1、物联网 RFID 中动态多帧标签识别方法研究 傅文博 山西大同大学数学与计算机科学学院 摘 要： 随着物联网技术的快速发展, 物联网 RFID 中动态多帧标签面临识别冲突的问题。现阶段的 RFID 射频识别技术碰撞率高的弊端, 为此, 提出基于 RFID 标签防碰撞的识别算法, 改进 RFID 识别算法, 基于 RFID 射频识别技术建立新模型, 提高识别效率, 依据集合 SRPD 和 ABS 算法的特点, 在此基础上添加了监听程序, 防止冲突的繁盛。仿真实验表明, 一种改进的 RFID 标签防碰撞算法实现了RFID 自动识别技术, 具有较好的工作性能。关键词： RFID; 射频识别技术; 标
2、签; 防碰撞; 作者简介：傅文博 (1976-) , 男, 山西大同人, 硕士, 副教授, 研究方向:物联网与网络安全。收稿日期：2017-05-30基金：山西省高等学校大学生创新创业训练项目2014340Research on Dynamic Multi Frame Tag Identification Method in Internet of Things RFIDFU Wen-bo School of Mathematics and Computer Sciences, Shanxi Datong University; Abstract： With the rapid develop
3、ment of Internet of things technology, dynamic multi frame tags in IOT RFID are facing the problem of identifying conflicts.RFID radio frequency identification technology of collision stage of the high rate of defects, therefore, an improved anti-collision algorithm is proposed to identify the RFID
4、tags, RFID recognition algorithm is improved, a new RFID module of radio frequency identification technology is built, the recognition efficiency of the RFID system is improved, according to the collection of SRPD and ABS algorithm, a bstener is added to prevent the prosperity of conflict prevention
5、.Simulation results show that an improved RFID tag anti-collision algorithm has realized the RFID automatic identification technology and has better performance.Keyword： RFID; radio frequency identification technology; tag; anti-collision; Received： 2017-05-30最近几年, 射频识别技术在微电子技术、嵌入式系统、无线通信等技术高速发展的推动下
6、飞速进步。1-2, 最明显的就是智能物联网技术3-5, 它的快速发展促使 RFID 射频识别技术不断进步, 名列我国十大重要技术5-7。目前标签碰撞问题的研究成为了 RFID 技术研究发展的主流8-10。但现阶段仍处于于发展期。RFID 技术拥有无限的发展潜力, 它应用空间大4, 市场前景广, 将会对经济效益和社会有重大影响。对 RFID 射频识别技术研究至今, 多电子标签同时响应读写存储功能基本得以实现, 但也存在很多问题, 影响最为严重的是标签件易碰撞问题。碰撞问题会导致用户重复识别, 效率降低等弊端。在标签防碰撞计算区域 RFID 射频识别技术作为一种全新的技术得以广泛应用, 即是先识别
