RFID讀寫器抗沖突問題研究

　　讀寫器的沖突是指由一個讀寫器檢測到，并且由另一個讀寫器所引起的干擾。它主要有三種表現(xiàn)形式。

　　(1)讀寫器與讀寫器之問的干擾

　　當(dāng)一個讀寫器發(fā)射較強的信號與一射頻標(biāo)簽反射回的微弱信號相干擾時，就引起了讀寫器與讀寫器之間的干擾，其示意圖如圖1所示。讀寫器R1位于讀寫器R2干擾區(qū)。從射頻標(biāo)簽Tl反射回的信號到達讀寫器R1，很容易被讀寫器R2發(fā)射的信號干擾。這種干擾即使兩個讀寫器閱讀范圍沒有重疊也有可能產(chǎn)生。

　　(2)多讀寫器到標(biāo)簽問的干擾

　　當(dāng)多個讀寫器同時閱讀同一個標(biāo)簽時引起了多讀寫器到標(biāo)簽間的干擾，如圖2所示，兩個讀寫器閱讀范圍重疊。從讀寫器Rl和R2發(fā)射的信號可能在射頻標(biāo)簽Tl處產(chǎn)生干擾。在這種情況下，標(biāo)簽T1不能解密任何查詢信號并且讀寫器R1和R2都不能閱讀T1。因為讀寫器沖突，讀寫器Rl能閱讀標(biāo)簽T2和T3，但是不能閱讀標(biāo)簽Tl，因此，讀寫器R1指示兩個射頻標(biāo)簽存在而不是3個。

　　(3)讀寫器沖突使載波偵聽無效

　　另外一種讀寫器沖突的情況如圖3所示。兩個讀寫器閱讀范圍沒有重疊，但讀寫器R2發(fā)射的信號與讀寫器R1發(fā)射的信號在標(biāo)簽T處干擾。這種情況同時發(fā)生在兩個讀寫器不在相互偵聽范圍內(nèi)時，使射頻識別網(wǎng)絡(luò)中載波偵聽無效。

　　除了誤操作，讀寫器沖突同時使射頻識別系統(tǒng)總的閱讀速率減慢，而且這些問題在移動或手持式讀寫器中更加嚴(yán)重。因此，減少讀寫器沖突是必須的。

2 相關(guān)工作和研究

　　2．1 讀寫器沖突的主要特點

　　讀寫器沖突主要有下列特點：

　?、匐[藏節(jié)點問題是讀寫器沖突問題的一個方面。兩個讀寫器不在相互偵聽范圍內(nèi)而在標(biāo)簽處干擾時，使射頻識別網(wǎng)絡(luò)中正常的載波偵聽無法工作。

　　②當(dāng)多個讀寫器詢問／發(fā)射的信號在某射頻標(biāo)簽處沖突時，該點的信號會變得非常雜亂并且射頻標(biāo)簽不能再接收任何讀寫器詢問／發(fā)射的信號。

　?、鬯芯康纳漕l標(biāo)簽是被動式標(biāo)簽，因此標(biāo)簽本身既不能調(diào)整也不能主動與讀寫器通信以避免沖突。射頻標(biāo)簽是在被讀寫器詢問信號激活后才能通信。

　　2．2 相關(guān)的多址機制

　　常用的多址機制不能直接應(yīng)用在射頻識別系統(tǒng)中，因為：

　　①FDMA。FDMA方式中，讀寫器使用不同的頻率和射頻標(biāo)簽通信。由于射頻標(biāo)簽沒有頻率調(diào)諧電路，因此射頻標(biāo)簽不能選擇一個特定的讀寫器與其通信。如果射頻標(biāo)簽增設(shè)頻率調(diào)諧電路功能，將大大增加射頻標(biāo)簽的成本，因此FDMA不適合應(yīng)用在射頻識別系統(tǒng)中。

　?、赥DMA。TDMA方式中，讀寫器被分配不同的時隙，以避免讀寫器同時詢問／發(fā)送射頻信號。這類似于圖論中的圖形著色問題，是一個NP-hard問題。在移動式網(wǎng)絡(luò)中，沒有干擾的讀寫器因為移動靠近而出現(xiàn)干擾，需要重新分配時隙。動態(tài)的分配時隙減小了RFID系統(tǒng)閱讀速率。

　?、跜SMA。RFID網(wǎng)絡(luò)，像其他的無線網(wǎng)絡(luò)一樣，存在隱藏節(jié)點問題。讀寫器不在互相偵聽范圍內(nèi)在標(biāo)簽處發(fā)生干擾，因此僅僅依靠載波偵聽無法避免RFID網(wǎng)絡(luò)中的沖突問題。

