李建雄，馮 鑫，史偉光，宋戰(zhàn)偉

（天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津300387）

基于動態(tài)Q值的RFID防碰撞算法

李建雄，馮 鑫，史偉光，宋戰(zhàn)偉

（天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津300387）

在考慮冗余時間的情況下，利用DFSA數(shù)學模型的最大系統(tǒng)效率值，將標簽分組與動態(tài)調(diào)整Q值相結(jié)合，對傳統(tǒng)Q值算法進行優(yōu)化，并提出了針對EPC-C1G2協(xié)議的DQA防碰撞算法.仿真結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)防碰撞算法相比，所提出的算法保持系統(tǒng)效率在0.368，節(jié)約系統(tǒng)時隙，減少系統(tǒng)冗余時間.此外，該算法考慮了EPC-C1G2標準，移植性強.

RFID；動態(tài)幀時隙；最大系統(tǒng)效率；Q值算法；防碰撞算法

近幾年，隨著現(xiàn)代物流業(yè)技術(shù)與制造業(yè)信息化水平的提高，射頻識別（RFID）技術(shù)憑借其非接觸式識別方式以及大量存儲信息的優(yōu)勢，已經(jīng)被公認是條形碼識別系統(tǒng)的最好替代技術(shù)，并廣泛地應用于倉庫物流[1]、室內(nèi)定位[2]、圖書管理[3]等諸多領域.然而，當2個或2個以上標簽同時與閱讀器通信時，由于無源RFID系統(tǒng)標簽共用一個傳輸信道，標簽之間的碰撞將導致標簽不能與閱讀器正常通信.

目前，動態(tài)幀時隙算法（DFSA）是最為常用的標簽防碰撞方法[4-5].由于識別幀長和標簽數(shù)量會直接影響到RFID系統(tǒng)效率，為了降低標簽之間的碰撞率，系統(tǒng)使用某一幀長完成一輪標簽識別過程之后，DFSA會根據(jù)該幀長內(nèi)標簽的碰撞情況，動態(tài)調(diào)整下一識別過程的識別幀長.然而，閱讀器沒有標簽數(shù)目感知能力，需根據(jù)當前幀長度下標簽的碰撞情況來調(diào)整下一識別過程的識別幀長.

EPC Class1 Generation2（EPC-C1G2）協(xié)議即ISO/ IEC 18000-6C國際標準[6]，采用了Q值防碰撞算法對標簽進行識別.該算法通過統(tǒng)計識別幀內(nèi)部空閑和碰撞時隙的數(shù)目，控制下一識別幀的長度，使得系統(tǒng)在不同標簽數(shù)目范圍內(nèi)，均可以保持較好的識別性能.然而，學術(shù)界大多采用窮舉法進行模擬，使得系統(tǒng)最優(yōu)效率很難實現(xiàn).

本文利用RFID最大系統(tǒng)效率值，在考慮冗余時間的情況下，提出一種基于動態(tài)Q值的標簽防碰撞算法，該方法類似于Q值算法的幀長度改進方法，本文命名其為DQA算法.當識別環(huán)境有大量標簽存在時，DQA算法將結(jié)合碰撞和空閑時隙的數(shù)目，使用最大系統(tǒng)效率對Q值算法進行簡化，進而實時控制識別幀長.仿真結(jié)果表明，DQA算法與現(xiàn)有Q值算法比較，能夠有效地降低系統(tǒng)總時隙數(shù)目的消耗，減少計算量.

1 EPC-C1 G2 協(xié)議和Q值算法

EPC-C1G2協(xié)議是第二代EPC超高頻空中接口標準，該協(xié)議使用的防碰撞算法如圖1和圖2所示.

圖2 EPC-C1G2協(xié)議下多標簽查詢-應答的鏈路時序圖Fig.2 Link timing of multi-tags′query-response on EPC-C1G2

首先閱讀器向標簽發(fā)送包含參數(shù)Q信息的大小為22比特的Query指令，開啟一個盤存周期，則閱讀器對標簽盤存的次數(shù)為2Q[7-8].