7、标记处所有防碰撞木块, 针对关联紧密复杂化的碰撞信息进行处理。建立完整的识别数据库, 搭建模型, 检测新建数据库的识别效率, 利用系统扫描方法核实识别数据, 计算识别参数集合, 将识别处理后的数据全面分析提取出来, 这便是提出改进的 RFID 标签防碰撞算法。实验结果表明, 该算法有效改善了标签防碰撞问题, 促进了 RFID 射频识别技术的发展。1 现阶段 RFID 识别技术的应用随着识别应用的发展, RFID 无线射频识别技术的研究不断进步和完善。RFID 技术在国外最早新兴, 产业和应用各个方面已经发展的较为成熟。中国现已在零售业、金融业等各大行业中都大规模的应用了 RFID 技术, 同时
8、也涉及到校园、公共交通和地铁等人们的日常生活范围。射频天线、安全隐私、选取工作频段和碰撞问题是 RFID 技术的主要研究方向。RFID 系统包括了标签阅读器和数据处理系统组成。其组成原理如图 1 所示。图 1 RFID 系统组成原理 下载原图由图 1 RFID 技术的基本原理图可知, 为了达到 RFID 自动识别被标识物体的目的, 首先在被识别的材料中装入 RFID 标签, 检测到 RFID 系统的阅读范围后, 利用标签重合监测原理检测, 达成标签和阅读器间的信息通讯, 发送检测信息到阅读器中, 在接收到信息后开始解码, 将阅读器检测到的数据实时的湘计算机数据处理系统传送, 通过网络传输给服务
9、器, 完成信息检测和处理的全过程。2 现阶段标签防碰撞及算法原理读写器和标签采用无线射频的方式通信, 早期的 RFID 系统一次只能识别一个标签, 大多采用接触式。当有多个标签在同一读写器的读写范围时, 在没有采取多路存取控制机制的情况下, 有多个标签可能同时向读写器发送信号, 这种情况下会导致信道争用, 引发信号冲突, 读写器就不能正常工作, 如图 2 所示。图 2 标签冲突示意图 下载原图在现有的 RFID 系统应用中, 一个有效的防冲突算法是必要的, 尤其在大规模应用系统中, 读写器往往需要一次识别多个标签。且为了减少冲突, 在通信过程中提高系统性能技术也是非常必要的。现在的防冲突技术通
10、常采用软件的方法实现, 也就是防冲突算法。软件的实现方法有利于降低成本, 实现也比较方便。常用的多路存取方法一般有四种1:空分多路存取方法 SDMA (space division multiple access) 、频分多路存取方法 FDMA (frequency domain multiple access) 、码分多路存取方法 CDMA (code division multiple access) 和时分多路存取方法 TDMA (time division multiple access) 。空分多路存取技术采用空间分割技术构成不同信道, 是一种信道增容的方法, 可以实现频率的重复使用
11、, 提高频率资源利用率。这种方式是尽量减少一个读写器占用的资源, 把剩下的资源分给其它的读写器, 形成一个天线覆盖区。因此, 由一组读写器形成的信道容量会增加, 并且可以重复使用。SDMA 的缺点是成本太高, 不利于广泛应用。频分多路存取技术是把多个信号分配在时隙相同而频率不同的信道上, 每个信号的载波频率各不相同, 滤波器会选取有用信号来一直干扰。在 RFID 系统中, 这种复用方式通过一个谐波发射频率转换器实现, 一个标签只响应若干个载波频率中的一个信号。FDMA 的缺点是读写器需要有多个信道, 造价较高, 在一些环境中仍不适用。码分多路存取技术是基于伪随机码, 利用扩频调制技术扩充在整个
12、频谱上的数据。对于很多无线通信方式来就, CDMA 是一个理想的信号防冲突方法, 但是在RFID 系统中, 对于标签来说, 会比较复杂, 而且计算量太大。时分多路存取技术是一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲, 同时在一个通信媒体上传输多个信号。在数字信号系统中被广泛应用。这个是在 RFID 系统中广泛应用的技术, 现有的基于 ALO-HA 的防冲突算法和基于二进制树的防冲突算法都采用了 TDMA 的思想。3 RFID 标签防碰撞改进算法3.1 改进 RFID 节点的设计在系统中先创建一个识别程序, 并同时创建 RFID 系统的节点设计如图 3 所示。图 3 RFID 系统网络节点的设计 下载
