RFID閱讀器.ppt

1、RFID閱讀器 在無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)中，標簽存儲著全球唯一的識別號，并附著在被識別物上。閱讀器通過給附著有識別標簽的物品發(fā)射無線射頻信號來識別物品，像其他無線通信系統(tǒng)一樣，RFID 系統(tǒng)也存在著信號干擾問題。什么是閱讀器？它的工作原理是什么？它的基本組成？閱讀器與電子標簽的通信過程中存在著什么樣的問題？如何解決這些問題？ 1 1、什么是閱讀器？、什么是閱讀器？ 閱讀器（Reader and Writer）又稱讀寫器、詢問器、通信設備、掃描器、編程器、讀出裝置、便攜式讀出器、AEI設備（Automatic Equipment Identification Device）、識讀器、讀頭等

2、。以上起名起源于不同功能或者是應用場合的角度。閱讀器是讀取和寫入電子標簽內(nèi)存信息的設備。閱讀器又可以與計算機網(wǎng)絡進行連接，計算機網(wǎng)絡可以完成數(shù)據(jù)信息的存儲、管理和控制。另閱讀器又是一種數(shù)據(jù)采集設備，其基本作用就是作為數(shù)據(jù)交換的一環(huán)，將前端電子標簽所包含的信息，傳遞給后端的計算機設備。1.11.1閱讀器工作原理閱讀器工作原理 工作原理 閱讀器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上，經(jīng)天線發(fā)送給進入閱讀器識別范圍的電子標簽，接收此脈沖信號，電子標簽的有關電路對此信號進行解調(diào)、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。 若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關的信息，經(jīng)加密、

3、編碼、調(diào)制后通過芯片內(nèi)的天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送給中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)的處理； 若為修改信息的寫命令，有關的控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，對EEPROM中的內(nèi)存信息進行改寫，若經(jīng)判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。 2 2、閱讀器的基本組成、閱讀器的基本組成 一般來說，RFID閱讀器從屋里上可以劃分成硬件和軟件兩個部分，另外閱讀器也可以從功能上劃分為四個邏輯組件。 2.1.2.1.硬件部分硬件部分 硬件的基本組成一般包括以下幾個部分：控制模塊、射頻處理模塊、天線以及外圍接口電路等。與主機的通信接口MCU射頻處理模塊LED/LCD顯示其

4、他外圍設備接口（1 1）控制模塊）控制模塊控制模塊或為控制器（Micro Controller Unit）主要功能是：與應用軟件系統(tǒng)進行通信；執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作命令；控制與標簽的通信過程；基帶信號的編碼與解碼；執(zhí)行防碰撞算法；對讀寫器和標簽之間的傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密；進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證；對鍵盤、顯示設備等其他外部設備的控制。其中最重要的是對射頻讀寫芯片的控制操作，這種控制操作體現(xiàn)在以下幾個方面：1）對射頻讀寫芯片的電源控制。通過對射頻讀寫部分的獨立電源控制，用戶可以在MCU中根據(jù)自己的需要選擇或關閉射頻讀寫功能。2）MCU通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等并行控制接口與

5、射頻讀寫芯片連接，控制讀寫芯片的正常工作，實現(xiàn)與電子標簽的通信。3）另外，主控MCU通過串行通信接口與PC方進行通信，方便用戶將開發(fā)的應用程序載入到MCU中。同時，將主控MCU的剩余I/O口及中斷引腳引出，供用戶擴展使用。（2 2）射頻處理模塊）射頻處理模塊 射頻處理模塊的主要功能是產(chǎn)生高頻發(fā)射能量、激活電子標簽并為其提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給電子標簽；接收并解調(diào)來自電子標簽的射頻信號。射頻處理模塊負責射頻信號的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，完成對電子標簽的讀寫。（3 3）天線）天線 天線是發(fā)射和接收射頻載波信號的設備。在確定的工作頻率和帶寬條件下，天線發(fā)射由射頻處理模塊產(chǎn)生的射頻載波

6、，并接收從標簽發(fā)射或反射回來的射頻載波。天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為無源標簽提供電源，在設備和標簽之間傳送信息。天線的有效電磁場范圍就是系統(tǒng)的工作區(qū)域。（4 4）MCUMCU與主機的通信接口以及鍵盤、與主機的通信接口以及鍵盤、LED/LCDLED/LCD顯示等其他顯示等其他外部設備。外部設備。3 3、閱讀器的工作特點、閱讀器的工作特點 閱讀器的基本功能就是觸發(fā)作為數(shù)據(jù)載體的電子標簽，與這個標簽建立通信聯(lián)系。電子標簽與閱讀器并非接觸通信的一系列任務，均由閱讀器來處理，同時閱讀器在應用軟件的控制下，實現(xiàn)閱讀器在系統(tǒng)網(wǎng)絡中的運用。閱讀器的工作特點如下： 1、電子標簽與閱讀器之間的通信閱讀器以射頻的方