（1）標簽產(chǎn)生一個16位的RN16作為其臨時身份的ID，并將[0，2Q-1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的一個隨機數(shù)置于自身時隙計數(shù)器中；

（2）時隙計數(shù)器數(shù)值為0的標簽向閱讀器發(fā)送其RN16.若讀寫器收到有效的RN16，則發(fā)送包含該RN16參數(shù)的ACK指令到指定標簽；若該標簽收到有效的ACK，則發(fā)送其EPC到閱讀器并進入到確認狀態(tài).時隙計數(shù)器數(shù)值不等于0的標簽則轉(zhuǎn)到仲裁狀態(tài)；

（3）讀寫器發(fā)送QueryRep指令，處于仲裁狀態(tài)標簽的slot counter減1，跳轉(zhuǎn)至步驟（2）；

（4）一幀識別結(jié)束后，判斷Q值：若Q值改變，讀寫器發(fā)送QueryAdjust指令，改變Q值并開啟一個新的盤存周期；若Q值不變，閱讀器發(fā)送Query指令，開始一個新的盤存周期，跳轉(zhuǎn)至步驟（1）.

在無源標簽識別系統(tǒng)中，閱讀器不能預知標簽數(shù)目.如果幀長預估計結(jié)果太大，空閑時隙數(shù)目會隨之增加，導致系統(tǒng)總時隙數(shù)目的增加；相反，如果幀長預估計太小，一幀識別結(jié)束后，標簽之間嚴重的碰撞現(xiàn)象會導致系統(tǒng)識別率下降.因此，一個合理的幀長度預估計體系對DFSA防碰撞算法至關(guān)重要.Q值算法通過適時統(tǒng)計成功時隙、空閑時隙和碰撞時隙的個數(shù)來完成Q值大小的動態(tài)調(diào)整[9-11]，其算法流程如圖3所示.

圖3 Q值算法的流程Fig.3 Control flow of Q Algorithm

圖3中：Qf為Q值的浮點表示；C為調(diào)整步長.令2Qi等于第i幀的長度Li，一個盤存周期內(nèi)，標簽隨機選擇時隙進行應答，若檢測到無標簽應答，則Qf=max（0，Qf-C）；若檢測到標簽成功應答，則Qf保持不變；若檢測到多個標簽同時應答，則Qf=min（15，Qf+C）.當Q值較大時，C選擇較小值，而當Q值較小時，C選擇較大值.因此，第i幀結(jié)束時，對Qf取整并調(diào)整Qi+1得：

式中：Nc和Ne分別代表第i幀中碰撞和空閑時隙的數(shù)目；round（φ）表示接近φ的最小整數(shù).

Q值算法允許讀寫器在識別幀內(nèi)選擇任意一個時隙，通過靈活控制C值的大小，有效地提高系統(tǒng)的識別率.一般地，C值的大小介于0.1到0.5之間.當識別幀長較大時，限制C值大小會影響系統(tǒng)的識別率.當識別幀長較小時，如果C值的下限選擇不當，將會導致幀長動態(tài)調(diào)整機制出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象：即使當前識別系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的時隙碰撞或者空閑現(xiàn)象，幀長仍然不會改變.目前，針對最優(yōu)C值選擇的問題，雖然有諸多方案，但C值多數(shù)通過建模仿真獲得.

2 基于EPC-C1 G2的防碰撞算法

在RFID系統(tǒng)中，標簽識別率的高低決定系統(tǒng)性能的好壞.通常定義識別率S為只有一個標簽選擇的時隙數(shù)目與系統(tǒng)全部時隙數(shù)目的比值，如公式（2）所示.

使用第i個幀長對標簽進行識別時，由于會出現(xiàn)只有一個標簽選擇的成功時隙Ns、沒有標簽選擇的空閑時隙Ne以及因為多個標簽選擇的碰撞時隙Nc，因此，公式（2）可改寫為：

假設閱讀器識別區(qū)域內(nèi)的標簽數(shù)目為n，閱讀器隨機選擇（0，Li）范圍內(nèi)的任意整數(shù)τ，并置于計數(shù)器中.各閱讀器之間選擇數(shù)值相互獨立，由于標簽選擇時隙服從二項分布，且τ～B（n，1/Li）.因此，有x個標簽同時響應一個時隙的概率為：

則只有一個標簽響應一個時隙的概率為：

對上式求導可得最優(yōu)長度為：

當n較大時，使用泰勒級數(shù)化簡得：

分析表明，當標簽數(shù)目n等于幀長度Li時，系統(tǒng)識別率達到最大.但是由于RFID識別技術(shù)硬件條件的限制，當環(huán)境中出現(xiàn)大量標簽時，幀長不可以無限增加.本文對標簽采取分組操作，通過限制響應的標簽數(shù)量降低標簽之間的碰撞率，進而提高系統(tǒng)識別率.假設最大識別幀長Lmax=256，定義分組數(shù)G為：

不同幀長度下對應的系統(tǒng)效率如圖4所示，結(jié)合拋物線的對稱性可知，2個相鄰幀長中必然存在系統(tǒng)效率相同的點，即滿足SLi=S2Li，代入公式（5）得兩曲線的交點為：

圖4 不同幀長度下對應的系統(tǒng)效率Fig.4 System efficiency vs frame size

因此，當未識別的標簽數(shù)目大于nLi，2Li時，調(diào)整下一幀長為原幀長的2倍；當未識別的標簽數(shù)目小于nLi，2Li時，調(diào)整下一幀長為原幀長的1/2.

