可并行识别的超高频RFID系统防碰撞性能研究.doc

1、2009 年 6 月 Journal on Communications June 2009第 30 卷第 6 期 通 信 学 报 Vol.30 No.6可并行识别的超高频 RFID 系统防碰撞性能研究王必胜 1,2，张其善 1(1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100083；2. 山东科技大学 信电学院，山东 青岛 266510 )摘 要：对超高频射频识别（RFID ）系统的防碰撞问题进行了分析。提出了基于动态帧时隙 ALOHA（DFSA）协议与正交可变扩频因子码（OVSF）作为扩频码的码分多址技术相结合的超高频 RFID 系统，实现了在单一时隙内最多可并行识别 m 个 RFI

2、D 应答器，m 为 OVSF 扩频码长度。对提出的 RFID 系统期望的系统吞吐量进行了理论分析，仿真结果表明其防碰撞性能显著超过了现有的基于动态帧时隙 ALOHA（DFSA）协议的超高频 RFID系统的防碰撞性能。关键词：射频识别；可并行识别；OVSF 码；动态帧时隙 ALOHA（DFSA ）中图分类号：TN929.532 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2009)06-0108-06Study of anti-collision performance in parallelizable identification UHF RFID systemWANG Bi-sheng1

3、,2 , ZHANG Qi-shan1(1. College of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China; 2. College of Information and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,China)Abstract: The anti-collision

4、problem of ultra high frequency (UHF) RFID system was analyzed. A novel UHF RFID system, which based on combination of dynamic framed-slotted ALOHA and CDMA technology with orthogonal variable spread factor (OVSF) code, was presented. The RFID system had an ability to identify at most m tags simulta

5、neously in one time slot, where m was the length of OVSF spread code. The expected system throughput of the presented RFID system was theoretically analyzed. The simulation results show that the anti-collision performance of the presented RFID system outperforms significantly that of current dynamic

6、-framed-slotted-ALOHA (DFSA) UHF RFID system.Key words: radio frequency identification; parallelizable identification; OVSF code; DFSA1 引言在当前普适计算中，射频识别（RFID）技术是一种重要的无线自动识别技术。RFID 系统具有快速、安全及高效等优点，越来越对工厂自动化产品线、仓储管理、超市及供应链管理等应用领域产生很大的影响。RFID 系统可在较恶劣的环境下工作，并以很高的精确度 1识别被标识物件。一般情况下，RFID 系统包含阅读器和应答器。阅读器通过发

7、送射频波查询其识读范围内的应答器，所有应答器收集信号功率并回送各自的标识（ID）信息给阅读器。当同时有 2 个或多个应答器在同一时隙内回送 ID 信息时，会发生 “应答器碰撞”问题，此时阅读器不能识别其中任何一个应答器的信息。阅读器使用防碰撞算法 14来解决“应答器碰撞” 。现有 2 种防碰撞方法：帧时隙收稿日期：2007-12-04；修回日期：2009-04-10基金项目：广东省重大科技专项计划项目（2008A090300001）Foundation Item: The Key Item in the GuangDong Province Science & Technology Speci

8、al Program(2008A090300001)第 6 期 王必胜等：可并行识别的超高频 RFID 系统防碰撞性能研究 109ALOHA (FSA)协议 5,6及二进制搜索算法 79。在FSA 及其各变种协议中，如动态帧时隙 ALOHA (DFSA)10,11，阅读器发送包含帧长参数的“查询”命令启动识别应答器，应答器从帧长为 n 个时隙中随机选择一个时隙，如果选择的时隙符合协议的发送要求，应答器就在该时隙内回送自己的 ID信息给阅读器，阅读器完成识别或解决碰撞。在二进制搜索算法中，每一次发生碰撞的所有应答器不断地被细分为 2 组，直到每一组中只包含一个应答器为止。无论是 FSA 协议还是

