超高頻RFID讀寫器組網(wǎng)與協(xié)調(diào)技術(shù)是怎樣的

1 引言

射頻識別（ radio frequency identification， RFID） 技術(shù)， 是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)， RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點， 可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理， 在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

RFID 系統(tǒng)由電子標簽（ tag） 、讀寫器（ reader） 和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成。RFID 標簽具有3 種類型： 主動、被動和半主動， 被動標簽具有成本低的特點， 因而應(yīng)用廣泛。本文的研究范圍為被動標簽。

在應(yīng)用時， 需要適當?shù)囊?guī)劃來進行讀寫器的部署， 它直接影響著讀寫器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和識別效果。合理有效的讀寫器部署方案可以減少網(wǎng)絡(luò)搭建時間， 全面覆蓋目的區(qū)域。合適的協(xié)調(diào)方法可以減少讀寫器之間的干擾， 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化， 保證整個網(wǎng)絡(luò)的讀取率。本文從這一角度出發(fā)，探討了讀寫器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和協(xié)調(diào)技術(shù)， 指出讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署和協(xié)調(diào)面臨的問題和挑戰(zhàn)， 在全面和系統(tǒng)地歸納、總結(jié)已有的研究的基礎(chǔ)上， 提出了讀寫器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和協(xié)調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向， 為進一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

2 讀寫器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署

讀寫器網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署的目標是： 以最低的成本建造符合近期和遠期讀取需求、具有一定服務(wù)質(zhì)量的讀寫器網(wǎng)絡(luò)， 即達到目標區(qū)域最大程度的覆蓋， 滿足要求的通信概率; 盡可能地減少干擾， 達到所要求的服務(wù)質(zhì)量; 盡量減少讀寫器數(shù)量， 以降低成本。

讀寫器組網(wǎng)有以下特點。

· RFID 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)嚴重的非對稱性， 無源電子標簽的性能比較弱， 標簽之間無法互相通信， 無源標簽無法主動發(fā)送通信信號， 只能通過反向散射方式與讀寫器進行通信。

· RFID 系統(tǒng)中的無線傳輸環(huán)境相當復(fù)雜， 多數(shù)情況下， RFID 系統(tǒng)工作在室內(nèi)環(huán)境， 此時必須考慮多徑衰減效應(yīng)。同時， 讀寫器—標簽通信的典型距離小于10 m， 屬于短距離通信。由于射頻信號的本質(zhì)特性， 并且為了保證覆蓋， 讀寫器識別區(qū)域之間的交叉不可避免。

· 移動讀寫器的存在， 會使網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜。目前對讀寫器組網(wǎng)的研究有以下幾種。

· 在已有的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型基礎(chǔ)上， 根據(jù)RFID 系統(tǒng)的特性， 提出了一種讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的離散模型r=（site， antenna， tilt， Au）， 其中tilt 表示天線傾斜角， Au 表示衰減。在覆蓋約束、標簽反射信號約束、最小化成本約束、最小化干擾約束的情況下， 采用遺傳算法來求最優(yōu)解。這些參考文獻未考慮有移動讀寫器存在的情況下讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署問題。

·Anusha 設(shè)計了一個自動覆蓋規(guī)劃工具RFIDcover，該工具適用于需要周期性完全覆蓋的場合， 即可在每個τ時間段內(nèi)將所有標簽都覆蓋一遍， 確定需要的固定和移動讀寫器數(shù)目， 并確定移動讀寫器的運動模式以及該場地的布局圖。但參考文獻［4］只對工具的結(jié)構(gòu)和功能進行了介紹。

3 讀寫器協(xié)調(diào)技術(shù)

讀寫器協(xié)調(diào)的目的是保證整個系統(tǒng)的通信需求， 主要避免讀寫器沖突以及控制功率。讀寫器沖突［5，6］是指由一個讀寫器檢測到的由另一個讀寫器引起的干擾， 包含兩種情況： 讀寫器頻率沖突和標簽沖突。讀寫器頻率沖突發(fā)生在兩個或兩個以上讀寫器同時使用相同的頻率與標簽通信時; 標簽沖突是指兩個或更多讀寫器同時與一個標簽通信時發(fā)生的沖突。