當所需要的Li大于256時，系統(tǒng)采取分組操作.定義幀長度為256時，SG和SG+1分別為標簽分組數(shù)為G和G+1組所對應的系統(tǒng)效率.不同分組下對應的系統(tǒng)效率如圖5所示，2個相鄰不同分組間同樣存在具有相同系統(tǒng)效率的標簽數(shù)目節(jié)點，即滿足SG=SG+1，化簡得：

圖5 不同分組下對應的系統(tǒng)效率Fig.5 System efficiency vs grouping number

3 DQA算法

標簽與閱讀器進行通信過程中，傳輸?shù)膬?nèi)容不僅包括標簽的數(shù)據(jù)信息，同時還包括數(shù)據(jù)傳輸過程中必備的選擇、請求、應答等指令所占據(jù)的數(shù)據(jù)信息，定義其為冗余信息.本文在考慮冗余信息的情況下重新定義系統(tǒng)理論識別率η：

式中：E[η]為系統(tǒng)有效傳輸時間，即標簽與閱讀器進行實際數(shù)據(jù)傳輸時所消耗的時間；T冗余為標簽與閱讀器數(shù)據(jù)傳輸過程中所消耗的冗余時間.

不同分組情況下考慮冗余時間的理論系統(tǒng)效率如圖6所示.

通常，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每一個識別幀長所包含的冗余信息是固定的.由圖6可見，當標簽數(shù)目較少時，E[η]較小，根據(jù)公式（11）可知，與E[η]比較，T冗余占有較大比重，系統(tǒng)理論識別率η隨著標簽數(shù)目的變化波動較大；由于在該標簽數(shù)目范圍內(nèi)，閱讀器識別幀長大小可調(diào)，因此，閱讀器動態(tài)調(diào)整幀長以適應變化的標簽數(shù)目，不采取標簽分組措施.當標簽數(shù)目較大時，E[η]占有足夠大的比重，此時，系統(tǒng)理論識別率η隨著標簽數(shù)目的變化波動較??；由于在較大標簽數(shù)目范圍內(nèi)，幀長不能無限增加，當識別幀長增加到最大值256且標簽數(shù)目繼續(xù)增大時，本文采用標簽分組識別方式.

圖6 不同分組情況下考慮冗余時間的理論系統(tǒng)效率曲線Fig.6 Theoretical value of system efficiency considering redundant time under different groups

圖7所示為不同分組情況下獲得的系統(tǒng)最優(yōu)識別效率圖，該圖截取了識別率為0.360～0.368的區(qū)間.

圖7 考慮冗余時間下的系統(tǒng)最優(yōu)識別效率曲線Fig.7 Optimal value of system efficiency considering redundant time

由圖7可知，對于存在大量標簽的標簽識別環(huán)境，在考慮冗余時間的情況下，分組優(yōu)化后的幀時隙算法，可以使系統(tǒng)識別率在較高標簽數(shù)目范圍內(nèi)保持理論上的最大值，近似等于36.8%.標簽數(shù)目較少時，對于系統(tǒng)理論識別效率較低的現(xiàn)象，可以采用樹確定性算法做進一步的改進.

結(jié)合公式（9）和公式（10），本文總結(jié)了不同標簽數(shù)目范圍所對應的最優(yōu)幀長和分組數(shù)，如表1所示，并定義其為動態(tài)調(diào)整標準.

表1 考慮冗余時間下的不同標簽數(shù)目對應的幀長度和分組數(shù)Tab.1 Optimal assignment of frame size and grouping number considering redundant time

對Q值算法的改進通常包括2種：一種是為變量設置權(quán)值，通過仿真獲得不同Q值條件下最優(yōu)權(quán)值的取值，但該算法較高的復雜度和較長的仿真時間會加重閱讀器的負擔；另一種是提升標簽數(shù)目估計能力，例如Vogt[12]標簽估計法，其原理如公式（12）所示：

式中：ε為預測誤差；ns、nc和ne分別代表實際環(huán)境中成功、碰撞和空閑狀態(tài)的時隙數(shù)目.該算法通過采用縮小理論和實際之間誤差精確地估計未識別標簽的數(shù)目，但由于其操作的復雜性，實際中很難應用.

