Instant collision resolution for tag identification in RFID networks

RFID 网络的防碰撞算法

摘要

本文涉及到在 RFID网络中如何识别多个目标的问题。提出了一种改进的 Slotted Aloha 协议，来减少传输过程中的碰撞数量。所有的标签选择一个时隙，通过产生一个随机数来传送各自的ID号。如果该时隙中有碰撞，读卡器只对发生了碰撞的标签广播下一个识别请求。并通过一组仿真实验证明了改进后的算法在总时延、复杂性和能量限制等 RFID中的关键标准有比其它算法有更好的性能。

简介对多个目标的快速和可靠的识别在很多应用中是非常重要的。其中， RFID是一种很有发展前景的技术。在很多应用领域中，如交通运输，检票系统，产品控制中得到了广泛的应用和快速的发展。一个 RFID系统包括：贴在物品上需要被识别的的射频标签（ radio frequency (RF) tags），一个或多个电磁读卡器（ electrom-

agnetic readers）。 RFID技术最大的吸引力在于它允许在非接触的方式下储存和读取信息。因此 RFID是条形码的很好的替代者，因为它可以存储更多的数据。

在 RFID系统中，标签可以是有源的或无源的。有源标签有电源提供能量，具备数据存储能力和数据运算能力。

本文的结构如下：

2. 纵览标签识别的主要问题，主要是其中的几个评价主要标准。

3. 在假设读卡器已知标签的数量的假设下，描述了一种新的算法。

4. 仿真试验。

5. 仿真结果及其评价。

6. 结论及未来的工作。

2 相关工作

(1) Aloha-based protocols

(2) Tree-based protocols.

(1) Slotted Aloha-based-identification protocols,

（ a ） Framed Slotted Aloha protocol假设时间被划分为不同的时隙，所有的标签都有一个用于同步的时钟。时隙就是一个时间段 ，在该时间段内标签传送存储在标签内的序列号或详细的信息。读取信息的循环是一个标签的识别过程，包括的一个帧。帧是读卡器发出两次请求之间的时间间隔，包括了多个时隙。每个标签占用一个时隙发送自己的序列号。当一个时隙只被一个标签使用时，读卡器就能识别该标签。也可以认为一个时隙包括两个子时隙：一个是读卡器发出请求，另一个是标签发送序列号。基本的 Framed Slotted Aloha protocol 采用固定的帧的大小，并且在整个识别过程中不改变帧的大小。读卡器向标签发送帧的大小，标签接收到后就产生一个随机数 j ，并且在帧的第 j 个时隙发送自己的序列号。由于帧的大小是固定的，所以当标签数目过多时，大多数的时隙会发生碰撞。反之，如果标签数目太少，又会有很多时隙被浪费。

(b) Dynamic Framed Slotted Aloha (DFSA) 动态帧时隙 Aloha 算法

动态帧时隙 Aloha 算法 , 动态的改变帧的大小。根据 Chebyshev’s inequality 原理，读卡器在每一个读卡的周期中设置合适的帧的大小。该原理说明了，通过一个随即试验产生一个随机数 X 接近于期望值 X 。令 c0, c1, ck 分别代表

(c) Advanced Framed Slotted Aloha (AFSA) 动态帧时隙 Aloha 算法

DFSA protocol

FSA protocol

Binary search protocols (BS)

读卡器依次递归地将标签分组，将每个标签的计数器初始化为零。只有计数器为零的标签才可以响应读卡器的询问。当每一个标签发送信号后，读卡器通知询问序列：碰撞，识别，无响应。当碰撞发生时，发生碰撞的标签计数器清零，并加上一个随机数。其余的标签的计数器加一。通过这种方法，标签被分为两组。

Query tree protocols (QT)

读卡器发射一个前缀，当标签的ID 和该前缀相匹配的时候，就响应读卡器的询问。如果发生碰撞，则读卡器就将前缀增加一位，然后继续发射该前缀询问，直到没有碰撞发生。一旦，一个标签被识别后，读卡器就用一个新的前缀开始新一轮的询问。

改进后的 QT 算法

以下的几种改进 QT 算法，主要是减少 QT 算法的运行时间。

Query Tree Improved (QTI)

Aggressive advancement (QTAA ）

Since tags do not need additional memory except the ID, query tree protocols have the advantage to be memoryless and for this they require low functionaland less expensive tags. However, since they use prefixes, their performance is sensitive to the distribution of tag IDs which a reader have to identify. In Section 5, we show how IDs distribution affects the behaviour of query tree protocols.

