基于RFID的時(shí)分標(biāo)簽到標(biāo)簽干擾抑制技術(shù)

1、 基于RFID的時(shí)分標(biāo)簽到標(biāo)簽干擾抑制技術(shù) 孫光浩+劉丹青+王永鑒1研究背景射頻識(shí)別（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，通過捕獲有意義的數(shù)據(jù)來跟蹤和共享信息，有助于將物理對(duì)象的狀態(tài)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。它已經(jīng)成為涵蓋資產(chǎn)管理，供應(yīng)鏈和施工等廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。RFID系統(tǒng)由閱讀器（詢問器），標(biāo)簽（應(yīng)答器）和中間件軟件組成，可幫助使用RF信號(hào)從標(biāo)簽到讀取器的數(shù)據(jù)處理。標(biāo)簽根據(jù)其功能被分類為被動(dòng)，半無源和主動(dòng)。由于無源標(biāo)簽沒有配備電源，因此需要來自讀取器的能量才能發(fā)回包含其ID信息的重新調(diào)制信號(hào)。基于反向散射標(biāo)簽信號(hào)的RFID通信取決于各種因素，包括信號(hào)的功率，標(biāo)簽的雷達(dá)截面（RCS）和傳播損

2、耗。2研究意義為了最小化由相鄰標(biāo)簽引起的數(shù)據(jù)沖突，本文提出了一種基于時(shí)分（TD）技術(shù)的防沖突算法。在TD技術(shù)中，每個(gè)標(biāo)簽的響應(yīng)都是通過特定的時(shí)間間隔進(jìn)行區(qū)分的，這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于這個(gè)特定的時(shí)間間隔。因此，數(shù)據(jù)幀被分成幾個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙被分配給各個(gè)標(biāo)簽，并且讀取器可以按時(shí)間順序讀取所有標(biāo)簽。此外，本文中考慮的數(shù)據(jù)幀包括前導(dǎo)碼幀，其有助于信道估計(jì)，信噪比（SNR）估計(jì)，同步等。在RFID應(yīng)用中，TD方法需要使用相同的時(shí)隙對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分組，以便它們只在特定的時(shí)間間隔內(nèi)傳輸。在本文中，我們將提出的TD方法與常規(guī)方法的性能進(jìn)行比較，而不考慮干擾抑制和抗沖突技術(shù)以及基于黃金碼序列的CDMA技術(shù).本文的其余部

3、分安排如下。第3節(jié)描述了RFID碰撞問題，并討論并分析了以前與碰撞問題有關(guān)的一些工作。在第4節(jié)中，我們將介紹本研究中使用的接收信號(hào)模型的細(xì)節(jié)。在第5節(jié)中，我們介紹了針對(duì)單個(gè)讀取器的抗沖突問題的TD解決方案，最后，在第6節(jié)，我們得出結(jié)論。3RFID碰撞問題在本節(jié)中，我們將討論RFID碰撞的類型和以前的相關(guān)工作。3.1RFID碰撞的類型RFID標(biāo)簽信號(hào)引起的干擾是RFID系統(tǒng)的常見問題。由于讀卡器和標(biāo)簽通常使用相同的通道，來自多個(gè)標(biāo)簽的同時(shí)傳輸會(huì)導(dǎo)致沖突。碰撞被分類為讀寫器，讀寫器到標(biāo)簽和標(biāo)簽到標(biāo)簽的碰撞。3.1.1讀者閱讀器碰撞當(dāng)相鄰讀卡器同時(shí)詢問相同頻帶中的特定標(biāo)簽時(shí)，會(huì)發(fā)生讀寫器沖突。此外，

4、當(dāng)標(biāo)簽在一個(gè)讀取器的可讀范圍內(nèi)并且另一個(gè)讀取器的干擾范圍時(shí)，來自后一讀取器的信號(hào)可能會(huì)干擾來自標(biāo)簽的返回信號(hào)。Colorwave中更詳細(xì)地討論了讀者與讀者的沖突。3.1.2讀者到標(biāo)簽的碰撞當(dāng)標(biāo)簽從不同的讀者收到多個(gè)并發(fā)查詢時(shí)，會(huì)發(fā)生讀寫器到標(biāo)簽的沖突（標(biāo)簽干擾）。這個(gè)問題可以通過給附近的讀者分配不同的頻道來解決。3.1.3標(biāo)簽到標(biāo)簽的碰撞當(dāng)多個(gè)信號(hào)同時(shí)到達(dá)讀卡器時(shí)，會(huì)發(fā)生標(biāo)簽到標(biāo)簽沖突，從而防止其詢問區(qū)內(nèi)所有標(biāo)簽的可靠檢測(cè)。圖1中示出了這種情況，其中標(biāo)簽（T1，T2，T3和T4）同時(shí)向單個(gè)讀取器發(fā)送信號(hào)，從而阻止讀取器正確識(shí)別特定標(biāo)簽。沒有防沖突協(xié)議，這些標(biāo)簽的數(shù)據(jù)不僅會(huì)在讀卡器上發(fā)生沖突，從