9、二进制搜索算法，阅读器在一个时隙内只能成功识别一个应答器，这样 RFID 系统期望的系统吞吐量（平均每个时隙成功识别应答器的数量）非常低。对 DFSA协议而言，最大期望的系统吞吐量约为 0.42611，对二进制搜索算法约为 0.4307。对于超高频 RFID 系统而言，具有快速且高效的防碰撞识别技术是非常必要的，特别是需要在短时间内识别大量的应答器情况下尤其重要。本文提出了一种新的超高频（UHF ）RFID 系统（以下简称 DFSA-OC） ，将动态帧时隙 ALOHA 协议与使用正交可变扩频因子码（OVSF）作为扩频码的码分多址技术相结合，可在同一个时隙内最多可并行识别 m 个应答器，m 为

10、OVSF 扩频码长度。提出的 DFSA-OC 系统期望的系统吞吐量显著高于现有基于 DFSA 协议（包括 FSA 协议）或二进制搜索算法 UHF RFID 系统的吞吐量。2 DFSA-OC RFID 系统现有 UHF RFID 系统在阅读器识别应答器过程中，所有应答器在与阅读器通讯时共享一个无线射频信道。这样当有 2 个或以上应答器在一个时隙内同时响应时，所有应答器信号因碰撞叠加在一起，阅读器没有办法分离出任一应答器信号。在 DFSA 协议中，阅读器发送“查询”命令启动一轮应答器识别过程，其中“查询”命令中包含帧长参数 k。每个应答器接收到阅读器“查询”命令后，提取参数 k 作为当前 ALOH

11、A 帧长，并随机生成一个0，k 1内的时隙号。其中生成的时隙号为 0 的应答器立即发送包含自身 ID 信息的信号给阅读器。若在一个时隙内没有发生“应答器碰撞” ，如图 1 识别状态中浅灰色所示，阅读器可以识别这个应答器。若在一个时隙内发生了“应答器碰撞” ，如识别状态中黑色表示，阅读器不能识别该时隙内的任一个应答器并且忽略该时隙内所有发生碰撞的应答器。阅读器继续下一时隙的识别过程，直到完成当前 ALOHA 帧中所有时隙的识别。所有剩余的应答器阅读器启动下一帧完成识别，这一过程不断重复直到所有应答器全部识别完结束。在 DFSA 协议的 ALOHA 帧中，识别过程使用了 TDMA 方式，应答器只能

12、通过不同的时隙号才能被识别出来。如果 ALOHA 帧长远远小于阅读器识读范围内的应答器数量，将会有更多的应答器产生出相同的时隙号，这样形成更多的应答器发生碰撞，从而导致较低的期望的系统吞吐量。对于利用二进制搜索算法实现防碰撞识别的 RFID 系统，其识别过程也是属于 TDMA 方式，需要不断地分解碰撞的应答器以便在一个时隙内只有一个应答器参与识别，识别时间较长，影响了系统的吞吐量。图 1 帧时隙 ALOHA 射频识别工作原理2.1 DFSA-OC RFID 系统防碰撞工作原理CDMA 技术广泛使用在各种无线通信应用中，可供多个用户在同一时间段内同时存取信息。为了降低 RFID 系统在同一时隙内

13、“应答器碰撞”的概率，提高期望的系统吞吐量和识别效率，本文提出以 OVSF 码 12作为扩频码，将 CDMA 技术嵌入到 DFSA 控制协议中以解决 UHF RFID 系统的防碰撞问题。提出的 DFSA-OC 超高频 RFID 系统的防碰撞工作原理如图 2 所示。在 DFSA-OC 超高频 RFID 系统中，阅读器首先发送“查询”命令启动应答器识别过程。该命令中包含帧长参数 k 和 OVSF 扩频码长度参数m（如图 2，第一帧中 k=8 及 m=4） 。应答器接收到阅读器“查询”命令后提取参数 k 和 m。参数 k作为 ALOHA 协议的当前帧长，参数 m 作为OVSF 扩频码的码长。在应答过

14、程中， 每 一 个 应 答 器 先 生 成 2 个 随 机110 通 信 学 报 第 30 卷整 数 。 一 个 是 时 隙 号 ， 其 值 在 0， k1中 ， 用 于 在当 前 ALOHA 帧 中 随 机 选 择 一 个 响 应 时 隙。例如图2 图 2 DFSA-OC 超高频 RFID 系统的防碰撞工作原理及其实例第 1 帧 中 ， 应 答 器 1 的 时 隙 号 值 为 0， 应 答 器2、 3、 4 的 值 为 1 以 及 应 答 器 5、 6 的 值 为 6。 另 一个 是 码 索 引 号 ， 其 值 在 0， m1中 ， 用 于 随 机 生 成一 个 OVSF 扩 频 码 。 对

