- 一種減少讀寫器沖突的新算法研究

2.4.1 UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)：UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是由EPCglobal制定的。該標(biāo)準(zhǔn)把讀寫器和射頻標(biāo)簽的信號(hào)傳輸分割開，這樣沖突只能在標(biāo)簽與標(biāo)簽間或者讀寫器與讀寫器問發(fā)生。這種分割使讀寫器和射頻標(biāo)簽信號(hào)在不同的頻道上傳輸，解決了讀寫器問的干擾。然而，標(biāo)簽沒有頻率選擇性。因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)讀寫器用不同的頻率同時(shí)與標(biāo)簽通信時(shí)，標(biāo)簽不能調(diào)諧到特定的頻率．所以會(huì)在標(biāo)簽處發(fā)生沖突。因此該標(biāo)準(zhǔn)仍存在多讀寫器到標(biāo)簽間的干擾。

2.4.2 Colorwave算法：Colorwave算法是一種基于TDMA分布式算法。該算法規(guī)定每一個(gè)讀寫器從0到maxColors中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙（顏色）傳輸數(shù)據(jù)。如果發(fā)生了沖突，讀寫器選擇一個(gè)新的時(shí)隙（顏色），并且發(fā)送一個(gè)kick（較小的控制包）給它所有鄰近的讀寫器，告訴它們它選擇了一個(gè)新的時(shí)隙（顏色）。如果鄰近的讀寫器有同樣的時(shí)隙（顏色），它重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙（顏色）并發(fā)送一個(gè)kick。這樣一直繼續(xù)下去。這種轉(zhuǎn)換和駐留的動(dòng)作就被稱為kick。每一個(gè)讀寫器跟蹤當(dāng)前的時(shí)隙是什么顏色。Colorwave算法要求在讀寫器之間時(shí)間同步，同時(shí)假定讀寫器能夠檢測(cè)到 RFID系統(tǒng)中的沖突。然而，僅僅用一個(gè)讀寫器檢測(cè)在標(biāo)簽處發(fā)生的沖突是不可行的，除非標(biāo)簽也參加沖突檢測(cè)，并且讀寫器移動(dòng)將會(huì)重新分配時(shí)隙，重新分配的時(shí)隙傳播整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的無效。

2.4.3 ETSl EN 208標(biāo)準(zhǔn)：ETSI EN 208是一個(gè)為RFID讀寫器開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它基于CSMA協(xié)議的“先聽再說”。讀寫器首先在一特定的小時(shí)間段里偵聽數(shù)據(jù)通道里任何正在進(jìn)行的通信。如果在那段時(shí)間里，數(shù)據(jù)通道空閑，它將閱讀標(biāo)簽；如果通道忙，它隨機(jī)選擇一段退避時(shí)間。然而，正如前面所講，讀寫器僅僅依靠載波偵聽不能檢測(cè)到?jīng)_突。

2.4.4 Q學(xué)習(xí)算法：Q學(xué)習(xí)算法提出了一種HiQ、多層、在線的學(xué)習(xí)算法。該算法通過學(xué)習(xí)讀寫器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫器，動(dòng)態(tài)地解決 RFID系統(tǒng)中讀寫器的沖突問題。Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)如圖4所示。讀寫器發(fā)送沖突消息給讀寫器級(jí)服務(wù)器層（R-Server）。然后單個(gè)的R- server然后分配資源給它的讀寫器，這樣的方式可使它們之間的相互通信不出現(xiàn)干擾。R-Server通過Q學(xué)習(xí)服務(wù)器（Q-server）被分配到頻率和時(shí)隙。根Q-server具有所有頻率和時(shí)隙資源的全部知識(shí)，并且能分配它們。Qserver不像R-Server一樣，沒有單個(gè)讀寫器問約束關(guān)系，這種關(guān)系通過該層下面的服務(wù)器之問的相互作用來推斷。

圖４　Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)

這種方法如果應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中，將存在下面的問題：

①協(xié)議保持多層結(jié)構(gòu)需要額外的管理開銷。

②對(duì)于移動(dòng)的讀寫器來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定的變化將會(huì)改變Q學(xué)習(xí)算法的多級(jí)結(jié)構(gòu)。這就需要重新分配時(shí)隙，將花去更多的時(shí)間并使系統(tǒng)無效。

③Q學(xué)習(xí)假定讀寫器的沖突檢測(cè)不在讀寫器相互的偵聽范圍內(nèi)。然而，并不是所有的沖突都能檢測(cè)到，這將導(dǎo)致協(xié)議的不正確操作。

④使用時(shí)隙需要所有的讀寫器同步，這種同步將是整個(gè)系統(tǒng)的額外開銷。

綜上所述，這些讀寫器抗沖突方法不適合具有移動(dòng)讀寫器的RFID網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，必須尋求一種具有實(shí)際意義且有效的適合各種情況的RFID系統(tǒng)。

3 一種減少讀寫器沖突的新算法

3．1 新算法的提出

在設(shè)計(jì)讀寫器抗沖突協(xié)議時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素就是射頻標(biāo)簽是被動(dòng)式的，因此不能參與抗沖突；同時(shí)任何增加給標(biāo)簽的新功能都將增加標(biāo)簽的成本。因此希望尋求一種標(biāo)簽不參與的抗沖突協(xié)議。

RFTD網(wǎng)絡(luò)存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題，如圖5所示。R1和R2不在相互的偵聽范圍內(nèi)，但是在T處從讀寫器R2發(fā)射的信號(hào)與從讀寫器R1發(fā)射的信號(hào)發(fā)生干擾。在這種情形下，R1和R2間需要一個(gè)通知機(jī)制。這樣，當(dāng)Rl和T正在通信，R2被通知R1的通信，因此R2可以延遲與射頻標(biāo)簽的通信。我們把這種通過廣播形式發(fā)送的消息稱為“信標(biāo)”。當(dāng)一個(gè)讀寫器正在與射頻標(biāo)簽通信時(shí)，它將周期性地在一個(gè)獨(dú)立的控制通道里發(fā)送信標(biāo)。

圖５　新算法控制通道范圍

控制通道的通信范圍，指任何兩個(gè)讀寫器在相互的數(shù)據(jù)通道（該通道用來閱讀標(biāo)簽）干擾，能夠在控制通道通信。圖5中盡管讀寫器R1和R2相互在數(shù)據(jù)通道干擾，但它們將在控制通道通信。這是通過在控制通道比數(shù)據(jù)通道發(fā)射更高的功率達(dá)到的?？刂仆ǖ朗荝FID頻譜中除那些用作讀寫器與標(biāo)簽間通信的頻譜外的子頻帶。因此，在控制通道上的傳播不影響任何在數(shù)據(jù)通道上正在進(jìn)行的通信。數(shù)據(jù)通道被用作讀寫器與標(biāo)簽之間的通信，而控制通道被用作讀寫器與讀寫器之間的通信。假定讀寫器能夠同時(shí)接收控制通道和數(shù)據(jù)通道上的信號(hào)。

3.2 新算法信標(biāo)的幀格式

新算法只為讀寫器設(shè)計(jì)，因?yàn)樯漕l標(biāo)簽不參與抗沖突活動(dòng)。信標(biāo)的幀格式如下：