5、而降低其識(shí)別率，而且還會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)帶寬和能量。3.2相關(guān)作品的碰撞問題RFID是一種準(zhǔn)確的物體識(shí)別系統(tǒng)，商業(yè)上用于檢測(cè)和管理與各種物品有關(guān)的信息。然而，工業(yè)應(yīng)用RFID的大規(guī)模接受度低于預(yù)期，這主要是由于環(huán)境因素，多徑衰落等以及標(biāo)簽碰撞問題等幾個(gè)問題。標(biāo)簽沖突問題通常是由于讀寫器與標(biāo)簽之間缺乏適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)而發(fā)生的。從標(biāo)簽到讀取器的反向散射響應(yīng)可能與相鄰標(biāo)簽相沖突，這最終掩蓋了讀取器正確讀取標(biāo)簽ID。在本文中，我們專注于具有多個(gè)標(biāo)簽的環(huán)境中的單個(gè)讀取器的問題。此外，我們專注于RFID技術(shù)在智慧圖書館的實(shí)際應(yīng)用。通常，在施工現(xiàn)場(chǎng)，存在大量標(biāo)簽對(duì)象。因此，同時(shí)提高對(duì)象識(shí)別性能并最大限度地降低運(yùn)營(yíng)成本是非

6、常重要的。近來開發(fā)的RFID系統(tǒng)已經(jīng)使用了各種多址技術(shù)，例如空分多址（SDMA），頻域多址（FDMA），時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），這被稱為擴(kuò)頻。3.2.1SDMA協(xié)議SDMA在空間插槽中重復(fù)使用某些資源（信道容量）。SDMA協(xié)議使用電子控制定向天線或多個(gè)讀取器分離信道，以識(shí)別標(biāo)簽。然而，這種方法的缺點(diǎn)包括高實(shí)現(xiàn)成本，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的天線系統(tǒng)，并且僅限于少數(shù)專門應(yīng)用。另一方面，F(xiàn)DMA不同于對(duì)應(yīng)答者的不同頻率的傳播，這導(dǎo)致了對(duì)讀者的影響。這需要復(fù)雜的接收者，因?yàn)楸仨殲槊總€(gè)接收信道提供專用接收機(jī)。雖然CDMA對(duì)于多個(gè)標(biāo)簽表現(xiàn)出良好的性能，但是它要求在傳輸之前將它們的數(shù)據(jù)乘以偽隨機(jī)噪

7、聲（PN）序列。相反，TDMA防沖突算法在每幀中分配幾個(gè)時(shí)隙來解決沖突問題。3.2.2 TDMA防沖突技術(shù)TDMA防沖突技術(shù)是最受歡迎的RFID讀寫器抗碰撞技術(shù)，它在色波算法中被使用，每個(gè)讀卡器選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙來傳輸數(shù)據(jù)。TDMA防沖突方法按時(shí)間順序劃分參與者之間的總可用信道容量。其程序被分類為同步讀取器驅(qū)動(dòng)和異步標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)。在閱讀器驅(qū)動(dòng)的過程中，在特定的時(shí)間間隔，首先使用特定算法從一組標(biāo)簽中選擇一個(gè)單獨(dú)的標(biāo)簽，然后在所選標(biāo)簽和讀取器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信鏈接。另一方面，通過標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)程序，標(biāo)簽通過在讀取器的存在下發(fā)送其ID而向讀取器通知。前者和后一個(gè)程序也分別被稱為讀取器通話（RTF）和標(biāo)簽通話（TT