13、原图图 4 网络功能较繁琐, 其中的标签节点性能相同, 通信由阅读器向外发起, 但其节点模型和标签表面是相同的, 结构组成都是一个发心急, 接收机, 天线和进程模型。对信号频率具有较强的敏感性是 RFID 虚线射频的突出特点, 它需要采用编码方式控制调试信号, 而无源应答器只能通过识别特定频段信号来寻找请求, 相比之下, RFID 虚线射频技术大大节省了识别时间。图 4 RFID 系统建立的网络节点 下载原图3.2 算法的思想算法的主体思想如下:开始阶段, SRPD-ABS 和 AB 同步运行。在 Ci (i=2, , n) 周期中, 每个标签都带有 PSC、ASC 和 TSCi-1三个变量,
14、 PSC 表示:当前周期内已被识别标签的个数, ASC 表示:标签发送 ID 的时隙, TSC i-1表示:前一周期已识别出的 TSC 的数值。读写器带有 PSC、TSC 和 TSCi-1三个变量。其中读写器的变量 PSC 和 TSCi-1, , 不仅和标签的此变量意义一致, 而且有相同的值, ASC 的最大值用 TSC 来标识。采取文献10提到的标签估计策略, 该策略估测新得到标签的数量为 New-count, 新标签 ASC 的表示方式, 从 1New-count 中随机选取一个数, 然后加 TSC 即可。但仍需注意在滞留标签时需保留上个周期提及的ASC。对读写器回馈信号的定义, 做出了如
15、下解释:I, 0:既满足空闲时隙这一条件, 又不存在未被辨识的新到标签;I, 1:满足空闲时隙这一条件的同时, 还必须确保没有被辨识的新到标签存在;C:冲突时隙的情况, 有至少两个标签能够响应;R, 0:时隙当前为可读, 标签不会在下个时隙响应;R, 1:时隙当前为可读, 标签在下个时隙仍响应。整体识别状态时, ASC=PSC 的标签传送 ID, “存在”这一信号则由 ASC=PSC+1名称的标签发送。读写器检测到待标签传送的信号后, 依据标签信号内容给出回馈信号, 标签分析回馈并对 PSC 和 ASC 作出调整, 详细步骤如下:I, 0:ASCPSC 这一标签出现, 则 ASC=ASC-1。
16、I, 1:标签 ASC=TSCi-1+1, ASC=PSC;若标签为 ASCTSCi-1+1, ASC=ASC-1。C:0 或 1 随意被标签选中, 若为 1, PSCTSC i-1时, 表示标签陷入冲突。当ASC=TSCi-1+1, 标签未陷入冲突且存在 ASCTSCi-1+1 标识。当 PSCTSCi-1时, 如果标签 ASCPSC, 则 ASC=ASC+1。若为 0, ASC 不变。R, 0:PSC 表示识别标签个数的计数器, PSC=PSC+1, 当 PSCTSC i-1时, 若ASC=TSCi-1+1, ASC=PSC, 若 ASCTSCi-1+1, ASC=ASC-1;当 PSCT
17、SCi-1时, PSCTSCi-1。R, 1:标签的识别个数计数器 PSC=PSC+1。读写器的工作原理, 若 PSCTSC, 读写器可收到标签信号并对当前状态做出判断。若同一时刻至少两个标签处于发送 ID 状态, 则读写器就会回馈, 发送信号“C”;若仅一个标签发送 ID, 读写器正常接收, PSC=PSC+1。若 PSCTSCi-1, TSC=TSC+1, 读写器二次检测标签发送“存在”信号, 有, 则读写器发送回馈“R, 1”;反之, 发送“R, 0”。若没有标签发送 ID, 新到标签还未被识别, 则读写器发送“I, 1”, 新到标签都已被识别, 则读写器发送“I, 0”, 并令TSC-
18、1。表 1 为 SRPD-ABS 算法执行示例。假设在 Ci-1周期有 4 个标签 A, B, C, D, 识别结束, 标签 B 和 C 离开读写器可读范围, 标签 A 和 D 需要再次被识别, 且ASCA=0, ASCD=4, TSC=3。在 Ci周期, 有 4 个新到标签, 分别是 E、F、G 和 H, 并随机获得 ASC 有, ASC E=4, ASCF=5, ASCG=5, ASCH=7, 按照上述 SRPD-AB S 算法执行过程, 各变量变化过程如所示。表 1 SRPD-ABS 算法 Ci 周期变量调整过程 下载原表 所提的改进算法较结合算法, 增加了信道监听程序, 对标签碰撞进行
19、了规避。若碰撞隙数用 G 表示, 则标签数 P=3.48*G 不能被识别。设 P 为一帧中所用时隙数, p 为标签数, 则标签数 b 在 q 出现的检测概率分布为:且被 p 个标签占用的数量 x 为:可得成功识别标签数 K 为:且系统识别率 P 为:根据以上公式得, 改进的 RFID 标签技术在添加了监听程序后, 有效降低了标签碰撞几率。4 仿真实验通过对 SRPD-ABS 算法和 ABS 算法识别延迟进行分析, 进而对 ABS 算法性能进行研究。4.1 ABS 算法假设在 C1识别周期的识别延迟及 BT 算法一样, C 1周期有 n 个标签, 这个周期的总延迟识别为 DABS (C1) ,
