Instant collision resolution for tag identification in RFID networks RFID 网络的防碰撞算法

1. Instant collision resolution for tag identification in RFID networks RFID 网络的防碰撞算法

2. 摘要 本文涉及到在RFID网络中如何识别多个目标的问题。提出了一 种改进的Slotted Aloha 协议，来减少传输过程中的碰撞数量。 所有的标签选择一个时隙，通过产生一个随机数来传送各自的 ID号。如果该时隙中有碰撞，读卡器只对发生了碰撞的标签广播 下一个识别请求。并通过一组仿真实验证明了改进后的算法在总时延、复杂性和能量限制等RFID中的关键标准有比其它算法有更好的性能。

3. 简介 对多个目标的快速和可靠的识别在很多应用中是非常重要的。 其中，RFID是一种很有发展前景的技术。在很多应用领域中， 如交通运输，检票系统，产品控制中得到了广泛的应用和快速 的发展。一个RFID系统包括：贴在物品上需要被识别的的射频 标签（radio frequency (RF) tags），一个或多个电磁读卡器（electrom- agnetic readers）。RFID技术最大的吸引力在于它允许在非接触的 方式下储存和读取信息。因此RFID是条形码的很好的替代者， 因为它可以存储更多的数据。

4. 在RFID系统中，标签可以是有源的或无源的。有源标签有在RFID系统中，标签可以是有源的或无源的。有源标签有 电源提供能量，具备数据存储能力和数据运算能力。

5. 本文的结构如下： 2.纵览标签识别的主要问题，主要是其中的几个评价主要标准。 3.在假设读卡器已知标签的数量的假设下，描述了一种新的算法。 4.仿真试验。 5.仿真结果及其评价。 6.结论及未来的工作。

6. 2 相关工作 (1) Aloha-based protocols (2) Tree-based protocols.

7. (1) Slotted Aloha-based-identification protocols, （a） Framed Slotted Aloha protocol 假设时间被划分为不同的时隙，所有的标签都有一个用于同步的时钟。时隙就 是一个时间段，在该时间段内标签传送存储在标签内的序列号或详细的信息。 读取信息的循环是一个标签的识别过程，包括的一个帧。帧是读卡器发出两次 请求之间的时间间隔，包括了多个时隙。每个标签占用一个时隙发送自己的序 列号。当一个时隙只被一个标签使用时，读卡器就能识别该标签。也可以认为 一个时隙包括两个子时隙：一个是读卡器发出请求，另一个是标签发送序列号。 基本的Framed Slotted Aloha protocol采用固定的帧的大小，并且在整个识别过 程中不改变帧的大小。读卡器向标签发送帧的大小，标签接收到后就产生一个 随机数j，并且在帧的第j个时隙发送自己的序列号。由于帧的大小是固定的，所 以当标签数目过多时，大多数的时隙会发生碰撞。反之，如果标签数目太少， 又会有很多时隙被浪费。

8. (b) Dynamic Framed Slotted Aloha (DFSA)动态帧时隙Aloha算法 动态帧时隙Aloha算法,动态的改变帧的大小。根据Chebyshev’s inequality原理， 读卡器在每一个读卡的周期中设置合适的帧的大小。该原理说明了，通过一个 随即试验产生一个随机数X接近于期望值X。令c0, c1, ck分别代表

9. (c) Advanced Framed Slotted Aloha (AFSA)动态帧时隙Aloha算法

10. DFSA protocol

11. FSA protocol

12. Binary search protocols (BS) 读卡器依次递归地将标签分组， 将每个标签的计数器初始化为 零。只有计数器为零的标签才 可以响应读卡器的询问。当每 一个标签发送信号后，读卡器 通知询问序列：碰撞，识别， 无响应。当碰撞发生时，发生 碰撞的标签计数器清零，并加 上一个随机数。其余的标签的 计数器加一。通过这种方法， 标签被分为两组。

13. Query tree protocols (QT) 读卡器发射一个前缀，当标签的 ID和该前缀相匹配的时候，就响 应读卡器的询问。如果发生碰撞 ，则读卡器就将前缀增加一位， 然后继续发射该前缀询问，直到 没有碰撞发生。一旦，一个标签 被识别后，读卡器就用一个新的 前缀开始新一轮的询问。

14. 改进后的QT算法 以下的几种改进QT算法， 主要是减少QT算法的运 行时间。 Query Tree Improved (QTI) Aggressive advancement (QTAA） Since tags do not need additional memory except the ID, query tree protocols have the advantage to be memoryless and for this they require low functional and less expensive tags. However, since they use prefixes, their performance is sensitive to the distribution of tag IDs which a reader have to identify. In Section 5, we show how IDs distribution affects the behaviour of query tree protocols.