8、F）。與RTF相比，TTF相對(duì)較慢，無法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于RFID系統(tǒng)中的防沖突算法，Abramson的招聘訪問邏輯（ALOHA）協(xié)議和二叉樹算法是基于確定性和概率方法的，被廣泛使用。用于超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是將抗沖突算法的二叉樹搜索稱為確定性方案，因?yàn)槊總€(gè)屋頂?shù)饺~子路徑表示唯一的標(biāo)簽ID，并且可以同時(shí)檢索所有完全搜索所有分支后的ID。另一方面，ALOHA抗沖突算法通常被稱為概率方案，其中每個(gè)標(biāo)簽ID將具有成功檢索的概率。3.2.3基于樹的防沖突算法endprint基于樹的防沖突算法使用虛擬樹通過迭代地查詢不同級(jí)別的標(biāo)簽的子集來讀取讀取器的讀取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并且標(biāo)簽ID基于

9、它們的預(yù)定義分發(fā)。根是要標(biāo)識(shí)的一組標(biāo)簽，中間節(jié)點(diǎn)表示碰撞標(biāo)簽組，葉片表示單個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)。它們被進(jìn)一步分類為樹分裂（TS），查詢（QT），二進(jìn)制搜索（BS）和逐位仲裁（BTA）。在TS協(xié)議中，使用隨機(jī)數(shù)生成器對(duì)多個(gè)響應(yīng)標(biāo)簽進(jìn)行分組。另一方面，QT協(xié)議將樹信息存儲(chǔ)在讀卡器中。讀者用位串預(yù)測(cè)符廣播查詢，然后將其與標(biāo)簽ID的前綴匹配，之后具有匹配預(yù)處理的標(biāo)簽以讀取器的ID為響應(yīng)查詢。這個(gè)過程一直持續(xù)到只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)。這克服了使用TS生成隨機(jī)數(shù)的問題，降低了成本和計(jì)算復(fù)雜度。在BS中，通信由讀取器發(fā)送標(biāo)簽的序列號(hào)開始。然后將序列號(hào)與其ID進(jìn)行比較。在該協(xié)議中，如果標(biāo)簽的等級(jí)不等于用戶名，則通信是可能的。

10、不需要上述協(xié)議，BTA通過請(qǐng)求標(biāo)簽來從最重要的位逐位回應(yīng)到其ID的最不重要的位。3.2.4ALOHA協(xié)議ALOHA協(xié)議是概率方法，其中信號(hào)在幀內(nèi)的隨機(jī)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)以識(shí)別標(biāo)簽。在不同的基于ALOHA的協(xié)議中，幀時(shí)隙ALOHA（FSA）和動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA（DFSA）在RFID系統(tǒng)中最常用，因?yàn)樗鼈兛梢越档蜆?biāo)簽之間的沖突概率。在FSA中，讀取器確定幀大小和時(shí)隙的實(shí)際持續(xù)時(shí)間，并且標(biāo)簽使用整個(gè)時(shí)隙集合中的隨機(jī)時(shí)隙（總時(shí)隙和幀大小被固定）。因此，在讀寫器詢問區(qū)中，對(duì)于少量的標(biāo)簽，存在因空槽而浪費(fèi)的問題，對(duì)于大量的標(biāo)簽，存在沖突問題。FSA的這個(gè)缺點(diǎn)由DFSA部分解決。在DFSA中，當(dāng)大量插槽相撞時(shí)

11、，讀卡器會(huì)將一個(gè)插槽的插槽數(shù)量相加。類似地，當(dāng)存在許多空插槽時(shí)，閱讀器將減少一個(gè)幀大小的時(shí)隙數(shù)量。在DFSA中，在估計(jì)每幀結(jié)束后的剩余標(biāo)簽數(shù)量的情況下，調(diào)整下一幀的大小，而不對(duì)當(dāng)前幀內(nèi)的理想時(shí)隙和相關(guān)時(shí)隙進(jìn)行任何操作。因此，在這些時(shí)隙期間讀者的請(qǐng)求時(shí)間被浪費(fèi)。因此，如果我們嘗試減少請(qǐng)求時(shí)間，則可能會(huì)增加標(biāo)簽沖突的可能性。4基于TD的RFID防碰撞在本節(jié)中，我們提出了一種有效和簡(jiǎn)單的防碰撞RFID系統(tǒng)，特別是智能圖書館管理系統(tǒng)技術(shù)。這種施工技術(shù)的目標(biāo)是通過重復(fù)利用和回收先前標(biāo)簽降低施工成本并提高施工速度。在這種情況下，我們需要使用簡(jiǎn)單協(xié)議的低成本RFID系統(tǒng)，與ALOHA系統(tǒng)或基于金碼的系統(tǒng)不同