20、得出的公式有:其中, D C、D R、D I分别为冲突时隙、可读时隙和空闲时隙数, 并且 DR=n, 有:所以将 C1作为 Ci (i=2, , n) 周期中识别结果的关键依据, 马尔可夫过程作为标签识别过程, 新到标签和滞留标签作为 Ci (i=2, , n) 周期要识别的标签的两种分类, 这两种分类会影响识别延迟的重要参数, 此时公式 (5) 以不足以表示 Ci周期的识别延迟。公式 (7) 已被证明, 假设新到的标签为 个, 离开的标签为 个, D ABS (Ci|Ci-1) 为 Ci周期总的识别延迟, 则有:4.2 SRPD-ABS 算法在 C1周期, 对 Ci (i=2, , n) 周
21、期进行分析, 运用 ABS 算法和 SRPD-ABS 算法的识别延迟具有相同性。在 Ci周期, 倘若 Ci周期总的识别延迟是 DSRPD (Ci|Ci-1) , 新到标签为 个, 离开标签为 个。有公式:实验结果表明:判定 Ci-1周期是否识别结束, 首先, 找到 n- 可读时隙, 只有 离开标签, 才有 n- 滞留标签。两种情况比较, 当 时, 有 个填补离开标签所致的空闲时隙在新标签中, 运用 ABS 算法的识别延迟与 - 个新到标签的识别延迟相等, 得出结论两项分布均服从标签选择识别时隙的过程。5 结果分析为分析本文所提的 SRPD-ABS 算法对 RFID 标签防撞系统的性能, 将其与
22、 ABS 算法的性能对比, 进行仿真实验分析。由于 RFID 系统主要性能为可读时隙、碰撞时隙和空间时隙, 但 SRPD-ABS 算法和 ABS 算法有相同的可读时隙, 因此不再进行比较, 下面只对冲突时隙和空闲时隙做仿真分析。5.1 标签数量相同的情况下的性能对比图 5 仿真图描述了在标签个数不同的情况下, SRPD-ABS 算法和 ABS 算法的执行结果。图 5 (a) 是冲突时隙的比较, 显然 SRPD-ABS 算法略胜一筹, 由图 5 (b) 明显看出, 本文所提的 SRPD-ABS 算法相比于传统的单一 ABS 算法, 具有更小的空闲时隙。分析图 5 (c) 可以看出, 由于 ABS
23、 的冲突时隙和空闲时隙都比SRPD-ABS 多, 因此 ABS 算法执行产生冲突时隙和空闲时隙的和也远远高于本文提出的 SRPD-ABS 算法, 即 SRPD-ABS 算法明显优于 ABS 算法。图 5 不同标签个数, SRPD-ABS 和 ABS 算法仿真结果 下载原图图 5 不同标签个数, SRPD-ABS 和 ABS 算法仿真结果 下载原图5.2 到达率和离开率对识别性能的影响到达率与离开率是识别 RFID 标签的重要性能。其中, 到达率 , 离开率 , 代表新到标签的个数, n 为总体识别标签个数, 运用 n- 代表滞留标签。5.2.1 到达率对识别性能的影响图 6 是令 RL=0.5
24、, 6 (a) 、6 (b) 、6 (c) 分别描述了离开率为 0.5 时, 到达率对冲突时隙、空闲时隙和总时隙的影响。图 7 是令 RA=0.5, 7 (a) 、7 (b) 、7 (c) 分别描述了到达率为 0.5 时, 离开率对冲突时隙、空闲时隙和总时隙的影响。由图 6 可以看出, 当离开率等于 0.5 时, SRPD-ABS 在任何情况都优于 ABS, 特别是 SRPD-ABS 能够减少更多的空闲时隙, 所以更有利于提高整个系统的性能。图 6 RL=0.5 时, RA 对识别延迟的影响 下载原图图 6 RL=0.5 时, RA 对识别延迟的影响 下载原图5.2.2 离开率对识别性能的影响
25、当到达率 RA=0.5 时, 图 7 (a) 可以看出, SRPD-ABS 算法的离开率对冲突时隙几乎不产生影响, 当离开率 RL=0.57 时, SPRD-ABS 算法不如 ABS 算法优越, 对于空闲时隙, 由图 7 (b) 可知, 当 RL0.5 时, 空闲时隙发生很大的变化。再看总时隙, 图 7 (c) , RL在0.730.95 区间内时, SPRD-ABS 算法不如 ABS 算法性能好, 但是它们之间差距也比较小, 在这个区间以外, SRPD-ABS 算法性能远远好于 ABS。图 7 RA=0.5 时, RL 对识别延迟的影响 下载原图图 7 RA=0.5 时, RL 对识别延迟的