15、 长 度 为 m 的 OVSF 扩 频 码 而言 ， 其 OVSF 扩 频 码 的 总 数 量 也 为 m， 并 且 每 一 个OVSF 扩 频 码 都 有 唯 一 索 引 值 ， 范 围 在 0， m1中 。例 如 图 2 第 1 帧 中 ， 应 答 器 1 生 成 的 码 索 引 号 对 应的 OVSF 扩 频 码 为 1 1 1 1， 应 答 器 2、 3、 4、 5对 应 的 扩 频 码 为 1 1 1 1以 及 应 答 器 6 对 应 的 扩 频码 为 1 1 1 1。 每 一 个 应 答 器 使 用 各 自 生 成 的 OVSF扩 频 码 对 包 含 ID 信 息 的 数 据 信

16、号 进 行 扩 频 调 制 然后 应 答 阅 读 器 。阅读器与应答器的通信过程处在 DFSA 协议控制之下。接收到应答器的回送信号以后，阅读器首先生成 m 个 OVSF 扩频码（码长为 m） ，并使用这些扩频码对接收到的扩频信号进行解扩。利用 OVSF 码分多址技术，阅读器可以在一个时隙内最多识别 m 个应答器。识别过程中出现 4 种情况。1) 一个时隙内只有一个应答器响应。如图 2第 1 帧，在第 0 个时隙只有应答器 1 响应阅读器，其 OVSF 扩频码为1 1 1 1，阅读器可以成功识别应答器 1。2) 一个时隙内有 2 个或以上（m ）应答器同时响应，但每一个应答器都有一个不同的 O

17、VSF扩频码。如图 2 第 1 帧中应答器 5 和 6 均在第 6个时隙内同时响应，但是应答器 5 的扩频码为1 1 1 1，应答器 6 的扩频码为 1 1 1 1，利用码分多址技术，阅读器可以识别该时隙内的所有应答器。3) 一个时隙内有 2 个或以上（m ）应答器同时响应，所有应答器都有一个相同的 OVSF 扩频码。如图 2 第 1 帧中应答器 2，3，4 均在第 1个时隙内响应，并且都具有相同的扩频码1 1 1 1。这种情况称之为“码碰撞” 。阅读器不能识别该时隙内的所有应答器，只能在下一帧中查询这些应答器。4) 一个时隙内有 3 个或以上应答器响应，其中有 2 个或以上应答器具有一个相同

18、的 OVSF 扩频码，也就是说发生了“码碰撞” ，如图 2 第 2 帧中的应答器 3、4，此时阅读器不能在第 2 帧中识别出应答器 3、4；另外有一个或以上应答器生成不相同的 OVSF 扩频码，如图 2 第 2 帧中的应答器 2。在这种情况下，虽然应答器 2 与应答器3、4 有相同的时隙号，但是应答器 2 中的扩频码1 1 1 1与应答器 3、4 中的扩频码 1 1 1 1不相同。按照码分多址技术，阅读器可以识别出该时隙内的应答器 2。由 上 述 分 析 可 知 ， 在 DFSA-OC RFID 系 统 中 ，在 同 一 时 隙 内 只 有 发 生 了 “码 碰 撞 ”的 应 答 器 才 不能

19、 被 识 别 ， 而 其 它 没 有 发 生 “码 碰 撞 ”的 应 答 器 仍然 可 以 被 识 别 出 来 。 而 在 DFSA 协 议 或 二 进 制 树 搜索 算 法 RFID 系 统 中 ， 同 一 个 时 隙 内 只 要 有 两 个 或以 上 应 答 器 就 会 发 生 “应 答 器 碰 撞 ”， 阅 读 器 将 不 能识 别 该 时 隙 内 任 一 个 应 答 器 。 因 此 本 文 提 出 的 RFID系 统 其 吞 吐 量 要 高 于 基 于 现 有 协 议 的 RFID 系 统 的吞 吐 量 。 在 DFSA-OC RFID 系 统 中 ， 若 一 个 时 隙 内没 有 发

