密集环境中有源RFID防冲撞算法的研究及应用

摘要

相对无源射频识别(RFID)技术，有源RFID技术具有通信距离远、抗干扰能力强和可携带传感器等优点。随着IC技术的发展，制约其发展的三大因素--标签的成本、功耗以及尺寸等也都将逐步得到解决。但由于RFID系统中的阅读器和标签通过相同的无线信道进行数据通信，所以存在信号冲撞的问题，特别是在有源标签密集环境中，数据冲撞可能导致严重的数据丢失，降低识别速度和增加标签的功耗等。目前，RFID防冲撞协议的研究工作主要是针对于无源RFID系统，为了解决有源RFID中的数据冲撞问题，本文首先分析了造成数据冲撞的各种因素，引入了防冲撞算法的三个评价指标，然后根据不同的冲撞因素和应用场合提出了两种防冲撞算法。最后，将提出的防冲撞算法模拟应用于“家校通”系统中。本文的研究内容及创新总结如下：
　　 (1)本文首先在有源RFID硬件平台上进行通信测试，指出了造成其数据冲撞的原因。为了进一步分析影响有源RFID通信的各种因素，采用MATLAB对其通信过程进行仿真。测试和仿真结果表明，空中信号冲撞和阅读器处理能力不足是影响其通信的两大重要因素。最后根据有源标签自身携带电池的特点，对其防冲撞算法提出了三个评价指标，分别是通信延迟、信道利用率以及标签能耗。
　　 (2)提出了一种主-从双阅读器的阅读器改进机制(MSDR)，用于解决阅读器处理能力不足的问题。通过加入从阅读器，可有效降低主阅读器的处理负载，从而降低通信延迟、冲撞率和标签能耗。在本文的实验条件中，当标签个数为25时，发送周期为100ms时，相对于单阅读器机制，MSDR的识别率提高了82.9％，通讯延迟和标签能耗均降低了47.0％。当通讯负载足够大时，该机制可望将识别率提高一倍。
　　 (3)提出了一种具有预约功能的双阅读器双信道的防冲撞算法(DRDCMA)，用于解决有源标签密集环境下的长数据包的空中冲撞问题。在DRDCMA中，由于预约机制的加入，将长数据包的冲撞转为短数据包的冲撞；又因为控制阅读器的加入，使数据阅读器的处理能力不受到影响。因此该算法在不增加通信延迟的基础上，有效地降低了数据冲撞，使数据信道中的识别率几乎达到100％。在本文的实验条件中，当标签个数为25时，发送周期为100ms时，相对于具有预约功能的单阅读器双信道防冲撞算法(DCMA)，DRDCMA的通信延迟和标签能耗分别降低了69.1％和78.3％。
　　 (4)将主-从双阅读器机制(MSDR)模拟应用于“家校通”系统，验证了本文提出的有源RFID防冲撞算法的实用性。仿真得出，在“家校通”系统容量为500人时，保证标签寿命达到8～9年的基础上，使用单阅读器机制，阅读器的识别率为98.6418％，而使用MSDR时，阅读器识别率可高达99.9999％，较好保证了“家校通”系统的可靠性。