Schoute[13]基于泊松分布提出了一種針對動態(tài)幀時隙算法（DFSA）的標簽評估體系，未識別標簽數(shù)目n0可由公式（13）獲得.

該方法的優(yōu)點在于原理簡單易懂，方便移植，硬件要求低，計算量小，能夠提供準確的標簽數(shù)目估計.

本文以經(jīng)典Q值算法和Schoute預測標簽數(shù)目方法為基礎，提出了適用于ISO180006C協(xié)議的動態(tài)幀改進算法.同時，為了獲得最優(yōu)幀長，本文使用最大系統(tǒng)效率，如公式（14）所示：

化簡得

因此，一幀識別之后，根據(jù)該幀中成功識別標簽的時隙個數(shù)，可以獲得最大系統(tǒng)效率下對應的Q值，該Q值可決定EPC-C1G2協(xié)議中幀長的大小.改進的Q值算法，在標簽數(shù)目較多時，采取動態(tài)分組的策略，同時，在一幀結(jié)束時，對標簽數(shù)目進行預測，并與建立的動態(tài)調(diào)整標準進行比較，若與其不同，閱讀器將發(fā)送QueryAdjust或Query調(diào)整指令改變Q值，保證系統(tǒng)識別率保持在36.8%左右，算法流程圖如圖8所示.

圖8 DQA算法流程圖Fig.8 Flow chart of proposed DQA algorithm

4 仿真結(jié)果及分析

本文對單閱讀器多標簽環(huán)境進行仿真，假設標簽與閱讀器之間為理想信道，忽略閱讀器在識別過程中由于傳播延時、鏈路丟失以及噪聲干擾所引起的識別誤差.所有標簽均等地接受閱讀器發(fā)送的能量，且在盤存過程中沒有其他標簽進出識別系統(tǒng).成功接受識別的標簽將不會響應閱讀器接下來的識別指令.系統(tǒng)標簽數(shù)目最大為1200個，閱讀器的起始識別幀長為16.

在MATLAB平臺下，對DFSA、GFSA[14]、EDFSA[15]和推薦的DQA算法進行仿真，依據(jù)Gen2協(xié)議評估各算法的識別時間.發(fā)送指令的長度、動態(tài)ID（RN16）和Q值算法均符合Gen2規(guī)范（如圖1和圖2）.上下鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率均被設置為80 kps，因此，標簽在一個時隙花費的時間為0.2 ms.

圖9顯示了當標簽數(shù)目為0～1 200時，各算法所消耗的時隙數(shù)目.由圖9可知，當標簽數(shù)目較小時，由于GFSA不能很好地控制識別幀長到最優(yōu)，標簽之間碰撞現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)識別率降低，所以消耗較多的時隙；其他3種算法動態(tài)調(diào)整識別幀長，使得系統(tǒng)保持較高的標簽識別率，因此消耗的時隙數(shù)目隨標簽數(shù)目的增加而線性平穩(wěn)增長.當標簽數(shù)目較大時，EDFSA、GFSA、DQA算法均采取分組操作，DFSA算法由于受到閱讀器最大幀長的限制且未采取分組操作，導致隨著標簽數(shù)目的繼續(xù)增長，碰撞現(xiàn)象加劇，消耗的總時隙數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長.DQA動態(tài)幀時隙算法簡化了Q值更新方式，降低了識別系統(tǒng)的盤存次數(shù)，因此消耗較少的時隙數(shù).

圖10比較了基于Gen2協(xié)議各算法的冗余時間.該時間記錄的是除去傳輸有效信息（例如96比特或256比特EPC信息）所消耗的時間，其中，系統(tǒng)耗時等于傳輸有效信號耗時與冗余時間之和.