7、式向電子標簽傳輸能量，對電子標簽完成基本的操作。基本操作主要包括對電子標簽的初始化，讀取或寫入電子標簽的內(nèi)存信息，使電子標簽功能失效等。 2、閱讀器與計算機網(wǎng)絡之間的通信 閱讀器將讀取到的電子標簽的信息傳遞給計算機網(wǎng)絡，計算機網(wǎng)絡對閱讀器進行控制和信息交換，完成特定的應用任務。 3、閱讀器的識別能力 閱讀器不僅能識別靜止的電子標簽，而且能同時識別多個移動的電子標簽。 （1）防碰撞的能力。 在識別范圍內(nèi)，閱讀器可以完成多個電子標簽信息的同時存取，具備讀取多個電子標簽信息的防碰撞能力 （2）對移動物體的識別能力。 閱讀器能夠子在一定的技術指標下，對移動的電子標簽進行讀取，并能夠校驗讀寫過程中的錯誤

8、去信息。 4、閱讀器與有源電子標簽的管理 5、閱讀器的適應性 6、應用軟件的控制作用 4 4、閱讀器存在的問題、閱讀器存在的問題 所有的標簽和閱讀器都在一個有限的空間內(nèi)進行通信，為了覆蓋整個閱讀的空間從而識別該范圍內(nèi)所有的標簽，閱讀器網(wǎng)絡必然會在空間中產(chǎn)生多個閱讀器讀寫范圍的交叉。這些讀寫范圍交叉的閱讀器之間就可能發(fā)生碰撞；另外，對于被動式的標簽，其工作使用的能量來自閱讀器，其反射回閱讀器的信號是反射信號，是一種弱信號，容易受其他閱讀器強信號的干擾，這樣也有可能發(fā)生碰撞。 4.1(1)多閱讀器到標簽間的干擾 當多個閱讀器同時閱讀同一個標簽時引起了多閱讀器到標簽間的干擾, 這里分兩種情況。一種兩

9、個閱讀器閱讀范圍重疊, 如圖4-1（a）中，從閱讀器1和2發(fā)射的信號可能在射頻標簽1處產(chǎn)生干擾。在這種情況下,標簽1不能解密任何查詢信號并且閱讀器1和2都不能閱讀1。 圖4-1（a） 閱讀器范圍重疊 另外一種兩個閱讀器閱讀范圍沒有重疊,如圖4-1（b）所示。雖然閱讀范圍沒有重疊,但處于干擾范圍之內(nèi),但在同一時間占用相同頻率與標簽1通信,閱讀器2發(fā)射的信號對讀寫器1發(fā)射的信號在標簽1處產(chǎn)生干擾,從而導致通信質(zhì)量下降。 圖3-1（b） 閱讀范圍不重疊的多閱讀器對標簽的干擾 （2）閱讀器之間的干擾 另一種是閱讀器之間的干擾。對于被動式的標簽，其工作使用的能量來自閱讀器，其反射回閱讀器的信號是反射信號

10、，是一種弱信號，容易受其他閱讀器強信號的干擾，這樣也有可能發(fā)生碰撞。如下圖3-1（c）標簽1是弱信號接收閱讀器R1的強信號，但R1在R2在干擾范圍內(nèi)，這就有可能讓閱讀器R1無法接收標簽的信息。 圖3-1（c）讀寫器與讀寫器之間的干擾4.2閱讀器防碰撞算法 現(xiàn)有解決多閱讀器信號碰撞問題的方法主要可以分為兩類:協(xié)調(diào)計劃算法和功率控制算法。 (1)基于調(diào)度的閱讀器防碰撞算法是在全網(wǎng)的體系結構中，統(tǒng)一收集閱讀器間的碰撞消息，將系統(tǒng)的可用資源合理分配給各個閱讀器使用，防止多個閱讀器同時發(fā)送信號給標簽而產(chǎn)生信號干擾。常用算法有Colorwave、HiQ-learning、PULSE 以及LBT 等。但是，

