一種UHFRFID多標(biāo)簽處理算法的改進(jìn)

引 言

無源RFID（無線射頻識(shí)別技術(shù)）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，根據(jù)頻段可分為 LFRFID（125kHz），HFRFID（13.56MHz）和UHF RFID（840～960 MHz）。其中，UHF RFID由于標(biāo)簽讀取距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)容量大、無需電池、多標(biāo)簽處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 在物聯(lián)網(wǎng)信息識(shí)別系統(tǒng)方面的應(yīng)用日益廣泛。

在物流及倉(cāng)儲(chǔ)等應(yīng)用中，由于標(biāo)簽數(shù)據(jù)數(shù)量大、存放密度高，很容易引起多標(biāo)簽響應(yīng)沖突，導(dǎo)致閱讀器無法有效識(shí)別標(biāo)簽數(shù)據(jù)。為了有效解決該問題，需要在讀寫器的軟件設(shè)計(jì)中使用多標(biāo)簽防沖突算法，而防沖突算法的好壞將直接影響系統(tǒng)對(duì)多標(biāo)簽數(shù)據(jù)的處理效率。

目前，UHF RFID 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分為ISO18000-6A/B/C 三類， 其中，ISO18000-6C 協(xié)議應(yīng)用最為廣泛。本文對(duì)ISO18000-6C 協(xié)議中的標(biāo)簽防沖突算法進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，以提高 UHF RFID 讀寫器對(duì)多標(biāo)簽的識(shí)別處理能力。

1 UHF RFID多標(biāo)簽算法

ISO18000-6C協(xié)議中的防沖突算法采用基于時(shí)隙 Aloha 協(xié)議的防沖突算法。標(biāo)簽根據(jù)讀寫器盤點(diǎn)命令的參數(shù) Q值劃分時(shí)隙，可隨機(jī)在某一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，當(dāng)有多個(gè)標(biāo)簽選擇同一個(gè)時(shí)隙上報(bào)數(shù)據(jù)導(dǎo)致讀寫器無法正常解析數(shù)據(jù)時(shí)即發(fā)生沖突，為解決該現(xiàn)象，在讀寫器端使用多標(biāo)簽防沖突算法。目前，讀寫器端主流的防沖突算法主要包括固定時(shí)隙算法和動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)節(jié)算法。

1.1 固定時(shí)隙算法

固定時(shí)隙算法處理標(biāo)簽的原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，大致分為以下幾個(gè)步驟：

(1) 讀寫器根據(jù)事先人為設(shè)置的標(biāo)簽數(shù)量 N計(jì)算出參數(shù)Q 值，一般需滿足條件 ：2Q≤ N<2Q+1，通過 Q 值計(jì)算得到標(biāo)簽需劃分的時(shí)隙數(shù) Slots=2Q，然后將Slots 值通過Query 命令下發(fā)至標(biāo)簽；

(2) 標(biāo)簽在收到 Query命令中的 Slots參數(shù)后， 從 [0， 2Q－ 1] 中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)載入其時(shí)隙計(jì)數(shù)器 SC，如果SC 中的時(shí)隙數(shù)為 0，則標(biāo)簽立即產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù) RN16 返回應(yīng)答；

(3) 讀寫器正確解析標(biāo)簽返回的RN16后，向標(biāo)簽發(fā)出包含該RN16值的確認(rèn)應(yīng)答ACK；

(4) 標(biāo)簽收到ACK后返回包含標(biāo)簽 EPC數(shù)據(jù)在內(nèi)的應(yīng)答幀；

(5) 讀寫器收到標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送 QueryRep命令通知該標(biāo)簽改變識(shí)別標(biāo)志位不再參與識(shí)別過程，其他標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器 SC中的數(shù)值減 1；

(6) 當(dāng)有標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器 SC數(shù)據(jù)為 0時(shí)，返回應(yīng)答RN16，并重復(fù)（3）的操作；

(7) 讀寫器根據(jù)標(biāo)簽識(shí)別情況或者預(yù)設(shè)時(shí)間參數(shù)判斷是否結(jié)束標(biāo)簽識(shí)別過程。

1.2 動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)節(jié)算法

固定時(shí)隙算法在事先預(yù)知標(biāo)簽數(shù)量并且標(biāo)簽數(shù)量不變的情況下可取得較好的效果，但在使用過程中，較多場(chǎng)合事先無法準(zhǔn)確獲悉標(biāo)簽數(shù)量或某些場(chǎng)合的標(biāo)簽數(shù)量一直處于動(dòng)態(tài)變化中，因此需要在識(shí)別過程中大致估算實(shí)時(shí)標(biāo)簽數(shù)量并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)隙參數(shù)，從而保證讀寫器可快速有效地識(shí)別標(biāo)簽。

目前，動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)節(jié)算法的主要思路是在固定時(shí)隙算法的基礎(chǔ)上記錄標(biāo)簽的應(yīng)答與沖突情況，并結(jié)合此時(shí)的參數(shù) Q 值與調(diào)節(jié)的門限閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于閾值時(shí)，對(duì)當(dāng)前 Q 值進(jìn)行調(diào)整并通知標(biāo)簽根據(jù)新的時(shí)隙進(jìn)行識(shí)別。具體過程如下：

（2）當(dāng) T<Slots/（2X）時(shí)，表明時(shí)隙數(shù)量相對(duì)于當(dāng)前的標(biāo) 簽數(shù)量過大，需減小 Q 值 ；