讀寫器沖突的特點如下： 無源標簽的低性能特性， 使其在與多個讀寫器通信過程中無法發(fā)揮防沖突作用; 讀寫器沖突在手持式移動讀寫器大量使用時， 會大大加劇。

3.1 現(xiàn)有的研究

3.1.1 EPC C-1 2 代標準

EPC C-1 2 代標準［7］是EPC Global 制定的860～960 MHz空中接口協(xié)議。該標準采用頻譜規(guī)劃（ 指FDMA） 的方法劃分讀寫器傳輸和標簽傳輸頻譜， 一方面使得標簽沖突與讀寫器無關(guān)， 另一方面使得讀寫器沖突與標簽無關(guān)。通過在不同頻率信道進行讀寫器傳輸和標簽傳輸， 解決了讀寫器—讀寫器頻率干擾問題。但由于標簽不具有頻率選擇性， 因此當兩個讀寫器用不同頻率同時與標簽進行通信時， 標簽都將響應(yīng)并導(dǎo)致在標簽處發(fā)生沖突。因此， 在這個標準中多個讀寫器與標簽的干擾仍然存在。

3.1.2 ETSI EN 302 208 標準

對于讀寫器沖突問題， ETSI 302 208 標準［8］采用了基于載波偵聽（ CSMA） 的“l(fā)isten before talk（ LBT） ”方法， 具體內(nèi)容為： 在傳送信號之前， 讀寫器必須偵聽在它要使用的信道內(nèi)是否有其他閱讀器的信號， 如果通道空閑， 將閱讀標簽; 如果通道忙， 將隨機選擇一段退避時間， 再繼續(xù)。但是在密集讀寫器環(huán)境下， LBT 使整個讀寫器網(wǎng)絡(luò)不能工作在最優(yōu)模式［6］， 因為LBT 會使很多本來能用的通道關(guān)閉。

3.1.3 Colorwave 算法

Colorwave 算法［9］是一種分布式在線TDMA 算法?；舅悸肥牵?對于每個讀寫器， 在0～maxColors 范圍隨機選擇一個時隙（ 顏色） 進行通信， 如果發(fā)生沖突， 則隨機選擇另一個時隙（ 顏色） 并通知鄰近的讀寫器; 如果相鄰讀寫器內(nèi)有同樣的時隙（ 顏色） ， 則該讀寫器重新選擇一個新的時隙（ 顏色） ; 讀寫器同時跟蹤當前時隙的顏色。在Colorwave 算法中， 每個讀寫器監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送成功率， 若超過了安全限值， 則修改maxColors 值; 若僅是局部某個讀寫器超過了安全限值， 則其他讀寫器仍然保持其maxColors 值不變; 若讀寫器普遍超過了安全限值， 則產(chǎn)生一個色度跳變波， 該色度跳變波從起始的讀寫器傳遍整個系統(tǒng)， 使得大部分讀寫器改變自身的maxColors 值。

該算法要求讀寫器同步， 同時假設(shè)讀寫器能夠檢測沖突。但是僅僅由讀寫器檢測發(fā)現(xiàn)沖突是不可行的， 如果有讀寫器移動， 可能會導(dǎo)致全部讀寫器重新分配時隙（ 顏色） ， 使得整個系統(tǒng)效率降低。

3.1.4 Q 學(xué)習算法

Q 學(xué)習算法［10］為一種多層、在線的強化學(xué)習方法。該算法為多層結(jié)構(gòu)， 由Q-Server、R-Server 和讀寫器層構(gòu)成， 通過對讀寫器沖突模式的學(xué)習， 動態(tài)地分配頻率和時間給讀寫器， 可以減少讀寫器沖突。但是該算法的多層結(jié)構(gòu)， 使得系統(tǒng)開銷大， 也不適合讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較大的場合。

3.1.5 PULSE 算法

PULSE 算法［11，12］將讀寫器的通信信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道， 要求控制信道的通信范圍比數(shù)據(jù)信道大很多?？刂菩诺烙脕戆l(fā)送忙音信號， 用于讀寫器之間的相互通信; 數(shù)據(jù)信道用于讀寫器與標簽間的通信。當讀寫器與標簽通信時， 先檢測控制信道， 如果有忙音信號， 則隨即延遲等待; 如果無忙音信號， 其隨機延遲后與標簽進行通信， 并在控制信道廣播忙音信號， 通知鄰近的讀寫器， 這樣就避免了沖突。該算法較適合網(wǎng)絡(luò)拓撲變化比較快的讀寫器網(wǎng)絡(luò)， 但其假設(shè)讀寫器能夠同時在控制信道和數(shù)據(jù)信道上進行通信， 增加了額外的硬件成本。

3.1.6 REQ-BUSY 算法

REQ-BUSY 算法［13］和DiCa 算法［14］為類似于PULSE 的算法， 這兩種算法中通信信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道，讀寫器需要通信時， 先隨機延遲一段時間， 然后在控制信道發(fā)送請求信號， 如果鄰近讀寫器中有正在通信的， 將返回忙信號， 該讀寫器接收到忙信號后， 隨機延遲， 然后重新發(fā)送請求信號; 如果該讀寫器沒收到忙信號， 那么其將與標簽進行通信。這兩種算法中讀寫器利用單信道與標簽通信， 沒有有效利用頻譜資源。