　?、蹸DMA。CDMA需要在射頻標(biāo)簽上增設(shè)額外的電路，大大增加了標(biāo)簽的成本，并且分配碼給所有網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽是一件非常復(fù)雜的工作。因此CDMA不是一種成本低且有效的方案。

　　2．3 相關(guān)的抗沖突機制

　　常見的抗沖突協(xié)議，如RTS-CTS，不能直接應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中，因為：

　　①傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，只有一個節(jié)點回發(fā)CTS信號給發(fā)送者。然而在RFID系統(tǒng)中，如果讀寫器廣播發(fā)送一RTS信號，所有在讀寫器閱讀范圍內(nèi)的標(biāo)簽都得回發(fā)CTS信號給發(fā)送者讀寫器。這需要給這些CTS信號設(shè)計另外的抗沖突機制，將使這種協(xié)議更加復(fù)雜。

　?、谟锌赡芤驗闆_突，一些標(biāo)簽(如T1)沒有接收到RTS信號而另外一些標(biāo)簽(如T2)接收到了RTS信號。在這種情況下，從T2回發(fā)的CTS信號不能確定在讀寫器的閱讀范圍內(nèi)沒有沖突。如何確定讀寫器接收了在其閱讀范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽的CTS信號，對于讀寫器是否存在沖突是非常重要的。

　　2．4 相關(guān)的讀寫器抗沖突方法

　　2.4.1 UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)

　　UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是由EPCglobal制定的。該標(biāo)準(zhǔn)把讀寫器和射頻標(biāo)簽的信號傳輸分割開，這樣沖突只能在標(biāo)簽與標(biāo)簽間或者讀寫器與讀寫器問發(fā)生。這種分割使讀寫器和射頻標(biāo)簽信號在不同的頻道上傳輸，解決了讀寫器問的干擾。然而，標(biāo)簽沒有頻率選擇性。因為當(dāng)兩個讀寫器用不同的頻率同時與標(biāo)簽通信時，標(biāo)簽不能調(diào)諧到特定的頻率．所以會在標(biāo)簽處發(fā)生沖突。因此該標(biāo)準(zhǔn)仍存在多讀寫器到標(biāo)簽間的干擾。

　　2.4.2 Colorwave算法

　　Colorwave算法是一種基于TDMA分布式算法。該算法規(guī)定每一個讀寫器從0到maxColors中隨機選擇一個時隙(顏色)傳輸數(shù)據(jù)。如果發(fā)生了沖突，讀寫器選擇一個新的時隙(顏色)，并且發(fā)送一個kick(較小的控制包)給它所有鄰近的讀寫器，告訴它們它選擇了一個新的時隙(顏色)。如果鄰近的讀寫器有同樣的時隙(顏色)，它重新選擇一個新的時隙(顏色)并發(fā)送一個kick。這樣一直繼續(xù)下去。這種轉(zhuǎn)換和駐留的動作就被稱為kick。每一個讀寫器跟蹤當(dāng)前的時隙是什么顏色。

　　Colorwave算法要求在讀寫器之間時間同步，同時假定讀寫器能夠檢測到RFID系統(tǒng)中的沖突。然而，僅僅用一個讀寫器檢測在標(biāo)簽處發(fā)生的沖突是不可行的，除非標(biāo)簽也參加沖突檢測，并且讀寫器移動將會重新分配時隙，重新分配的時隙傳播整個網(wǎng)絡(luò)，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的無效。

　　2.4.3 ETSl EN 208標(biāo)準(zhǔn)

　　ETSI EN 208是一個為RFID讀寫器開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它基于CSMA協(xié)議的“先聽再說”。讀寫器首先在一特定的小時間段里偵聽數(shù)據(jù)通道里任何正在進行的通信。如果在那段時間里，數(shù)據(jù)通道空閑，它將閱讀標(biāo)簽；如果通道忙，它隨機選擇一段退避時間。然而，正如前面所講，讀寫器僅僅依靠載波偵聽不能檢測到?jīng)_突。

　　2.4.4 Q學(xué)習(xí)算法

　　Q學(xué)習(xí)算法提出了一種HiQ、多層、在線的學(xué)習(xí)算法。該算法通過學(xué)習(xí)讀寫器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫器，動態(tài)地解決RFID系統(tǒng)中讀寫器的沖突問題。Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)如圖4所示。讀寫器發(fā)送沖突消息給讀寫器級服務(wù)器層(R-Server)。然后單個的R-server然后分配資源給它的讀寫器，這樣的方式可使它們之間的相互通信不出現(xiàn)干擾。R-Server通過Q學(xué)習(xí)服務(wù)器(Q-server)被分配到頻率和時隙。根Q-server具有所有頻率和時隙資源的全部知識，并且能分配它們。Qserver不像R-Server一樣，沒有單個讀寫器問約束關(guān)系，這種關(guān)系通過該層下面的服務(wù)器之問的相互作用來推斷。