UHF RFID多標(biāo)簽防碰撞算法的研究與性能分析.pdf

1、由于射頻識別(RFID)電子標(biāo)簽具有非接觸、非可視讀取、操作距離遠(yuǎn)、可靠性高、安全性好、存儲介質(zhì)容量大、便于和企業(yè)管理信息系統(tǒng)(MIS)集成等優(yōu)點(diǎn)，使其被廣泛應(yīng)用于各種信息化系統(tǒng)中，并成為物聯(lián)網(wǎng)(IOT)中用于標(biāo)識物體，實(shí)現(xiàn)物體身份識別的關(guān)鍵技術(shù)之一。在標(biāo)簽密集的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，常常存在過多的標(biāo)簽沖突。這些沖突的存在嚴(yán)重影響了RFID閱讀器的標(biāo)簽吞吐率以及整個RFID應(yīng)用系統(tǒng)效率的提高。為完成對標(biāo)簽信息的正確讀取，閱讀器必須使用防碰

2、撞算法。閱讀器所采用防碰撞算法的性能將成為影響其標(biāo)簽吞吐能力的關(guān)鍵因素。故此，多標(biāo)簽防碰撞算法在標(biāo)簽密集RFID系統(tǒng)中具有十分重要的地位。
　　 多標(biāo)簽防碰撞算法的研究是RFID關(guān)鍵技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)，也是未來RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個重要研究課題。由于被動超高頻RFID標(biāo)簽具有被動和反向散射調(diào)制等特點(diǎn)，使其防碰撞算法受到更多的條件制約，從而使超高頻RFID防碰撞算法的研究成為RFID系統(tǒng)研究中的難點(diǎn)。本論文對被

3、動式超高頻RFID系統(tǒng)的多標(biāo)簽防碰撞這一難題做了廣泛而又深入地研究。
　　 本論文首先在查閱了大量國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對超高頻RFID系統(tǒng)多標(biāo)簽防碰撞問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。然后，本文對RFID系統(tǒng)的通信模型及鏈路預(yù)算以及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況做了簡要介紹。從第三章開始，本論文對TDMA類型防碰撞算法進(jìn)行了集中分析，并提出了一些自己的改進(jìn)算法。如：為克服當(dāng)前DFSA算法中的標(biāo)簽估計(jì)算法存在的問題和缺陷，提出了前向預(yù)測后向校驗(yàn)

4、自適應(yīng)標(biāo)簽數(shù)估計(jì)算法并形成了自己的前向預(yù)測后向校驗(yàn)DFSA(FPBVDFSA)算法。為減少碰撞，利用位隙方法對標(biāo)簽進(jìn)行分組，提出了基于位隙分組的FSA(BGFSA)算法。為克服當(dāng)前的無記憶二進(jìn)制樹搜索算法(BTS)和有記憶回退式索引二進(jìn)制樹形搜索算法(RIBS)所存在的缺陷，提出了基于位隙分組的二進(jìn)制樹搜索算法(BGBS)和基于位隙分組的回退式索引二進(jìn)制樹形搜索算法(BGRIBS)。為尋求更大的標(biāo)簽吞吐率突破，本文對多標(biāo)簽數(shù)據(jù)的盲源分離

5、方法進(jìn)行了詳細(xì)研究，形成了一種新的基于動態(tài)位隙分組的盲分離多標(biāo)簽防碰撞算法(BSDBG)。
　　 本文所做創(chuàng)新性工作主要包含以下四個方面：
　　 (1)提出了一種前向預(yù)測后向校驗(yàn)的DFSA(即：FPBVDFSA)算法標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)是DFSA算法的核心。傳統(tǒng)DFSA算法中的標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)算法存在不可預(yù)測性、非自適應(yīng)性、估計(jì)偏差較大等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新的前向估計(jì)反向驗(yàn)證標(biāo)簽數(shù)估計(jì)算法，并據(jù)此提出了一種新的前向

6、預(yù)測后向校驗(yàn)DFSA(即：FPBVDFSA)算法。本論文從理論上分析，并從仿真實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該算法的性能改進(jìn)。結(jié)果表明該算法比傳統(tǒng)的DFSA算法具有更佳的算法效率和更好的穩(wěn)定性。當(dāng)設(shè)定初始時隙數(shù)為16，標(biāo)簽數(shù)從1到100之間變化時，F(xiàn)PBVDFSA算法的吞吐率比傳統(tǒng)的DFSA算法的吞吐率提高了10.16％到33.30％。FPBVDFSA算法的解沖突時間也比傳統(tǒng)DFSA算法的解沖突時間有所下降(詳見第3.3節(jié))。
　　 (2)提出了