11、需要耗費系統(tǒng)大量資源來建立并實時維護全網(wǎng)結構，當系統(tǒng)出現(xiàn)微小變化時，需重新調(diào)整全網(wǎng)范圍的資源分配，系統(tǒng)開銷大。 (2)功率調(diào)整方式通過動態(tài)調(diào)整閱讀器的信號功率范圍，使得每個閱讀器利用不同的發(fā)送功率在同一時隙內(nèi)工作，從而減小閱讀器之間的重疊區(qū)域，獲得最大的閱讀范圍。其代表協(xié)議有LLCR 及w-LCR。該算法較復雜，會導致效率和功耗的降低，而且需要在無線射頻識別系統(tǒng)中引入新的中心控制設備，系統(tǒng)成本較高。盡管現(xiàn)有算法已在無線射頻識別系統(tǒng)中應用廣泛，但仍存在著高功耗、高成本等缺點。閱讀器分類結構圖閱讀器協(xié)議調(diào)度功率ColorwaveHiQ-learningPULSELLCRw-LCRLBTDCSDCS

12、協(xié)議協(xié)議 DCS算法的原理是：一個時隙代表一種顏色，系統(tǒng)隨機的給閱讀器分配各種顏色，閱讀器的顏色與時隙的顏色相同時則其通信信道打開，開始讀取標簽。讀取過程中發(fā)現(xiàn)與其他的閱讀器沖突，那么系統(tǒng)隨機分配給閱讀器一個新的顏色（時隙)。同時向周圍的閱讀器發(fā)送一個 Kick信息包，以便通知新的顏色(時隙)。如果相鄰的閱讀器已著此種顏色（時隙），那么系統(tǒng)再次分配某種新顏色，閱讀器再次發(fā)送 Kick 信息包。此過程不斷循環(huán)，直到結束。在DCS算法中，用來給閱讀器著色的總的顏色的數(shù)目是確定不變的，系統(tǒng)隨機的循環(huán)分配這些顏色給閱讀器。 C Colorwaveolorwave算法算法 是一種分布式的TDMA算法，是

13、DCS算法的擴展算法。通過閱讀器分配給不同的時隙來避免閱讀器之間的碰撞。該算法需要所有閱讀器之間的時間同步，同時還要求所有的閱讀器都可以檢測RFID系統(tǒng)中的碰撞。Colorwave協(xié)議具有動態(tài)的最大顏色數(shù)量值，并且具有動態(tài)的顏色分配機制來最小化閱讀器圖中顏色需要的數(shù)量。隨著使用顏色數(shù)量的減少，信息傳送的效率將會增加。 當閱讀器自己察覺到，或是被相鄰的閱讀器檢測到數(shù)據(jù)傳輸成功的概率小于最大色彩的閾值時，它就會增加本地最大色彩值，同時給相鄰的閱讀器官博這個新的最大色彩值，使相鄰閱讀器也重新選擇色彩來減少傳輸?shù)呐鲎?。相反的，但?shù)據(jù)傳輸成功的概率大于最大色彩閾值時，閱讀器會減少本地最大色彩值以減少傳輸

14、等待時間。 FDMAFDMA協(xié)議協(xié)議 基于FDMA的協(xié)議把所有的可用頻率帶劃分成多個頻率信道。閱讀器可以使用不同的信道來同時與標簽進行通信。如果一個頻率信道一次只分配一個閱讀器，多個閱讀器將會無干擾的同時收發(fā)數(shù)據(jù)。 HiQHiQ協(xié)議協(xié)議 Ho等人提出了同時基于TDMA和FDMA的HiQ協(xié)議。HiQ協(xié)議使用稱為Q-learning的分布式、分等級的，并且是在線學習的方案來解決頻率和時間的分配。通過重復的與系統(tǒng)進行交互，Q-learning試圖在時間上尋求一種優(yōu)化頻率的分配方案。 HiQ分級的控制結構由閱讀器、R-severe和Q-severe組成。閱讀器在最低一級，在R-severe級的每個服務

15、器管理著多個閱讀器。當某個閱讀器需要發(fā)送信息給他的識別區(qū)域內(nèi)的標簽時，它必須首先從它的主R-severe處請求資源，即頻率信道和時隙。閱讀器只有在主R-severe分配于同一個時隙內(nèi)的具體頻率信道之后，才能發(fā)送信息。在這樣的分布式架構中，相鄰閱讀器可以在相同的時隙或者相同的頻率信道內(nèi)發(fā)送信息，從而會造成碰撞。閱讀器需要檢測與相鄰接節(jié)點之間的碰撞。每個閱讀器需要報道碰撞的數(shù)量碰撞的類型和成功讀它的主R-severe的次數(shù)。隨后，R-severe能夠根據(jù)反饋的報告判斷哪些從閱讀器間有相互干擾，并重新動態(tài)的分配資源來避免碰撞。R-severe能夠分配資源來自于分級結構中主Q-severe（ Q-le