圖10 不同算法的系統(tǒng)冗余Fig.10 Redundant time of different algorithms

由圖10可知，當標簽數(shù)目較多時，DFSA算法中碰撞時隙消耗時間占主導因素；由于閱讀器與每個標簽進行EPC通信所消耗的時間是固定且有限的，因此系統(tǒng)冗余時間隨著標簽數(shù)目增長的幅度小于時隙消耗時間的增長幅度，因此單一考慮冗余時間時，會出現(xiàn)冗余時間增長幅度較緩慢的現(xiàn)象.當標簽數(shù)目較少時，GFSA算法由于選擇幀長過大，導致空閑時隙占主導因素；但對于識別相同數(shù)量的標簽而言，閱讀器發(fā)送幀的數(shù)量相比較于其他算法而言受幀長變化影響差別不大，因此，各算法冗余時間相差較小.EDFSA動態(tài)調(diào)整幀長，系統(tǒng)消耗識別幀的數(shù)量穩(wěn)定增長，因此，冗余時間呈線性增長.DQA算法采用了考慮冗余情況下的最大識別效率對系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得幀長得到更加精確的控制，系統(tǒng)的盤存次數(shù)得到有效的降低，因此與其他算法相比較，冗余時間有所降低.

圖11所示為不同算法的系統(tǒng)效率圖.

圖11 不同算法的系統(tǒng)效率圖Fig.11 System efficiency of different algorithms

由圖11可知，EDFSA通過采取動態(tài)分組與變幀長，使得系統(tǒng)保持較高的識別率，但該算法未將最大系統(tǒng)效率值應用于接下來的動態(tài)幀長調(diào)整中，使得其系統(tǒng)識別率并非最優(yōu).DFSA通過動態(tài)調(diào)整幀長使其在標簽數(shù)目較少的情況下保持較好的系統(tǒng)識別率，但隨著標簽數(shù)目的增加，幀長不能無限增加，系統(tǒng)需要的時隙數(shù)目呈現(xiàn)指數(shù)增長，時隙碰撞加劇，最終導致系統(tǒng)識別率急劇下降.GFSA算法采用固定幀長進行識別，當標簽數(shù)目較少時，由于未采用與DFSA相似的動態(tài)變幀長方法，導致一個識別幀中，出現(xiàn)大量的空閑時隙，造成時隙的浪費，因此降低了系統(tǒng)識別率；而當標簽數(shù)目逐漸增大時，標簽被分為多組，使得最終系統(tǒng)效率保持在一定范圍內(nèi).本文提出的DQA算法在考慮冗余時間的情況下，重新獲得了Q值調(diào)整標準，并且將動態(tài)分組和動態(tài)Q變幀有效結(jié)合，使得系統(tǒng)在不同標簽數(shù)目范圍內(nèi)仍可以穩(wěn)定地保持識別率在36.8%左右，優(yōu)越于其他3種算法.

5 結(jié)語

使用EPC-C1G2協(xié)議中的Q值算法來調(diào)節(jié)幀長，能夠減輕閱讀器的計算負荷，節(jié)約大量的存儲空間.在考慮系統(tǒng)冗余的情況下，使用系統(tǒng)最大識別率36.8%對傳統(tǒng)Q值算法進行了優(yōu)化，并采用效率高、計算量小的Schoute算法對標簽數(shù)目進行估計.同時，本文提出了適用于Gen2協(xié)議的DQA防碰撞算法，將標簽分組與動態(tài)調(diào)整Q值相結(jié)合，保證系統(tǒng)擁有穩(wěn)定的識別率.仿真結(jié)果表明，該算法在節(jié)省時隙、減少冗余、保持較高系統(tǒng)識別率方面具有一定的優(yōu)越性.此外，由于該算法考慮了EPC-C1G2的標準，可以直接移植使用，應用價值較高.

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RFID anti-collision algorithm based on dynamic Q method

LI Jian-xiong，F(xiàn)ENG Xin，SHI Wei-guang，SONG Zhan-wei
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

By considering the redundant time and the theoretical maximum system efficiency value，the DQA algorithm is proposed after optimized by grouped and dynamic Q method.Simulation results show that the proposed algorithm，compared with the traditional anti-collision algorithms，obtains a high system efficiency which maintains at 0.368 and shows the superiority in the time slots saving and redundant time reducing.What is more，the algorithm takes EPC-C1G2 protocol into account which contributes to the arithmetic replant.

RFID；DFSA；maximum system efficiency；Q-algorithm；anti-collision algorithm

TP311；TP391.44

A

1671－024X（2015）06－0055－06

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.06.012

2015-07-17

國家自然科學基金資助項目（61372011）；天津市應用基礎與前沿技術(shù)研究計劃項目（15JCYBJC16300）

李建雄（1969—），男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為射頻識別（RFZD系統(tǒng)）及計算電磁學.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn