000-6B , ISO/IEC 18000-6B

1.1. 引言引言• 基于基于 ALOHAALOHA 的协议比较简单，但它有标签饥饿的协议比较简单，但它有标签饥饿

的问题，这使得它们的应答经常相碰撞，它们很的问题，这使得它们的应答经常相碰撞，它们很难识别。基于树型与基于计算器的协议没有标签难识别。基于树型与基于计算器的协议没有标签饥饿的问题。这两类协议的基本思想是重复地把饥饿的问题。这两类协议的基本思想是重复地把碰撞的标签分裂为几组直到组里只有一个标签。碰撞的标签分裂为几组直到组里只有一个标签。区别在于前者静态地依靠于分裂的标签区别在于前者静态地依靠于分裂的标签 IDID ，后者，后者动态地依靠于变化的计数器。前者有确定性的分动态地依靠于变化的计数器。前者有确定性的分裂，可能有相对较长的查询时延；后者有机率性裂，可能有相对较长的查询时延；后者有机率性的分裂，时延较短。的分裂，时延较短。 ISO/IEC 18000-6B ISO/IEC 18000-6B 是一个是一个采用基于计数器的反碰撞算法的标准。采用基于计数器的反碰撞算法的标准。

22 ．相关工作．相关工作• 在这个部分里我们简单介绍三类反碰撞协议：基在这个部分里我们简单介绍三类反碰撞协议：基

于于 ALOHAALOHA 协议、基于树型协议、基于计数器协协议、基于树型协议、基于计数器协议。议。

• AA ．基于．基于 ALOHAALOHA 的协议的协议• 基于基于 ALOHAALOHA 的协议比较简单，适用于只读标签。的协议比较简单，适用于只读标签。

不过它们存在标签饥饿问题，致使标签因应答信不过它们存在标签饥饿问题，致使标签因应答信号的碰撞而不能被识别。号的碰撞而不能被识别。

• BB ．基于树型的协议．基于树型的协议• 基于树型的协议存在一个确定性识别过程，其中基于树型的协议存在一个确定性识别过程，其中

一些算法假设标签有存储器，另一些没作这种假一些算法假设标签有存储器，另一些没作这种假设。例如查询树型算法没有基于标签存储器，而设。例如查询树型算法没有基于标签存储器，而bit-by-bitbit-by-bit 二进制树型协议通过利用标签存储器来二进制树型协议通过利用标签存储器来提高识别性能。没有存储器的标签比较便宜，但提高识别性能。没有存储器的标签比较便宜，但会导致比较差的识别性能。会导致比较差的识别性能。

22 ．相关工作．相关工作

• CC ．基于计数器的协议．基于计数器的协议• ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 是一个采用基于计数器反碰撞算法的是一个采用基于计数器反碰撞算法的

标准。在标准。在 ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 里，每个标签使用一个动态里，每个标签使用一个动态改变的计数器和一个随机位产生器。全部计数器初始化为改变的计数器和一个随机位产生器。全部计数器初始化为00 ，计数器为，计数器为 00 的标签可以将它们的的标签可以将它们的 IDID 发送出去，当碰发送出去，当碰撞发生后，阅读器就会通知碰撞的标签，计数器值大于撞发生后，阅读器就会通知碰撞的标签，计数器值大于 00的标签就把计数值加的标签就把计数值加 11 ，而计数器为，而计数器为 00 的标签随机产生一的标签随机产生一个位个位 00或或 11 ，并把这个位加到计数值。通过这种方法可以，并把这个位加到计数值。通过这种方法可以将发生碰撞的标签分为两种。这个过程一直执行到计数值将发生碰撞的标签分为两种。这个过程一直执行到计数值为为 00 的标签只有一个为止。当成功识别一个标签后，这个的标签只有一个为止。当成功识别一个标签后，这个标签将保持沉默不再参与识别。当没有碰撞时，阅读器会标签将保持沉默不再参与识别。当没有碰撞时，阅读器会通知其它标签的计数值减通知其它标签的计数值减 11 。当标签数目比较小时，基于。当标签数目比较小时，基于计数器的协议时延较小，当标签数目较大时，其性能也是计数器的协议时延较小，当标签数目较大时，其性能也是可以接受的。可以接受的。

33．提出算法．提出算法

•在这个部分里，我们提出一个新的基于计在这个部分里，我们提出一个新的基于计数器的反碰撞算法，称为数器的反碰撞算法，称为 AKSAKS ，使用了自，使用了自适应适应 KK 路分裂和预信号这两种方法来减少路分裂和预信号这两种方法来减少标签碰撞和阅读器与标签之间的信息传输。标签碰撞和阅读器与标签之间的信息传输。下面我们分别介绍这两种方法。下面我们分别介绍这两种方法。

3.3. 提出算法提出算法

• A.A. 自适应自适应 KK 路分裂路分裂• 假设有假设有 NN个标签在一个阅读器的工作域，依照个标签在一个阅读器的工作域，依照 ISO18000-ISO18000-