16、arning severe）。由于較好的靈活性和可擴展性，Q-severe在分級架構中可以較好地完成自己工作。但是，在整個系統(tǒng)中，只有一個根Q-severe控制所有的頻率信道和時隙的分配。 資源請求 資源分配 資源請求 資源分配 資源請求 資源分配 HiQ協(xié)議的分級控制結構 R-severeQ-severe根Q-severeQ-severeR-severe閱讀器閱讀器 EPCglobal Gen2EPCglobal Gen2協(xié)議協(xié)議 Class 1 Generatio 2 UHF標準是EPCglobal提出的，使用FDMA技術減少閱讀器的干擾。整個分配頻帶被分成若干信道，一個閱讀器只能使用一個

17、信道來進行通信。閱讀器和標簽分開使用載波頻率。即閱讀器將只會與閱讀器發(fā)生碰撞。閱讀器使用跳頻擴頻技術來避免干擾。在歐洲，頻率分配時規(guī)定為200khz的帶寬。建議閱讀器使用偶數(shù)的信道，而標簽使用奇數(shù)的信道。在美國，頻率分配時規(guī)定為500khz的帶寬，所有信道對閱讀器都是有用的。而標簽在這些信道的邊界處散射。 CSMACSMA協(xié)議協(xié)議 將通信網(wǎng)絡的信道分成頻率不同的控制信道和數(shù)據(jù)信道兩個部分。其中，控制信道是給閱讀器之間的通信使用的，用來控制閱讀器的開啟與關閉；數(shù)據(jù)信道則用于閱讀器和標簽之間的數(shù)據(jù)信號傳遞?？刂菩诺酪笕我鈨蓚€可能有數(shù)據(jù)信道碰撞的閱讀器之間能夠通訊，以便確保兩個閱讀器之間避開碰撞，

18、則控制信道的作用范圍要比閱讀器產(chǎn)生頻率干擾時的數(shù)據(jù)通道的范圍還要大。研究表明，為了控制信道的通信范圍大于數(shù)據(jù)信道的頻率干擾范圍，可以增加控制信道的發(fā)射功率。 載波偵聽算法，實現(xiàn)比較簡單，如今也發(fā)展了很多的不同的形式，這其中包含“非堅持”型 CSMA 算法，“1-堅持”型 CSMA 算法，“P-堅持”型 CSMA 算法等。 閱讀器協(xié)議實例1Pulse算法該算法是依據(jù)載波偵聽的模式解決 RFID 閱讀器網(wǎng)絡中閱讀器沖突問題的算法。Pulse 算法的流程圖如圖所示。 從上面的流程圖可以發(fā)現(xiàn)，在閱讀器和標簽通信前，閱讀器保持一段空閑時間。當空閑狀態(tài)時間超過設定的空閑時間Tmin同時其他閱讀器沒有發(fā)出B

19、EACON的信息即沒有相鄰其他閱讀器與標簽發(fā)生通信行為，則該閱讀器與其他閱讀器處于同一起跑線處于競爭模式，直到有 Beacon 信號發(fā)出，閱讀器重新進入空閑狀態(tài)，再次開始等待當閱讀器與標簽達成通信協(xié)議時，閱讀器每隔一段時間會發(fā)出Beacon 信號，表明閱讀器正與標簽進行通信，以使其他閱讀器處于空閑狀態(tài)，直至通信完成為止。通常，Pulse 算法適合用于動態(tài)拓撲變化比較頻繁的網(wǎng)絡。 該算法中，在閱讀器和標簽通信之前，閱讀器處于等待狀態(tài)。在等待狀態(tài)，閱讀器先等待一定的時間 T min，該時間類似于 802.11 協(xié)議中的 DIFS 時間。閱讀器等待該時間后，如果沒有收到其他閱讀器發(fā)出的 Beacon

20、 信號，該閱讀器將認為沒有近鄰的閱讀器正在和標簽進行通信。那么，它將進入競爭狀態(tài)并且隨機選擇一段時間。如果此時，閱讀器收到了別的閱讀器的 Beacon 信號，那么閱讀器將重新回到等待狀態(tài),并且等待 T min 時間。在競爭狀態(tài)中，如果閱讀器等待了它隨機選擇的一段時間后仍然沒有收到其他閱讀器發(fā)出的 Beacon 信號的話，該閱讀器將在控制信道中發(fā)Beacon 信號并且通過數(shù)據(jù)信道和其范圍內(nèi)的標簽進行通信。其原理簡化圖如下圖 在和這些標簽進行通信的過程中，過一段較短的時間，該閱讀器都發(fā)出 Beacon信號，直到和標簽的通信結束。此時，該標簽回到等待狀態(tài)。每當閱讀器發(fā)送出Beacon 信號之后，該閱