Query Tree Improved (QTI)

Query Tree Improved (QTI) [2], that avoids the queries that certainly will produce collisions. Assume that a query of prefix ‘‘q’’ results in a collision andthe query of prefix ‘‘q0,’’ results in a empty slot.Then, the reader skips the query prefix ‘‘q1’’ and Performs directly the queries ‘‘q10’’ and ‘‘q11.’’

Another improvement proposed in [2], is the so called ‘‘aggressive advancement’’ (QTAA, for short), in which every internal node of the query treehas four sons: After the query of pr-efix ‘‘q’’ resulting in a collision, the reader does the following queries‘‘q00,’’ ‘‘q01,’’ ‘‘q10,’’ ‘‘q11.’’ We implemented and tested also this version, as defined in Table 7.

QTAA

Tree Slotted Aloha protocol

Tree Slotted Aloha (TSA) protocol比其他协议的性能更好。

3.1. 基本思想

3.2. 算法

3.3 估计函数

3.4 复杂度

3.1. 基本思想

TSA 的基本思想是，碰撞以发生就尽快解决。在 FSA 算法中，在某个帧中未发生碰撞的两个标签，有可能在下一个帧中，发生碰撞。在 TSA 中，此种情况就可以避免。因为，当一个时隙中有碰撞发生时，只有产生这个碰撞的标签才会在下一个询问中被询问。

3.2. 算法

我们考虑一个 RFID系统，包括了一个读卡器和 n 个无源标签。每一个标签 t 有一个唯一的 ID 序列号。 K 是 ID 序列的长度。

3.3 估计函数

由估计函数来计算每一个读标签的过程中采用的帧的长度。数组 {c0,c1,ck} 的三个元素分别代表空时隙的数目，只有一个标签发送 ID 的实习数目，碰撞时隙的数目。

N 代表帧长度， n 代表标签的数目。用 r 代表估计的时隙的数目。

让标签 n 在范围 内变化。 代表标签数目 n 的最小值。设置上限为 。通过仿真可知将上限值设为这样已经足够，继续增大上限值对于性能的提高没有明显的作用。通过下式计算下一帧的长度。

3.4 复杂度

评价标签识别算法性能的标准主要有以下 2 个 : 时间复杂度和比特复杂度。前者即用于标签识别过程的时隙数目，后者即为标签和读卡器发送的比特数目，代表了通信所需的能量。相对于 FSA 算法，减少了总的碰撞的数目，也相应的减少了比特复杂度。每次标签只发射一比特，如果没有碰撞则发送完整的 ID 。

4. 仿真

本部分的仿真共分为三部分：

1. 第一部分 对现有的算法进行比较。如图 2-8 所示。

2. 比较 TSA 和 FSA 在初始化过程的性能。如图 9-12 所示。

3. 在 ID 不均匀分布时的情况。如图 13.14 所示。

基于两种假设，我们分两种情况来比较各种算法性能的优劣：第一种情况： BS,DFSA,AFSA, TSA 和 LTSA 算法，标签向读卡器发送 ID 号。在 QT,QTI,QTAA 算法中标签向读卡器发送 ID 的首字母。 QT,QTI,QTAA 算法允许有更少的询问次数，但相应的会增加传送的比特量。第二种情况：标签传送一个固定字节的数据，如“ Hello”. 当没有碰撞发生时，读卡器就进一步询问标签的 ID ，这样会增加询问的次数，但是会减少传送的比特量。

表 1 － 3 ， 5 － 7 和 8 以最大的比特量 BITs 发送 ID 号发送 Hello 数据包（ 8 比特）

4. 仿真

本部分的仿真共分为三部分：

1. 第一部分 对现有的算法进行比较。如图 2-8 所示。

2. 比较 TSA 和 FSA 在初始化过程的性能。如图 9-12 所示。

3. 在 ID 不均匀分布时的情况。如图 13.14 所示。

本文研究了 RFID系统中的标签识别问题。首先纵览了现有的解决方案，然后提出了一种基于 Slotted Aloha 协议的改进算法—— Tree Slotted Aloha 协议。减少了传输过程中的碰撞。所有的标签选择一个时隙，通过长生一个随机数来传送各自的 ID 号。如果该时隙中有碰撞，读卡器只对发生了碰撞的标签广播下一个识别请求。然后，通过一组仿真结果来全面对比最优的 RFID标签识别协议。通过仿真结果可知 Tree Slotted Aloha 协议优于其他所有的协议。文中提到的所有已有的协议的性能都低于 50% ，这显然是不能让人满意的。此外，之前都是假设 ID 是均匀分布的，但是在现实中其它的分布方式才是更合适的。