20、 生 “码 碰 撞 ”， 阅 读 器 最 多 可 以 识 别 出 m 个 应答 器 。2.2 OVSF 扩频码生成在 DFSA-OC RFID 系统中，应答器使用OVSF 扩频码对包含 ID 信息的数据信号进行扩频调制，阅读器使用所有的 m 个 OVSF 扩频码对接收到的扩频信号进行解扩运算。在应答器中，可根据 OVSF 码快速生成算法 12设计一个 OVSF 硬件生成模块。应答器将接收到的码长参数 m 及随机生成的码索引号输入到 OVSF 生成模块即可得第 6 期 王必胜等：可并行识别的超高频 RFID 系统防碰撞性能研究 111到一个所需要的 OVSF 扩频码。由于 OVSF 生成模块一次

21、只能得到一个 OVSF 扩频码，阅读器在解扩时需要所有码长为 m 的扩频码。考虑到阅读器硬件资源丰富，可将所有需要的 OVSF 扩频码预先存储在 OVSF 码表中，在解扩时，阅读器根据码长参数 m 通过查找 OVSF 码表来获取所有码长为 m 的 OVSF 扩频码。在 DFSA-OC 系统中，当应答器数量及帧长一定的情况下，随着码长 m 值增大，应答器在一个时隙内发生“码碰撞”的概率随之减小，系统期望的吞吐量随之增大，防碰撞性能提高。另一方面码长 m 值增大意味着 DFSA-OC 系统占用的频率资源在增加，另外系统的硬件复杂度有所增加。根据本文后面的仿真结果，码长 m 的最大值取 27能够满足

22、实际应用的需要。超高频 RFID 系统实际应用情形各不相同，应答器数量从较少到非常多都可能出现。为了灵活适应各种情况，DFSA-OC 系统在识别过程中帧长参数 k 及 OVSF 码长参数 m 都是动态可变的，这在识别协议中很容易实现，不需要太多的硬件资源。在应答器数量非常多时，可以使用较大的码长 m，以提高系统的吞吐量，加快应答器的识别速度，降低总的识别时间。在应答器数量较少时，可使用较小的码长 m，在满足系统对期望吞吐量要求下可减小系统对频率资源的占用。3 防碰撞性能分析在 UHF RFID 系统中，期望的系统吞吐量表示为平均每个时隙内成功识别的应答器数量，是反映 RFID 系统对应答器防碰

23、撞识别性能的一个最为重要的指标。在基于 DFSA 协议的 RFID 系统中，对于有 N 个应答器及帧长为 L 时，其期望的系统吞吐量 E(SDFSA)如式(1)所示。(1)1DFAN而 DFSA-OC 系统期望的系统吞吐量 E(SDSFA-OC)的计算要比较复杂一些。首先，可计算出一个时隙内有 k 个应答器且 OVSF 码长为 m 时对应的期望的吞吐量 Eslot(SDSFA-OC)为(2)1slotDFA-OCkk其次，按照 DFSA 协议，对于有 N 个应答器及 L 个时隙时在一个时隙内出现 k 个应答器的概率为(k=1,2,N) (3)1kNkPL现 在 ， 对 于 给 定 OVSF 码

24、 长 m， 则 DFSA-OC系 统 的 期 望 的 系 统 吞 吐 量 E(SDSFA-OC)可 由 式 (4)计 算 ：1 11DSFA-OCslotSF-C()()1NkkNkkkELmP(4)式(4)也可修改成式(5) ：1DSFA-OC()NEL(5)12kNkkNkLm式(5)由 2 部分组成：第一部分等同于式(1)，第二部分是一个不小于 0 的数，记为 Ed(SDSFA-OC)。随着码长 m 增大，E d(SDSFA-OC)值也增大，期望的系统吞吐量 E(SDSFA-OC)也越大，DFSA-OC 系统的防碰撞性能就越好。为了更详细地分析 DFSA-OC 系统的防碰撞性能，按照式(