3.1.7 基于IRCM的反碰撞算法

讀寫器碰撞模型（ IRCM） ［15］ 建立在讀寫器碰撞網(wǎng)絡(luò)（ RCN） 基礎(chǔ)上， RCN 將RFID 系統(tǒng)建模成一個無向圖， 若兩個讀寫器有交叉覆蓋范圍， 則其之間有連線。IRCM定義了讀寫器的碰撞相鄰表和路由表， 碰撞相鄰表內(nèi)為能與該讀寫器發(fā)生沖突的相鄰讀寫器， 路由表內(nèi)為不會與其發(fā)生沖突的讀寫器。在識別標簽的過程中， 每個讀寫器計算自己的正確讀取率（QT） ， 并將其發(fā)送給碰撞相鄰表和路由表中的讀寫器， 收到此值的讀寫器重新估計整體碰撞的情況， 調(diào)整自身的QT 閾值以改變對標簽的讀取速度， 緩解整個網(wǎng)絡(luò)的碰撞。參考文獻［15］中只給出了IRCM及算法思想， 未詳細說明如何調(diào)整QT 閾值以改變讀取速度。

3.1.8 RRE 算法

參考文獻［16］對RFID 網(wǎng)絡(luò)中的冗余讀寫器問題進行了研究， 提出了一種隨機、分布式的算法RRE（ redundant reader elimination） ， 在保證覆蓋的基礎(chǔ)上辨別出冗余的讀寫器， 可以將這些冗余讀寫器安全關(guān)閉， 以節(jié)約移動讀寫器的電能以及減少讀寫器沖突。該算法的步驟為： 首先由讀寫器探測周圍的標簽集合; 其次每個讀寫器將其覆蓋的標簽數(shù)目寫入其覆蓋范圍內(nèi)的標簽， 在多個讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的標簽， 只接受數(shù)值較大的標簽數(shù)目的寫入， 寫入數(shù)值最大的讀寫器被認為鎖定了此標簽; 最后每個讀寫器順序詢問其覆蓋范圍內(nèi)的標簽， 查找被其鎖定的標簽。沒有鎖定任何標簽的讀寫器被認為是冗余的。

3.1.9 LLC（W-LCR） 算法

J. Kim 等［17， 18］將RFID 讀寫器網(wǎng)絡(luò)分成具有一定層次的讀寫器簇結(jié)構(gòu)， 根據(jù)一定的權(quán)值動態(tài)調(diào)整每一簇間的問詢半徑， 在保證區(qū)域內(nèi)所有標簽均被覆蓋的前提下， 減少讀寫器簇間的問詢重疊區(qū)域， 從而使讀寫器網(wǎng)絡(luò)中讀寫器沖突的產(chǎn)生最小化。但該方案的缺點在于： 由于環(huán)境的復(fù)雜性， 讀寫器簇間問詢半徑的動態(tài)調(diào)整策略難以確定， 以致于在現(xiàn)實中難以實施。

3.1.10 TPA-CA 算法

TPA-CA 算法［19］假設(shè)有一個RFID 控制器知道所有的讀寫器位置。該算法由3 部分組成： 網(wǎng)絡(luò)拓撲配置（NTC）部分、讀寫范圍調(diào)節(jié)（ IAR） 部分以及迭代部分。NTC 部分最小化讀寫器間的重疊覆蓋范圍， IAR 通過控制讀寫器的功率來調(diào)節(jié)讀寫范圍， 由于有移動讀寫器的存在， 讀寫器間拓撲會變化， 所以需要不斷地進行迭代重復(fù)計算。但實際有移動讀寫器時， 精確的位置確定和讀寫器間重疊覆蓋范圍的計算都比較困難， 并且該算法需要一個控制器。

3.1.11 DAPC 和PPC 功率控制算法

Kainan Cha［20］在保證系統(tǒng)的全面覆蓋和保持一定的期望讀取率基礎(chǔ)上， 提出了2 種讀寫器功率控制方案： 分布式自適應(yīng)功率控制（DAPC） 方法和隨機功率控制（ PPC） 方法。DAPC 由兩個模塊構(gòu)成： 自適應(yīng)功率修正（ adaptivepower update） 和選擇性后退（ selective back-off） 。自適應(yīng)功率修正模塊根據(jù)沖突情況和信噪比來修正功率， 但是在密集讀寫器環(huán)境下， 自適應(yīng)功率的修正往往使得相互干擾的讀寫器發(fā)射功率達到最大。選擇性后退模塊讓一部分讀寫器先降低功率或者關(guān)閉， 使得其他讀寫器能正常讀寫， 該過程在整個讀寫器網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)進行。