21、讀器首先檢測控制信道，如果控制信道忙，將一直檢測控制信道直到不忙為止。一旦控制信道空閑，該閱讀器等到一段隨機延遲時間，并且發(fā)送 Beacon 信號。該算法類似于傳感器網(wǎng)絡中的 BTMA 協(xié)議，實現(xiàn)起來比較簡單，比較適合用在動態(tài)拓撲變化比較頻繁的網(wǎng)絡。 閱讀器協(xié)議實例2 Colorwave算法的核心思想是自適應圖著色法。算法要是利用圖著色的方式對閱讀器網(wǎng)絡中的每一個閱讀器進行圖著色，用不同的顏色來代表時隙，保證閱讀器網(wǎng)絡中的任意兩個相鄰的閱讀器被分配的顏色相同的幾率最小，同時要求系統(tǒng)用最少的顏色種類對閱讀器網(wǎng)絡進行圖著色以及閱讀器網(wǎng)絡系統(tǒng)能用最少的時間來讀取所有的標簽。該算法實質(zhì)為一種分布式的

22、TDMA 算法。為了防止閱讀器間的沖突，使用了兩種分布式算法：DCS(Distributed Color Selection)算法和 VDCS(VariableMaximum Distributed Color Selection)算法。 DCS算法在該算法中，每種顏色代表一個時隙，被分配給某種顏色的閱讀器可以在該時隙中進行讀寫標簽的操作。如果閱讀器在讀寫標簽的過程中，發(fā)現(xiàn)和其它閱讀器發(fā)生了沖突，那么該閱讀器隨機選擇一個新的顏色，并且發(fā)送一個kick信息包給它周圍的所有的相鄰閱讀器來告訴自己選的新的時隙。如果相鄰的 閱讀器此時具有的顏色和該閱讀器新選的顏色相同，那么相鄰的這個閱讀器將選 擇一個

23、新的顏色并且它也發(fā)送一個kick信息包。此過程一直執(zhí)行到結束。在DCS算法中，最大的可以使用的顏色的數(shù)目是一個定值，在算法執(zhí)行的過程中保持不變。其主要算法程序由三個子程序組成： (1)判斷是否執(zhí)行子程序。即此程序首先判斷當前的時隙的顏色是否和分配給閱讀器的顏色一致。如果相同，閱讀器開始工作；反之，閱讀器繼續(xù)等待，至相同顏色的時隙的到來。 (2)沖突子程序。該程序用來在閱讀器信號相互干擾時，重新分配閱讀器的顏色并通知其他閱讀器。 （3）Kick 子程序。此程序的主要作用是，根據(jù)收到的 Kick 信息包，判斷是否會與自己顏色的沖突。如果相同的話，該閱讀器重新隨機的挑選一個新的顏色。 在VDCS算法

24、中，每個閱讀器監(jiān)測獲得的成功通信的百分比。五個變量用來決定一個閱讀器是否改變其最大的顏色： (1)Upsafe：增加最大顏色的門限百分比。當成功通信的百分比低于該值時，最大顏色增加。 (2)UpTrig：增加最大顏色的觸發(fā)百分比。當相鄰閱讀器增大其最大顏色的觸發(fā)百分比大于該閱讀器的最大顏色時，該閱讀器使其最大顏色增大。 (3)Dnsafe，DnTrig：分別和Upsafe、UpTrig相對應，執(zhí)行和它們相反的操作。 (4)MinTimeInColor: 在初始化或者改變顏色最大值之后時隙的最小數(shù)量，這個值是在olorwave 算法再次改變最大色彩值之前。 Colorwave算法建立在DCS算法

25、之上。除了需要DCS算法中的子程序之外，還需要下面兩個子程序： 1、顏色數(shù)目改變子程序：如果沖突發(fā)生的百分比超過了SAFE門限，并且在當前最大顏色消耗的時間超過了最小時間門限，那么將增大最大顏色或者減小最大 顏色（取決于超過的門限），并且在下一個重復階段發(fā)送那個kick信息包。 2、kick信息包子程序。如果閱讀器收到kick信息包，該信息包所包含的顏色內(nèi)容和自己的當前顏色一致，那么該閱讀器將隨機在最大顏色范圍內(nèi)除了當前顏色選擇一種新的顏色。如果閱讀器收到的kick信息包中表明最大顏色發(fā)生改變，并且沖突百分比超過了觸發(fā)門限，而且在當前最大顏色消耗的時間超過了最小時間門限，那么閱讀器將改變最大顏