6B6B 标准，如果只有一个标签的计数值为标准，如果只有一个标签的计数值为 00 ，它就会被成，它就会被成功地识别，但当有两个以上的标签计数值为功地识别，但当有两个以上的标签计数值为 00 ，它们就会，它们就会再随机就分为两组。再随机就分为两组。 AKSAKS 不同的地方就是把它们分为不同的地方就是把它们分为 KK组，而不是两组，此处组，而不是两组，此处 KK 为标签数目的估计值。为标签数目的估计值。

• 原始分裂组（原始分裂组（ PSGPSG ）对自适应）对自适应 KK 路分裂是必要的。如图路分裂是必要的。如图11所示，把它们从上到下编号为所示，把它们从上到下编号为 PSG1,,PSG2,...PSGPSG1,,PSG2,...PSG里的里的标签再分为带有不同计数值的小组，如图标签再分为带有不同计数值的小组，如图 22所示。阅读器所示。阅读器动态地跟随每个动态地跟随每个 PSGPSG的最小计数值从而使标签可以分到的最小计数值从而使标签可以分到合适的合适的 PSGPSG。。

3.3. 提出算法提出算法•自适应自适应 KK 路分裂的基本思想是把一个路分裂的基本思想是把一个 PSGPSG

组再分为组再分为 KK 组，组， KK等于等于 PSGPSG里的标签数。里的标签数。从参考文献从参考文献 [3][3]我们可知当我们可知当 PSGPSG里有里有 KK 个个标签时标签时 KK 路分裂的性能最好。我们不知道路分裂的性能最好。我们不知道PSGPSG组里的标签确切数目组里的标签确切数目 KK 。可以有技巧。可以有技巧地通过已经识别的标签数来估计地通过已经识别的标签数来估计 KK 。。

3.3. 提出算法提出算法• 在估计到在估计到 KK 后，把后，把 PSGPSG分为分为 KK 组，组， PSGPSG标签随机选择从标签随机选择从 00 到到 KK 的数字然后的数字然后

加到计数值上，这样就可以分为加到计数值上，这样就可以分为 KK 组。其它不在此组。其它不在此 PSGPSG组的标签将它们的组的标签将它们的计数值增加计数值增加 KK ，如图，如图 33 所示。当应用了自适应所示。当应用了自适应 KK 路分裂法后，在一小组里路分裂法后，在一小组里只有一个标签的可能性极大。只有一个标签的可能性极大。

•

33．提出算法．提出算法• BB ．预信号．预信号• 为了提高识别的性能，我们在假设阅读器可以通为了提高识别的性能，我们在假设阅读器可以通

过检测信号强度来监测碰撞的基础上，提出了预过检测信号强度来监测碰撞的基础上，提出了预信号。在信号。在 ISO/IEC 1 8000-6BISO/IEC 1 8000-6B 里，只有计数值为里，只有计数值为 00的标签才可以响应。而在预信号方案里每个计数的标签才可以响应。而在预信号方案里每个计数值为值为 11 的标签把的标签把 11 发送到响应窗口的前面，这些发送到响应窗口的前面，这些位称为预信号位，而计数值为位称为预信号位，而计数值为 00 的响应信号紧跟的响应信号紧跟其后，预信号位的值可以有空、其后，预信号位的值可以有空、 11 个个 11 和多个和多个 11的值的值 IsIs 三种情况。三种情况。

• （情况（情况 11）预信号位值为空。意味着没有标签计）预信号位值为空。意味着没有标签计数值为数值为 11 。在所有计数值为。在所有计数值为 00 的标签被识别后，的标签被识别后，阅读器会通知所有未识别的标签将计数值减阅读器会通知所有未识别的标签将计数值减 22 。。这样可以减少一个没有响应的周期。这样可以减少一个没有响应的周期。

33．提出算法．提出算法• （情况（情况 22）预信号位为）预信号位为 11 个个 11 。意味着只有一个标签的计。意味着只有一个标签的计

数值为数值为 11 ，这个标签在下一个周期可以成功地被识别而不，这个标签在下一个周期可以成功地被识别而不会发生碰撞，这种情况阅读器按原计划运行。会发生碰撞，这种情况阅读器按原计划运行。

• （情况（情况 33 ）预信号位为多个）预信号位为多个 11 。意味着计数值为。意味着计数值为 11 的标签的标签有多个，阅读器在识别完所有计数值为有多个，阅读器在识别完所有计数值为 00 的标签后立刻通的标签后立刻通知这些标签进行分组，此时这些标签就可以随机分为计数知这些标签进行分组，此时这些标签就可以随机分为计数值为值为 00 和和 11 两组，省去了原始标准阅读器通知各标签计数两组，省去了原始标准阅读器通知各标签计数值减值减 11 、等待响应、检测到碰撞、通知此组标签计数值随、等待响应、检测到碰撞、通知此组标签计数值随机加机加 00或或 11 而其它组标签计数值加而其它组标签计数值加 11 这几个步骤。这几个步骤。