26、影响 下载原图5.3 离开率和到达率的三维分析图 8 离开率和到达率对识别延迟的影响 (n=500) 下载原图图 8 为 SRPD-ABS 算法和 ABS 算法在 n=500 条件下, 离开率和到达率对识别延迟的影响模拟图。其中, 曲面 1 代表 ABS 算法, 曲面 2 代表 SRPD-ABS 算法。由图可知, 到达率与识别延时正相关。离开率在 00.64 之间时, SRPD-ABS 远远好于 ABS, 离开率在 0.641 之间时, ABS 在部分区间略胜一筹。6 结论提出基于 SRPD-ABS 算法的 RFID 标签防撞方法。实验发现所提方法解决了传统ABS 方法处理 RFID 标签防撞
27、的效率低及复杂度高等缺点, 提高了 RFID 标签的识别效率和识别速度等性能, 避免重复性的识别情况, 提高识别的时效性, 具有良好的应用性能。参考文献1LIN Y, YANG J, LV Z, et al.A Self-Assessment Stereo Capture Model Applicable to the Internet of ThingsJ.Sensors, 2015, 15 (8) :20925-20944. 2BI Z, XU L D, WANG C.Internet of Things for Enterprise Systems of Modern Manufactu
28、ringJ.IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2014, 10 (2) :1537-1546. 3HAMAD F, SMALOV L, JAMES A.Energy-aware Security in M-Commerce and the Internet of ThingsJ.Iete Technical Review, 2014, 26 (5) :357-362. 4PANG Z, ZHENG L, TIAN J, et al.Design of a terminal solution for integration of in-ho
29、me health care devices and services towards the Internet-of-ThingsJ.Enterprise Information Systems, 2014, 9 (1) :86-116. 5WANT R, SCHILIT B N, JENSON S.Securing the Internet of ThingsJ.Computer, 2015, 48 (1) :28-35. 6GRANJAL J, MONTEIRO E, SILVA J S.Network-layer security for the Internet of Things
30、using Tiny OS and BLIPJ.International Journal of Communication Systems, 2014, 27 (10) :1938-1963. 7LI L, LI S, ZHAO S.Qo S-Aware Scheduling of Services-Oriented Internet of ThingsJ.IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2014, 10 (2) :1497-1505. 8SUN Y, YAN H, ZHANG J, et al.Organizing and Querying the Big Sensing Data with Event-Linked Network in the Internet of ThingsJ.International Journal of Distributed Sensor Networks, 2014 (4) :610-617. 9PATEL S, JAZRAWI E, CREIGHTON A M, et al.Interfaces to the Internet of Things with XFormsJ.Molecular Pharmacology, 2015, 58 (3) :560-568.