26、色值為kick信息包中所包含的最大值并在下一個重復階段，發(fā)送包含該最大值的kick信息包。 時隙的要求：時隙必須與所有的閱讀器同步 ，每個閱讀器都分配一個時間間隔，在這個時間內(nèi)又分為三個時間段sttktcommt 在這兩個算法中，什么時候閱讀器選哪個時隙傳輸，這由傳輸概率決定。 傳輸概率=伯努力概率p= 在Colorwave算法中，傳輸概率并不是嚴格意義上的伯努力概率，因為他的最大顏色數(shù)改變的，但是也可以計算的。 p required to produce the first-order arrival time t% equal to the Colorwave “transmission

27、probabilitykmkkmPPC )1 (對這兩個算法進行仿真設定條件：1、5種閱讀器圖，分別為稀疏、中等、密集、網(wǎng)格和Hex其中稀疏、中等、密集隨機形成圖形，網(wǎng)格和Hex分別為正方形網(wǎng)絡和六邊形模型。2、對Colorwave算法假設了四種方案在TABLE1表中每種方案輸入迭代100000次且傳輸速率分別為5%, 25%, 50%, 75%, and 100%,Colorwave MinTimeInColor參數(shù)為 100, 500, and 1000, 進行60次的仿真。對DCS傳輸速率一樣，最大色彩參數(shù)分別為3、4、6、8、10、12，每個圖仿真30次，圖（1）Performance

28、 of DCS on sparse example graph 圖（2）Performance of Colorwave Set 4 on sparse example graph比較里DCS和Colorwave，發(fā)現(xiàn)的特性在各個方面不如Colorwave的性能，例如上圖（1）和（2）是在傳輸速率為100%，為了實現(xiàn)98%的成功傳輸，Colorwave每個閱讀器需要平均4到4.5顏色（根據(jù)the MinTimeInColor 參數(shù)）而DCS需要8到10個顏色。 Performance of Colorwave Set 4 on sparse example graph 閱讀器應用實例3 基于調(diào)

29、度方式的多閱讀器防碰撞算法本文算法基于調(diào)度方式，利用分簇的思想，引入預約、休眠機制，將RFID 系統(tǒng)的讀取過程分為競爭、預約和傳輸3 個階段，通過優(yōu)化預約階段可以實現(xiàn)傳輸階段的閱讀器無碰撞通信。算法原理及流程 在競爭階段，引入CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機制監(jiān)聽信道，競爭簇首。在預約階段，簇首送預約命令安排通信小組內(nèi)的受控閱讀器預約通信順序。在傳輸階段，簇首利用預約階段獲得的碰撞信息，控制選取正確時隙的閱讀器進行通信，完全避免了閱讀器間的信號碰撞。在一輪通信結束后，完成通信任務的閱讀器進入去活態(tài)，

30、簇首根據(jù)碰撞值來決定是否進行新一輪預約。如此重復預約階段和傳輸階段，直到完成通信小組內(nèi)所有的應答請求。 算法流程 算法設計 1、 算法約定 每個閱讀器包含一個碰撞寄存器，用于添加閱讀器間的通信結束命令、通信順序表、簇首的碰撞值和休眠計數(shù)值。1)閱讀器工作狀態(tài) 休眠態(tài)(1)：除計數(shù)器外，不響應閱讀器任何命令； 待命態(tài)(0)：處于待命狀態(tài)，隨時準備進行數(shù)據(jù)傳輸； 半休眠態(tài)(1)：只響應預約命令； 去活態(tài)(其他)：通信結束的閱讀器進入去活狀態(tài)，不再響應閱讀器的任何命令。 (2)閱讀器間的通信命令Reservation(1, Nc)： 預約命令（1、Nc）， Nc為 預約序號的最大值。簇首發(fā)送此命令，