• 借助于预信号位，阅读器与标签间的信号传输可以大大减借助于预信号位，阅读器与标签间的信号传输可以大大减少。自适应少。自适应 KK 路算法和预信号方法都应用的话就可以显著路算法和预信号方法都应用的话就可以显著地提升标签识别的性能。我们将通过下一部分的仿真表示地提升标签识别的性能。我们将通过下一部分的仿真表示出来。 出来。

44 ．仿真．仿真

•本部分中我们对本部分中我们对 AKSAKS 进行仿真，并比较它进行仿真，并比较它与与 ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 采纳的反碰撞算法的采纳的反碰撞算法的标签碰撞次数、识别所有标签所需的阅读标签碰撞次数、识别所有标签所需的阅读器与标签间的通信次数。仿真程序用器与标签间的通信次数。仿真程序用 javajava语言编写，小数目（小于语言编写，小数目（小于 500500）和大数目）和大数目（大于（大于 500500）的标签识别分别执行了）的标签识别分别执行了 10001000次。次。

44．仿真．仿真• AA ．碰撞次数．碰撞次数• 如图如图 44和图和图 55 所示，当标签数为所示，当标签数为 500500 时，时， AKSAKS 的碰的碰

撞次数为撞次数为 ISO 18000-6BISO 18000-6B 的的 30.3%30.3%。从图。从图 44和图和图 55的里我们还可以看出标签越多的里我们还可以看出标签越多 AKSAKS 协议越有效。协议越有效。

• BB ．阅读器发信号次数．阅读器发信号次数• 当阅读器准备好去查询标当阅读器准备好去查询标

签和接收标签的响应时，签和接收标签的响应时，它就发出选择命令。计数它就发出选择命令。计数值为值为 00 的标签把它们的的标签把它们的 IDID回应到阅读器。阅读器会回应到阅读器。阅读器会发出成功或失败的命令通发出成功或失败的命令通知标签它们的响应状态。知标签它们的响应状态。成功命令表明只有一个或成功命令表明只有一个或没有响应，而失败命令表没有响应，而失败命令表明有多个响应。由图明有多个响应。由图 66 和和图图 77 ，当标签数为，当标签数为 500500 时，时，AKSAKS 阅读器发信号的次数阅读器发信号的次数只是只是 ISO 18000-6BISO 18000-6B 的的 62.62.9%9% 。还可以看出标签越多，。还可以看出标签越多，AKSAKS 的效率越高。如果我的效率越高。如果我们只计算由标签碰撞和无们只计算由标签碰撞和无碰撞响应产生的额外命令，碰撞响应产生的额外命令，而不计算标签识别成功的而不计算标签识别成功的命令，当标签数为命令，当标签数为 50005000 时，时，AKSAKS 阅读器发信号的次数阅读器发信号的次数只是只是 ISO 18000-6BISO 18000-6B 的的 4141%% 。。

4.4. 仿真仿真• CC ．标签识别时延．标签识别时延• 比较比较 AKSAKS 与与 ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 反碰撞算法的标签识别时延，即完成反碰撞算法的标签识别时延，即完成所有标签识别所消耗的时间所有标签识别所消耗的时间 TdTd ，式（，式（ 44 ）中各缩写的意思如表）中各缩写的意思如表 11 所所示，参数按示，参数按 ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 的设定的设定 (( 表表 2)2)，设阅读器发送命令的，设阅读器发送命令的时间为时间为 1.5ms1.5ms ，标签响应信号的时间为，标签响应信号的时间为 2.7ms2.7ms ，无响应时间为，无响应时间为 0.5m0.5mss 。表。表 33 是仿真结果，从表中我们可以看出是仿真结果，从表中我们可以看出 AKSAKS 只用了只用了 ISO 18000-6ISO 18000-6B B 标准的标准的 60%60% 时间来识别所有标签。时间来识别所有标签。

55．结论．结论

• 本文我们提出一个新的基于计数器的反碰撞协议本文我们提出一个新的基于计数器的反碰撞协议AKSAKS ，使用了两个方法：自适应，使用了两个方法：自适应 KK 路分裂和预信路分裂和预信号。通过估计号。通过估计 PSGPSG组的标签数目组的标签数目 KK ，自适应，自适应 KK 路路分裂把标签分为分裂把标签分为 KK 组，从而使每小组只有一个标组，从而使每小组只有一个标签。这样可以有效地减少碰撞的次数。预信号法签。这样可以有效地减少碰撞的次数。预信号法可以大大减少阅读器与标签之间的信号传输次数。可以大大减少阅读器与标签之间的信号传输次数。我们对我们对 AKSAKS 进行仿真并与进行仿真并与 ISO/IEC 18000-6BISO/IEC 18000-6B 反反碰撞协议进行比较，仿真结果表明碰撞协议进行比较，仿真结果表明 AKSAKS 协议比协议比 ISISO/IEC 18000-6BO/IEC 18000-6B 反碰撞协议要好。反碰撞协议要好。