25、4) 或式(5) 分别在不同的时隙数及OVSF 扩频码长条件下计算出 DFSA-OC 系统的最大期望的系统吞吐量，并与基于 DFSA 协议的系统作了比较，结果如图 3 所示。在数值计算中，对于 DFSA-OC 系统，时隙 L 依次取2 q, (q=2,3, 10)中的值，OVSF 扩频码长 m 依次取2 p, (p=0,1,7)中的值，应答器数 N 从 1 到 1024 变化。图 3 中反映了时隙 L 和码长 m 对最大期望系统吞吐量 Emax(SDSFA-OC)的影响。同样，对于基于DFSA 协议的 RFID 系统，令时隙 L 也依次取2 q, (q=2,3, 10)中的值，应答器数 N 从

26、 1 到 1024 变化，按照式(1) ，得到了对应的期望的系统吞吐量的最大值 Emax(SDFSA),如图 3 中最下方箭头所指示。112 通 信 学 报 第 30 卷图 3 最大期望吞吐量与 OVSF 扩频码长 m 及时隙数 L 的关系（1应答器数 N1024）图 3 中 Emax(SDSFA-OC)值随码长 m 增大而增大，其值要大于 Emax(SDFSA)。例如在 L=4 的情况下，当 m=128 时 Emax(SDSFA-OC)达到 47.1346 而Emax(SDFSA)却只有 0.421 9；在 L=1024 的情况下，当 m=128 时 Emax(SDSFA-OC)为 0.99

27、2 2， 而 Emax(SDFSA)却 只 有 0.368 1。 上述最大期望吞吐量是在应答器数限制在 1 到 1024 范围内得到的。由 DFSA 协议可知，只有当帧长与应答器数相接近时系统具有最大的吞吐量，此时防碰撞性能最佳，而当帧长与应答器相差较大时系统的吞吐量将减小，随之防碰撞性能也降低。同样的，当 m=128 时，L=1024 时的最大吞吐量相比 L=4 时的要小很多。这是因为应答器数在 1 到 1024 范围内，帧长越长，平均分配在每个时隙内的应答器数就越少，扩频码长优势没有显现出来，系统的防碰撞性能优势没有发挥出来。所以实际工作中应根据具体的应答器数量，动态地调整帧长及码长大小，

28、使系统能工作在具有最佳期望的吞吐量状态。由理论分析知，DFSA-OC RFID 系统随码长 m 值增大其期望的系统吞吐量也随之增大，防碰撞性能显著超过了基于 DFSA 协议的 RFID 系统的性能。4 仿真结果利用仿真软件，分别建立了 DFSA-OC UHF RFID 系统及基于 DFSA 协议的 UHF RFID 的防碰撞仿真模型。每个模型中都包括一个阅读器和多个应答器，应答器数量在 1 到 1000 个内间隔 50改变。仿真时 ALOHA 帧长限定在2 q, (q=2,3, 10)，初始帧长为 32，以后每一帧的帧长按照相应的应答器估计算法的结果来确定。在基于 DFSA协议的仿真模型中，采

29、用 Schoute 算法 11即B=2.39C 来估计剩余应答器数，其中 C 为当前帧中发生碰撞的时隙数。在 DFSA-OC 系统的仿真模型中，无法直接利用 Schoute 算法来估计剩余应答器数，但是可借鉴 Schoute 算法原理，先估计每一个时隙内发生碰撞的应答器数 Bslot=2.39Nc，N c 为当前时隙内发生了“码碰撞”的 OVSF 扩频码的个数，然后再将当前 ALOHA 帧中所有时隙估计的 Bslot 相加，得到当前帧中未识别的剩余应答器数 B。仿真时 OVSF 扩频码长 m 依次取2 p, (p=0,1,7)中的值。仿真结果的输出用识别总时隙数表示，用以反映完成所有应答器识别