7、一種新的位隙分組幀時隙Aloha(BGFSA)算法FSA算法隨著標(biāo)簽數(shù)量的大幅增加，其標(biāo)簽吞吐率將急劇下降?？s小應(yīng)答標(biāo)簽的范圍，降低閱讀器查詢過程中引起的標(biāo)簽沖突量，必將能夠提高FSA算法的標(biāo)簽吞吐率。本文利用位隙算法將標(biāo)簽分為幾個更小的標(biāo)簽組，利用FSA算法實(shí)現(xiàn)每個組內(nèi)的標(biāo)簽防碰撞，將位隙算法與FSA算法結(jié)合起來提出了一種新的位隙分組幀時隙Aloha(BGFSA)算法。本文從理論和實(shí)驗(yàn)上分析該算法的性能改善程度，結(jié)果表明該算法比傳統(tǒng)F

8、SA算法能夠大幅度地提高算法效率(詳見第3.4節(jié))。
　　 (3)提出了一種新的結(jié)合位隙標(biāo)簽分組的BTS(BGBS)算法和一種基于位隙分組的回退式索引二進(jìn)制樹形搜索(即：BGRIBS)算法當(dāng)一個閱讀器操作區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)少于6個的時候，無記憶的二進(jìn)制樹搜索算法算法(BTS)的標(biāo)簽吞吐率可以達(dá)到0.387，該吞吐率大于時隙Aloha算法(SFA)的吞吐率0.368。而當(dāng)標(biāo)簽數(shù)大于10個時，標(biāo)簽吞吐率將急劇下降。將大的標(biāo)簽組分解成若干

9、較小的標(biāo)簽組，使得每個標(biāo)簽組內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)小于10，然后對小的標(biāo)簽組逐個進(jìn)行讀取，必將使其標(biāo)簽吞吐率比直接對所有標(biāo)簽操作時得到大幅提高。為此，本文提出了一種新的TDMA類型的多標(biāo)簽防碰撞算法一位隙標(biāo)簽分組的BTS(BGBS)算法，該算法將位隙分組與二進(jìn)制樹搜索算法算法(BTS)結(jié)合在了一起。有記憶的回退式索引二進(jìn)制樹形搜索(RIBS)算法具有較高的標(biāo)簽吞吐率和良好的穩(wěn)定性，但是需要較大容量的堆棧來存放其歷史數(shù)據(jù)。所需棧區(qū)空間的大小與組內(nèi)標(biāo)簽

10、數(shù)量的大小成正比。降低組內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量，必將顯著降低棧區(qū)空間要求。因此，我們提出了另一種新的TDMA類型的多標(biāo)簽防碰撞算法-位隙分組回退式索引二進(jìn)制樹搜索(即：BGRIBS)算法。
　　 理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明：BGBS算法比BTS算法的標(biāo)簽吞吐率有較大幅度的提高，BGRIBS算法比RIBS算法有一定程度的提高，BGRIBS算法的棧區(qū)空間比RIBS算法的棧區(qū)空間有了大幅度的降低，這對降低RFID閱讀器的成本是特別有價值的(詳見第4.

11、3節(jié))。
　　 (4)探索了多標(biāo)簽混合數(shù)據(jù)盲源分離的可行性并提出了一種基于位隙動態(tài)分組的盲分離多標(biāo)簽防碰撞算法(BSDBG)利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)，特別是多天線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽防碰撞是RFID防碰撞算法新的發(fā)展趨勢，也是突破傳統(tǒng)算法性能不高的唯一途徑。本文分析了多天線UHF RFID系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過對該模型的分析，得出多天線UHF RFID系統(tǒng)多標(biāo)簽混合數(shù)據(jù)完全符合獨(dú)立分量分析(ICA)算法的約束條件。為客觀評價ICA算法對多

12、標(biāo)簽混合數(shù)據(jù)盲分離的效果及算法的噪聲抑制能力，本文定義了一個新的性能評價指標(biāo)-源和目標(biāo)相似度指標(biāo)(SSR)。以此為依據(jù)，通過軟件仿真分析了將ICA算法用于多標(biāo)簽混合數(shù)據(jù)盲分離的分離效果，以及該算法對隨機(jī)性噪聲的抑制能力(詳見第5.2至5.4節(jié))。為將源信號正確地分離出來，ICA算法要求觀測信號的數(shù)目應(yīng)大于或等于源信號的數(shù)目。為滿足這一要求，本文利用位隙算法對標(biāo)簽進(jìn)行分組，使每組內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)小于閱讀器天線數(shù)，然后在組內(nèi)再使用ICA算法進(jìn)行標(biāo)