12、，它應(yīng)該具有良好的防沖突性能。在本文中，我們提出了一種基于TD方法的簡(jiǎn)單有效的RFID系統(tǒng)。所提出的RFID標(biāo)簽使用特定時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，并且該時(shí)隙被固定。在標(biāo)簽附于圖書之前，標(biāo)簽根據(jù)其時(shí)間段進(jìn)行分組（請(qǐng)注意，組數(shù)可以根據(jù)圖書的數(shù)量確定）。當(dāng)將具有特定時(shí)隙的標(biāo)簽附加到圖書時(shí)，應(yīng)該管理它們，以避免同一組中的標(biāo)簽位于鄰居中。例如，如果第一組的標(biāo)簽連接到特定的圖書，則屬于其他組的標(biāo)簽應(yīng)連接到相鄰的圖書。管理RFID標(biāo)簽位置的這個(gè)過程很簡(jiǎn)單，因?yàn)閳D書通常在同一地點(diǎn)相對(duì)長(zhǎng)的一段時(shí)間，直到圖書被借走，并且圖書在另一個(gè)人借走中重新使用。雖然我們?cè)诒疚闹兄攸c(diǎn)介紹了在智能圖書館管理系統(tǒng)應(yīng)用所提出的RFID系統(tǒng)，但它

13、可能適用于物體相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間放置在同一地點(diǎn)的其他區(qū)域，如存儲(chǔ)，工業(yè)場(chǎng)所等安裝了各種設(shè)備。所提出的防碰撞RFID算法著重于涉及單個(gè)手持式讀取器和多個(gè)標(biāo)簽的情況。除了通過將標(biāo)簽分配給先前分配的時(shí)隙以傳輸數(shù)據(jù)外，還能夠有效地降低由于其他標(biāo)簽引起的沖突的概率，它還采用簡(jiǎn)單的RFID協(xié)議進(jìn)行單向通信。這種簡(jiǎn)單的RFID協(xié)議可能會(huì)降低實(shí)施成本，因?yàn)镽FID標(biāo)簽使用固定的特定時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程，這與基于金碼或ALOHA的防碰撞RFID系統(tǒng)不同。請(qǐng)注意，金碼防碰撞RFID標(biāo)簽需要重要數(shù)量的數(shù)值運(yùn)算，包括乘法和加法，而ALOHA技術(shù)需要自適應(yīng)資源處理，用于在數(shù)據(jù)幀內(nèi)分配時(shí)隙。4.1考慮干擾信

14、號(hào)的RFID信號(hào)功率模型在RFID系統(tǒng)中，一旦標(biāo)簽被來自讀取器的發(fā)射功率供電，所選擇的標(biāo)簽開始響應(yīng)于讀取器。由于從RFID標(biāo)簽散射的調(diào)制信號(hào)受到來自其他標(biāo)簽的噪聲和干擾信號(hào)的影響，所以由等式（1）和（2）給出的PFID讀取器處的接收信號(hào)由感興趣的調(diào)制后向散射信號(hào)，噪聲和干擾信號(hào)。在讀取器處，可用于其接收天線的可用功率量由下式給出其中PR接收機(jī)dB是讀取器的接收機(jī)天線接收的功率，GR接收機(jī)是讀取器處的接收機(jī)天線的增益（其等于讀取器處的發(fā)射機(jī)天線增益），a是RF標(biāo)簽的RCS，這對(duì)于系統(tǒng)級(jí)效率和可靠性很重要28（35），29。RFID標(biāo)簽的橫截面積可以寫成方程式（8）和（9）表明無源RFID系統(tǒng)的總

15、能耗取決于從讀寫器傳輸?shù)綐?biāo)簽的功率。由于這些方程式表示可以通過維持讀取器天線處的功率來調(diào)整標(biāo)簽與讀取器之間的有效距離r，所以無源RFID標(biāo)簽的全反向散射功率和詢問范圍取決于讀取器的發(fā)送功率水平。在我們的計(jì)算機(jī)模擬中，我們使用了上述的RFID信號(hào)功率模型。4.2基于TD的RFID反碰撞方案為了抑制來自周圍多個(gè)RFID標(biāo)簽的干擾信號(hào)，我們提出了一種基于TD技術(shù)的防沖突方法，該方法在特定時(shí)隙上分配標(biāo)簽信息。在讀卡器到標(biāo)簽通信期間，讀取器將發(fā)送功率Pr的載波信號(hào)發(fā)送到它們的詢問區(qū)內(nèi)的一組任意多個(gè)標(biāo)簽。如果讀取器接收到的功率大于從標(biāo)簽接收到的最小功率，這被稱為讀取器靈敏度，則從標(biāo)簽到讀取器的數(shù)據(jù)傳輸可能