PPC 選擇了一種隨機分布（ Beta 分布） ， 讀寫器按照此分布并根據(jù)時隙內(nèi)的沖突情況動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率， 使讀寫器達到最大的讀寫范圍并具有良好的覆蓋半徑。

3.2 算法比較

以上的讀寫器協(xié)調(diào)方法采取了不同的思路來對讀寫器進行控制和調(diào)節(jié)， 可以按照頻分多址（ FDMA） 、時分多址（ TDMA） 、空分多址（ SDMA） 分類， 也可依據(jù)是否采用載波偵聽（ CSMA） ; 是否采用集中式控制或分布式控制; 是否支持移動讀寫器; 是否采取功率控制; 是否屬于聚類（ clustering） 等方法分類。表1 對這些算法進行了比較。目前除了EPC C-1 2 代標準和EN 302 208 標準已在實際中應(yīng)用外， 其他的方法均為理論研究， 有的只是模型（ 例如： IRCM） 。Colorwave 算法基于圖論的染色理論， 但染色理論本身就是個NP（ nondeterministic polynomial） 問題。

Q 學(xué)習算法基于多層結(jié)構(gòu)， 實用性不高。PULSE 算法、REQ-BUSY 算法和DiCa 算法為一類， 后面兩種算法為PULSE 算法的改進， 該類算法簡單， 但是都未有效利用頻譜資源。LLC（W-LCR） 算法和TPA-CA 算法均可調(diào)節(jié)讀寫器間重疊覆蓋范圍， 但在實際應(yīng)用中難精確確定讀寫器的位置。RRE 算法采用關(guān)閉冗余讀寫器的方式， 但冗余讀寫器的確定比較困難， 并可能會漏讀標簽。采用DAPC 和PPC 功率控制算法后仍會存在標簽沖突。

4 研究方向

4.1 包含移動讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署

在包含移動讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)中， 讀寫器沖突以及變化的拓撲結(jié)構(gòu)是其顯著特點， 也是從發(fā)展角度研究讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署必須解決的問題。以前對讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的研究一般是針對固定讀寫器， 因此， 沒有太多考慮包含移動讀寫器的情況。包含移動讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署涉及到移動和固定讀寫器的數(shù)量、移動讀寫器的運動線路和運動速度、移動讀寫器的運動引起的固定讀寫器的拓撲結(jié)構(gòu)變化、移動讀寫器的周期性覆蓋范圍的判定等。

覆蓋時的功率控制也是包含移動讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的研究方向。移動讀寫器一般靠電池提供電源， 這就使得節(jié)能問題顯得很重要， 并且進行功率控制也可以減少讀寫器間的干擾。

4.2 讀寫器協(xié)調(diào)

目前讀寫器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進有兩種趨勢。一種是降低Q 學(xué)習算法基于多層結(jié)構(gòu)， 實用性不高。PULSE 算法、REQ-BUSY 算法和DiCa 算法為一類， 后面兩種算法為PULSE 算法的改進， 該類算法簡單， 但是都未有效利用頻譜資源。LLC（W-LCR） 算法和TPA-CA 算法均可調(diào)節(jié)讀寫器間重疊覆蓋范圍， 但在實際應(yīng)用中難精確確定讀寫器的位置。RRE 算法采用關(guān)閉冗余讀寫器的方式， 但冗余讀寫器的確定比較困難， 并可能會漏讀標簽。采用DAPC 和PPC 功率控制算法后仍會存在標簽沖突。

讀寫器的功能， 讀寫器間相互不能通信， 依靠集中控制器（ 系統(tǒng)） 來進行協(xié)調(diào)。對于這種網(wǎng)絡(luò)， 讀寫器間的協(xié)調(diào)類似于無線蜂窩系統(tǒng)中的頻率分配及功率控制問題， 今后的研究方向是綜合考慮頻譜、時間及空間資源， 根據(jù)實際應(yīng)用中的通信需求， 采用組合優(yōu)化的方法來進行解決。

另一種是增強讀寫器的功能， 依靠讀寫器本身來進行讀寫器間協(xié)調(diào)。這種網(wǎng)絡(luò)類似于傳感器網(wǎng)絡(luò)和ad hoc 網(wǎng)絡(luò)［2］， 可參考這些通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)技術(shù)， 根據(jù)RFID 讀寫器網(wǎng)絡(luò)的特點， 研究用分布式方法來解決讀寫器協(xié)調(diào)問題。

對于標簽沖突問題， 由于無源標簽的特性， 解決方法只能采用時分多址， 即有重疊覆蓋范圍的讀寫器只能同時有一個對重疊覆蓋范圍內(nèi)的標簽進行讀寫， 這是讀寫器協(xié)調(diào)中必須考慮的。

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