15. Query Tree Improved (QTI) Query Tree Improved (QTI) [2], that avoids the queries that cer tainly will produce collisions. Assume that a query of prefix ‘‘q’’ results in a collision and the query of prefix ‘‘q0,’’ results in a empty slot.Then, the reader skips the query prefix ‘‘q1’’ and Performs directly the queries ‘‘q10’’ and ‘‘q11.’’

16. QTAA Another improvement proposed in [2], is the so called ‘‘aggressive advance ment’’ (QTAA, for short), in which ev ery internal node of the query tree has four sons: After the query of pr- efix ‘‘q’’ resulting in a collision, the reader does the following queries ‘‘q00,’’ ‘‘q01,’’ ‘‘q10,’’ ‘‘q11.’’ We implemented and tested also this version, as defined in Table 7.

17. Tree Slotted Aloha protocol Tree Slotted Aloha (TSA) protocol 比其他协议的性能更好。 3.1. 基本思想 3.2. 算法 3.3 估计函数 3.4复杂度

18. 3.1. 基本思想 TSA的基本思想是，碰撞以发生就尽快解决。在FSA算法中，在某个帧中 未发生碰撞的两个标签，有可能在下一个帧中，发生碰撞。在TSA中，此 种情况就可以避免。因为，当一个时隙中有碰撞发生时，只有产生这个碰 撞的标签才会在下一个询问中被询问。

19. 3.2. 算法 我们考虑一个RFID系统，包括了一个读卡器和n个无源标签。每一个标签t 有一个唯一的ID序列号。 K是ID序列的长度。

21. 3.3 估计函数 由估计函数来计算每一个读标签的过程中采用的帧的长度。数组{c0,c1,ck}的 三个元素分别代表空时隙的数目，只有一个标签发送ID的实习数目，碰撞时 隙的数目。 N代表帧长度，n代表标签的数目。用r代表估计的时隙的数目。

22. 让标签n在范围 内变化。 代表标签数目n的 最小值。设置上限为 。通过仿真可知将上限值设为这样已经足够， 继续增大上限值对于性能的提高没有明显的作用。通过下式计算下一帧的长 度。

23. 3.4复杂度 评价标签识别算法性能的标准主要有以下2个:时间复杂度和比特复杂度。 前者即用于标签识别过程的时隙数目，后者即为标签和读卡器发送的比 特数目，代表了通信所需的能量。相对于FSA算法，减少了总的碰撞的 数目，也相应的减少了比特复杂度。每次标签只发射一比特，如果没有 碰撞则发送完整的ID。

24. 4.仿真 本部分的仿真共分为三部分： 1.第一部分 对现有的算法进行比较。如图2-8所示。 2.比较TSA和FSA在初始化过程的性能。如图9-12所示。 3.在ID不均匀分布时的情况。如图13.14所示。 基于两种假设，我们分两种情况来比较各种算法性能的优劣： 第一种情况：BS,DFSA,AFSA, TSA和LTSA算法，标签向读卡器发送ID号。 在QT,QTI,QTAA算法中标签向读卡器发送ID的首字母。 QT,QTI,QTAA算法 允许有更少的询问次数，但相应的会增加传送的比特量。 第二种情况：标签传送一个固定字节的数据，如“Hello”.当没有碰撞发生时， 读卡器就进一步询问标签的ID，这样会增加询问的次数，但是会减少传送 的比特量。

25. 表1－3，5－7和8 以最大的比特量BITs发送ID号 发送Hello数据包（8比特）

26. 4.仿真 本部分的仿真共分为三部分： 1.第一部分 对现有的算法进行比较。如图2-8所示。 2.比较TSA和FSA在初始化过程的性能。如图9-12所示。 3.在ID不均匀分布时的情况。如图13.14所示。

35. 结论 本文研究了RFID系统中的标签识别问题。首先纵览了现有的解决方案，然后提出了一种基于Slotted Aloha 协议的改进算法——Tree Slotted Aloha协议。减少了传输过程中的碰撞。所有的标签选择一个时隙，通过长生一个随机数来传送各自的ID号。如果该时隙中有碰撞，读卡器只对发生了碰撞的标签广播下一个识别请求。然后，通过一组仿真结果来全面对比最优的RFID标签识别协议。通过仿真结果可知Tree Slotted Aloha协议优于其他所有的协议。文中提到的所有已有的协议的性能都低于50%，这显然是不能让人满意的。此外，之前都是假设ID是均匀分布的，但是在现实中其它的分布方式才是更合适的。