16、是可能的。當(dāng)讀卡器接收到的能量高于激活閾值時(shí)，讀卡器的覆蓋區(qū)域中的所有標(biāo)簽隨后被激活，并將其識(shí)別信息發(fā)送給具有PR接收器功率的讀取器。如果測(cè)量的PR接收機(jī)值高于激活閾值，則發(fā)送信號(hào)對(duì)發(fā)送其有效載荷是有效的。相反，如果測(cè)量值低于激活閾值，則發(fā)送信號(hào)不能有效地發(fā)送其有效載荷并且數(shù)據(jù)傳輸可能失敗。在所提出的RFID系統(tǒng)中，當(dāng)使用特定時(shí)隙的特定標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀取器時(shí)，使用其它時(shí)隙的其他標(biāo)簽不傳輸任何數(shù)據(jù)，而是保持其順序。由于標(biāo)簽根據(jù)輪轉(zhuǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，在讀卡器中，與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，能夠有效地抑制來自其他標(biāo)簽的干擾信號(hào)，并提高了通信的可靠性，因?yàn)樗鼈儗?duì)于多個(gè)標(biāo)簽具有低讀取能力，因?yàn)樗鼈儧]有干擾抑制或

17、防碰撞技術(shù)。圖2示出了基于二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）的標(biāo)簽處的發(fā)送信號(hào)和讀取器處的接收信號(hào)的示例，其使用具有獨(dú)立數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)的恒定載波信號(hào)幅度，并且有助于提供穩(wěn)定的功率傳輸無線通信。在圖中，為了解釋所提出的系統(tǒng)，我們假設(shè)每個(gè)標(biāo)簽采用唯一的時(shí)隙。盡管在實(shí)際系統(tǒng)中，一些標(biāo)簽可以被分配到相同的時(shí)隙中，但與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，其他標(biāo)簽的干擾信號(hào)被有效地抑制。我們通過執(zhí)行計(jì)算機(jī)模擬來討論基于TD的所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能。endprint4.3基于TD的RFID防碰撞數(shù)據(jù)架構(gòu)在本小節(jié)中，我們提出一種基于TD的有效數(shù)據(jù)架構(gòu)來防止RFID沖突。在這里，我們?cè)赗FID數(shù)據(jù)幀中分配了特定的時(shí)隙，以

18、及用于前導(dǎo)數(shù)據(jù)和有效載荷的固定數(shù)量的數(shù)據(jù)位。在特定時(shí)間間隔內(nèi)，讀取器識(shí)別來自特定標(biāo)簽的數(shù)據(jù)比特，其由隨后有效載荷的前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)組成。為了防止同一個(gè)讀寫器詢問區(qū)中的標(biāo)簽之間的沖突，特定的時(shí)間間隔將保留給特定的標(biāo)簽。前導(dǎo)碼和有效載荷的功能總結(jié)如下。4.3.1前導(dǎo)碼在有可能阻止我們準(zhǔn)確檢測(cè)到所需信號(hào)的噪聲和干擾環(huán)境中，前導(dǎo)碼有助于防止信號(hào)檢測(cè)的性能下降。因此，前導(dǎo)數(shù)據(jù)用于信道估計(jì)，SNR估計(jì)，同步等。在讀取器的接收機(jī)處，應(yīng)該獲得有效的信道和SNR估計(jì)，以便能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)來自RFID標(biāo)簽的傳輸數(shù)據(jù)和估計(jì)分別在詢問區(qū)中的標(biāo)簽數(shù)量。此外，由于標(biāo)簽使用特定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，所以提出的RFID方法需要完美的同步。在本文中，我們假設(shè)在讀取器的接收器處執(zhí)行信道估計(jì)，SNR估計(jì)和同步。假設(shè)有四個(gè)標(biāo)簽每個(gè)采用唯一的時(shí)隙，圖3顯示了所提出的防碰撞RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)。在該系統(tǒng)中，在發(fā)送有效載荷之前，使用圖中的第1個(gè)時(shí)隙發(fā)送第1個(gè)標(biāo)簽