31、只有通信小組內(nèi)的半休眠態(tài)閱讀器才響應； End：通信結束命令，發(fā)送此命令的閱讀器釋放此次通信占有權，通信狀態(tài)轉為去活態(tài)，組內(nèi)其他閱讀器休眠度減1。(3)閱讀器預約時隙狀態(tài)預約命令，通信小組內(nèi)的受控閱讀器進行通信順序號(即時隙號)的預約，將時隙分為3 類：空閑時隙沒有閱讀器選擇的時隙；正確時隙只有一個閱讀器選擇的時隙；碰撞時隙2 個及2 個以上閱讀器選擇的時隙。通信小組的定義為存在潛在相互干擾的閱讀器(包括簇首)及其閱讀范圍之內(nèi)的應答器。后續(xù)的所有通信都是基于通信小組進行的。部分閱讀器雖在簇首控制的范圍內(nèi), 但并沒有讀取應答器的需求, 我們也不認為它屬于通信小組。臨時簇首的產(chǎn)生過程由如下幾步完成

32、: 多個閱讀器可通過自由競爭的方式競爭臨時簇首, 如載波偵聽多路訪問(CSMA)等。其方法可以是閱讀器先進行信道監(jiān)聽, 一旦確認周圍沒有閱讀器工作, 則發(fā)送簇首競爭命令競爭臨時簇首; 競爭成功的閱讀器發(fā)送消息通知相鄰的閱讀器, 確立其簇首地位; 競爭失敗的閱讀器接收到臨時簇首的通知消息后, 成為通信小組的受控閱讀器, 受控于臨時簇首。從閱讀器到臨時簇首的角色變化是在基于閱讀器通信需求的公平競爭原則下進行的, 只有存在通信需求的閱讀器才會參與競爭。當通信小組內(nèi)的所有閱讀器(包括簇首)通信結束后, 臨時簇首的地位將自動喪失。待下一輪通信開始時, 所有閱讀器根據(jù)通信需求, 重新競爭簇首。算法的階段設

33、計算法的階段設計算法階段設計具體如下：(1)競爭階段該階段的目標是閱讀器通過競爭產(chǎn)生簇首。競爭階段的具體步驟如下：1)在標簽進入電磁場區(qū)域后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，并被激活。2)有通信請求的閱讀器采用CSMA/CA 機制監(jiān)聽信道。若信道空閑，則自由競爭產(chǎn)生簇首；若信道繁忙則等待到空閑時再競爭。3)競爭成功的閱讀器成為簇首，發(fā)送信息通知周圍的閱讀器，確定其簇首地位；競爭失敗的閱讀器接收到來自簇首的消息后，成為受控閱讀器，與簇首一起構成一個通信小組。(2)預約階段該階段的目標是在盡量短的時間內(nèi)獲取當前閱讀器時隙分配的碰撞信息，以此控制下階段的無碰撞通信。預約階段的步驟如下：1)簇首的碰撞值初始

34、化為0，休眠度初始化為0(待命態(tài))，各受控閱讀器休眠度初始化為1(半休眠態(tài))。2)簇首發(fā)送預約命令Reservation(1, Nc)。3)受控閱讀器從預約范圍內(nèi)隨機選擇一個時隙Ni 作為自己的時隙號并返回給簇首。4)簇首檢測回復的時隙預約情況。若碰撞時隙個數(shù)0，則簇首的碰撞值置1，并根據(jù)碰撞時隙預估計出下次預約的順序號范圍(如1, Nc)；否則，置0。5)根據(jù)回復情況，簇首選出正確時隙，依次排成一個通信順序表(如1, 3, 6, 9)。簇首判斷此時的碰撞值，若為0，則將自己的通信順序定義為0，加到順序表中，形成新的通信順序表(如0, 1, 3, 6, 9)。6)預約成功的閱讀器休眠度加1，轉

35、為待命態(tài)，進入階(3)；否則，仍為半休眠態(tài)，等待下次預約命令的到來。(3)傳輸階段該階段的目標是利用預約階段獲得的碰撞信息，控制選取正確時隙的閱讀器進行通信，以完全避免信號碰撞。傳輸階段的工作過程如下：1)簇首將階段(2)的通信順序表發(fā)送給各受控閱讀器(如0, 1, 3, 6, 9)，只有預約成功的閱讀器接收(其他閱讀器已進入半休眠態(tài)，故不響應)。2)各受控閱讀器判斷自己的預約順序號Ni 在通信順序表中的位置，并按表中的順序，各閱讀器的休眠計數(shù)器從0 開始依次加1。3)休眠計數(shù)器為0 的閱讀器開始通信，通信順序表中的其他閱讀器(休眠計數(shù)1)處于休眠態(tài)。4)獲得此次通信占有權的閱讀器開始與讀取范