（3）當(dāng) T>Slots/X 時(shí)，表明時(shí)隙數(shù)量相對(duì)于當(dāng)前的標(biāo)簽 數(shù)量過小，需增大 Q 值 ；

（4）當(dāng) Slots/（2X）≤ T ≤ Slots/X 時(shí)，表明時(shí)隙數(shù)量相對(duì) 于當(dāng)前的標(biāo)簽數(shù)量處于合理區(qū)間內(nèi)，無需調(diào)節(jié)。

（5）根據(jù)上述步驟的判斷結(jié)果及 Q 值調(diào)整下一輪 Query 命令參數(shù)中的時(shí)隙數(shù)量。

1.3 動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法的優(yōu)化

動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法在標(biāo)簽數(shù)量未知及數(shù)量不固定的場(chǎng)合下能夠根據(jù)標(biāo)簽數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)隙數(shù)量，減少標(biāo)簽識(shí)別沖突，提高標(biāo)簽識(shí)別效率。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該算法還存在一些問題，主要原因在于在一些標(biāo)簽識(shí)別沖突嚴(yán)重的場(chǎng)合，算法對(duì)標(biāo)簽量的估值存在較大偏差，導(dǎo)致算法判斷錯(cuò)誤，因此時(shí)隙數(shù)與實(shí)際標(biāo)簽量存在較大差異，雖然可通過多輪識(shí)別收集標(biāo)簽量來接近真實(shí)的標(biāo)簽情況，但該方法識(shí)別效率低下，且不適用標(biāo)簽量動(dòng)態(tài)變化較快的情況。

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法的優(yōu)化算法，通過讀寫器收集識(shí)別過程中各階段的狀態(tài)值，形成多層判斷條件， 通過各狀態(tài)值的變化情況綜合判斷當(dāng)前時(shí)隙數(shù)量與標(biāo)簽量是否相符，調(diào)整 Q 值，從而在短時(shí)間內(nèi)迅速提高多標(biāo)簽處理能力。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試在一定量標(biāo)簽時(shí)如何選取 Q 值時(shí)隙數(shù)。設(shè)置三組標(biāo)簽場(chǎng)景，使其標(biāo)簽量分別為100，300，500，記錄每組實(shí)驗(yàn)在不同 Q值下 30s內(nèi)讀到的標(biāo)簽數(shù)量，為避免實(shí)驗(yàn)誤差， 每個(gè) Q值測(cè)試 10次，最后取平均值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng) Q 值對(duì)應(yīng)的時(shí)隙數(shù)約等于當(dāng)前標(biāo)簽量（即 N≈ Slots）時(shí)，讀寫器的多標(biāo)簽處理能力最佳，同等時(shí)間內(nèi)讀取的標(biāo)簽量最多。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析，記錄每組標(biāo)簽單化過程中的狀態(tài)值，包括無應(yīng)答時(shí)隙數(shù) S1，有應(yīng)答時(shí)隙數(shù) S2 與標(biāo)簽成功識(shí)別數(shù) S3，建立公式 Ns=aS1+bS2+cS3。將多次統(tǒng)計(jì)記錄數(shù)據(jù)代入公式，其中 Ns 為每次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)簽總數(shù)，據(jù)此計(jì)算求出 a，b，c 三個(gè)系數(shù)均值。

修改之前的 Q 值調(diào)整算法，過程如下：

（1）收集上一輪識(shí)別過程中的狀態(tài)值 S1，S2 和 S3，根據(jù) 公式 Ns=a×S1+b×S2+c×S3 求出當(dāng)前標(biāo)簽預(yù)估量 Ns。

（2）將 Ns 與當(dāng)前 Q 值對(duì)應(yīng)的 Slots 值進(jìn)行比較，將調(diào)整 閾值 X 設(shè)為 0.8，根據(jù)測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)整。

（3）當(dāng) Ns>2X×Slots 時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前 Q 值過小，需增加 Q 值。

（4）當(dāng) Ns<X×Slots 時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前 Q 值過大，需減小 Q 值。

（5）當(dāng) X×Slots ≤ Ns ≤ 2X×Slots 時(shí)，表明時(shí)隙數(shù)量相對(duì) 于當(dāng)前的標(biāo)簽數(shù)量處于合理區(qū)間內(nèi)，無需調(diào)整。

2 結(jié) 語

本文對(duì)基于 ISO/IEC18000-6C 協(xié)議的標(biāo)簽單化過程進(jìn)行 了分析，對(duì)當(dāng)前的多標(biāo)簽固定時(shí)隙算法與動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)整算法進(jìn) 行了研究討論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)簽分組測(cè)試，統(tǒng)計(jì)了大 量測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄后提出了新的多標(biāo)簽處理算法，已通過實(shí) 驗(yàn)測(cè)試對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于以前的多 標(biāo)簽處理算法，新算法可較為準(zhǔn)確地預(yù)估當(dāng)前標(biāo)簽量，并在 此基礎(chǔ)上對(duì) Q 值進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析調(diào)整，提高了標(biāo)簽的識(shí)別效率， 減少了同等標(biāo)簽量情況下標(biāo)簽的識(shí)別時(shí)間，對(duì)解決 RFID 系統(tǒng) 中經(jīng)常遇到的大量標(biāo)簽防碰撞問題具有一定的參考價(jià)值。