30、时的识别总时间的大小。系统的识别总时间越小表示系统吞吐量越大，防碰撞性能越高，反之则系统吞吐量越小，防碰撞性能越低。仿真结果如图 4 所示。图 4 中当 m=1 时，OVSF 扩频因子为 1，也即没有发生实质性的扩频，DFSA-OC 系统退变为DFSA 系统，此时 DFSA-OC 系统的防碰撞性能与基于 DFSA 协议的系统性能一样，图中 2 曲线相重合 。 随 着 m 的 值 从 2 增 大 到 128， DFSA-OC 系 统扩 频 因 子 越 来 越 大 ， 在 相 同 的 应 答 器 数 量 下 需 要 的识 别 总 时 隙 数 越 来 越 小 。 例 如 应 答 器 数 量 为 1

31、000 时 ，OVSF 码 长 m=1 时 需 要 的 识 别 总 时 隙 数 为 3 140， 码长 m=2 时 需 要 的 识 别 总 时 隙 数 为 1 627， 减 少 了 1 513 个时隙，与 m=1 相比总的识别时间减少了48.18%。码长 m=128 时需要的识别总时隙数为290，减少了 2 850 个时隙，与 m=1 相比总的识别时间减少了 90.76%，识别效率显著提高。系统的仿真结果与理论分析的相一致。图 4 OVSF 扩频码长对识别总时隙数的影响第 6 期 王必胜等：可并行识别的超高频 RFID 系统防碰撞性能研究 1135 结束语利用 OVSF 扩频码，将 CDMA

32、技术与 DFSA协议相结合，对于提高超高频 RFID 系统的防碰撞性能是一种简便而又高效的识别方案。在 DFSA-OC UHF RFID 系统中， “码碰撞”代替了传统的“应答器碰撞” ，降低了“应答器碰撞”的概率，提高了系统吞吐量。在应答器中嵌入 OVSF 硬件生成模块，对应答器的硬件成本及功耗有所增加。但随着 IC 技术及工艺的快速发展，应答器总体成本不断下降，功耗也逐渐降低。另外考虑到基于DFSA 协议的 EPC C1G2 RFID 系统现处于强势地位，可对 DFSA-OC 系统适当改进实现与 DFSA RFID 系统的相互兼容识别。由前述分析知当 m=1时，DFSA-OC 系统退变为

33、DFSA 系统。因此当DFSA 系统的阅读器发出“查询”识别命令时，DFSA-OC 系统的应答器将其默认为是 DFSA-OC系统的阅读器发出的 m=1 时的 “查询”识别命令，从而可实现 DFSA 系统的阅读器对 DFSA-OC 系统的应答器的兼容识别。由于 DFSA-OC 系统的阅读器硬件资源丰富，可容易实现对基于 DFSA 协议的应答器的兼容识别，这样有利于 DFSA-OC 系统的推广。理论分析及仿真验证结果表明，本文提出的 DFSA-OC UHF RFID 系统具有实现简单，有很高的期望的系统吞吐量和防碰撞识别性能，可广泛用于各种各样的应用场景中，也为我国制定自己的超高频 RFID 系统

34、标准提供了一定的理论参考依据。参考文献：1 VOGT H. Efficient object identification with passive RFID tagsA. First International Conference PERVASIVE 2002C. 2000,981132 WIESELTHIER J E, EPHREMIDES A, MICHAELS L A. An exact analysis and performance evaluation of framed ALOHA with captureJ. IEEE Transactions on Communicati

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38、，山东科技大学在职教师，主要研究方向为射频识别系统及通信信号处理。8 HUSH D R, WOOD C. Analysis of tree algorithms for RFID arbitrationA. IEEE International Symposium on Information TheoryC. 1998.107-107.9 MYUNG J, LEE W, SRIVAASTAVA J. Adaptive binary splitting for efficient RFID tag anti-collisionJ. IEEE Communications Letters,200

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40、ations, 1983,31:565-56812 王钢，张其善. 复制理论在编码与序列设计中的应用研究J. 电子学报，2004,32:287-289.WANG G,ZHANG Q S. The study on code theory and sequence design by copy theory(in Chinese)J. Acta Electronice Sinica, 2004,32:287-289.作者简介：张其善（1936-），男，浙江浦江人，北京航空航天大学教授、博士生导师、美国 IEEE 高级会员、中国电子学会会士，主要研究方向为通信信息传输与处理、GPS 及射频识别技术等。