36、圍內(nèi)的標簽通信。5)當前通信結束后，發(fā)送通信結束命令，進入去活態(tài)，不再響應閱讀器任何命令；收到此命令的其他閱讀器休眠度均減1。返回到過程(3)。6)一輪通信結束后，簇首判斷碰撞值。若為1，則返回階段(2)，繼續(xù)新一輪預約；若為0，則通信結束。根據(jù)上述設計描述，可知該算法中閱讀器碰撞只發(fā)生在預約階段，因此，選取恰當?shù)念A約階段長度，在理想信道情況下將會完全消除碰撞，從而極大地提高系統(tǒng)效率。在傳輸階段的每個時隙內(nèi)，只有收發(fā)閱讀器活躍，其他受控閱讀器進入休眠狀態(tài)，從而降低了能量消耗。假設當前通信小組內(nèi)有 Nr 個閱讀器，預約序號的選擇范圍為1, Nc(不包括簇首的順序號)。有M 個受控閱讀器預約同一順

37、序號的概率服從二項分布： （1）其中，當 M =1時，P1 表示閱讀器選擇正確時隙的概率，則預約成功的閱讀器數(shù)目E 為： （2）系統(tǒng)的通信效率 e 定義如下 （3） 其中，L1 表示競爭階段時隙的長度；L2 表示閱讀器預約時隙的長度；L3 表示閱讀器與標簽通信時隙的長度。由式(2)和式(3)可得： （4）其中，令： 由式(4)可以看出，要使系統(tǒng)效率最大化，需要最小化的值。因此，在閱讀器的競爭時隙L1 和通信讀取時隙L3 一定的情況下，應盡量減小L2 的值從而提高系統(tǒng)效率。由文獻6可知，若RFID 系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼來判別碰撞位，可在若干比特內(nèi)完成預約過程的碰撞檢測，從而縮短L2。同時，根據(jù)當

38、前的Nr 選擇合適的Nc，可對系統(tǒng)效率進一步優(yōu)化。于是有 對Nr 求導： 由式(5)可得，系統(tǒng)效率最優(yōu)時，Nc 與Nr 滿足以下關系： （6） 泰勒級數(shù)展開，有： Nc Nr+1 Nr (7) 算法的系統(tǒng)效率與預約時隙數(shù) Nc 的選擇有關。若Nc 遠小于Nr 時，會增加碰撞的概率；而Nc 遠大于Nr 時，又會造成時隙浪費。由上述理論可知，當Nc 與Nr 接近相同時，可優(yōu)化系統(tǒng)效率。圖 2 給出在不同k 和Nc 下，系統(tǒng)效率隨Nr 變化的曲線。由圖2 可知，當Nc 與Nr 滿足式(7)關系時，系統(tǒng)效率達到峰值；隨著k 的增大，系統(tǒng)可以達的最大效率逐漸升高。由上述分析可知，通過縮短預約過程的長度L

39、2以及選擇最佳的Nc 可使系統(tǒng)效率最優(yōu)化。但是，在實際系統(tǒng)中，組內(nèi)受控閱讀器數(shù)目Nr 通常是未知的，而Nc 的確定依賴于Nr的估計值，因此，快速準確地估計出Nr，可以進一步提高系統(tǒng)效率。 圖圖2 2 參數(shù)參數(shù)k k 和和Nc Nc 對系統(tǒng)效率的影響對系統(tǒng)效率的影響 本文采用 Lowbound 算法，當簇首發(fā)送預約命令后，根據(jù)組內(nèi)各受控閱讀器回復的時隙情況進行閱讀器數(shù)目的估計。假設時隙數(shù)目分別為空閑時隙 、正確時隙 和碰撞時隙 。由于碰撞時隙中至少有2 個閱讀器，因此發(fā)生碰撞的閱讀器最少為2 個，那么可以得到通信小組中的受控閱讀器數(shù)目C 為：C= +2 (8)式(8)結果為受控閱讀器數(shù)目的下界。為了進一步精確估計值，對其進行修正，得到新的估計值： (9)其中， 為經(jīng)驗修正參數(shù)，通常取值為58。由式(9)估計出內(nèi)受控閱讀器的數(shù)目Nr，再由式(7)獲得下次預約順序號的范圍為1,Nc，從而進一步提高系統(tǒng)的工作效率。0C1CNCNC0CNC CNr算法仿真PULSE 算法是調(diào)度方式中總體性能評價較好的算法，接下來在Matlab 平臺上對本文算法與PULSE 算法的系統(tǒng)效率進行仿真。系統(tǒng)仿真的場景設置為200 m200 m 的區(qū)域，閱讀器的讀取半徑為4 m，在區(qū)域