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嘉康利最新资讯：0096)摘 要: 无线射频识别( RF ID) 系统经过多年的发展已经成为人们日常生产、 生活中重要的一部分了。在 RFID 系统的研 究中, 防碰撞( Anti- collision) 是一个重要的问题, 并且会在很大程度上影响 RFID 系统的性能。针对三种不同的碰撞类型 对防碰撞算法进行了分类, 其中有些算法已经成为了工业界的标准。另外, 对 RFID 系统中一些特殊应用中的防碰撞算法 进行了介绍。通过完整的综述, 希望读者能够了解防碰撞算法进展, 掌握防碰撞算法未来的研究方向。 关键词: 无线射频识别; 防碰撞; 时间片; 多读写器 中图分类: T P391. 44 文献标识码: A 文章编号: X( 29- 04RFID Anti- collision: Standards, Algorithms and ProtocolsWANG Cheng cen( College of Softw are Engineering, Southeast U niversity , N anjing 210096, China)Abstract: Wit h years of rapid development , radio frequency ident if icat ion ( R FID ) syst ems have been playing an important role both in our daily life an d w ork. In t he research area of RFID syst ems, ant i- collision is one of t he major problems, and has a great influence on t he performance of RFID syst ems. According t o diff erent types of collisions, cat egorizes various proposed ant i- collision algorithms, some of w hich have been adopt ed as indust ry standards. In addit ion, present s some anti - collision algorithms tailored for special applicat ions. T hrough t he survey, hope t hat audiences can get an ex plicit view of t he st at e- of - art of anti - collision algorit hms, and know how t o pursue th e f uture research. Key words:radio freque ant i- mult i- reader0引言的性能。RFID 系统中读写器在读取标签信息的时候, 如果多个标签同时与读写 器通信, 就 会产生 碰撞( Col lision) ( Collision 有时 也被 称 为 冲突 , 文 中并 不 区分 碰撞 和 冲突 ) 。 碰撞使 得标签 的信息 不能 正确地 被读取器接收, 消耗了系统的时间和能量。由于 RFID 系统中标签 的处理 能力 有限或 者是 被动 的( Passive) , 许多 传 统 无 线 网 络 中 处 理 碰 撞 的 方 法 并 不 适 用 于 RFID 系统[ 3] , 如载波侦 听的方 式。所以, 许多 新的算 法被提出来了, 其中 的一部 分已经 成为了 工业 界的标 准而被广泛使用。 RFID 系统中防碰撞问 题一直 是国内 外研 究的一 个热点, 研究成果 出现在 各大顶 级会 议和杂 志上。然 而, 国内很少 有文 章系 统地 介绍 RFID 系统 的防 碰撞 算法。 文中试图综述国 内外防 碰撞 问题的 研究 成果, 包 括工业界的标准、 术界中 具有代 表性的 成果 以及该 学 领域的一些最新 研究成 果。一方 面, 将这 些算 法按照 碰撞的类型进行分 类总结, 方便 读者理 解; 另 一方面, 希望读者通过阅读 能够开 阔思路, 掌握防 碰撞 算法未 来的研究方向, 并设计出更加有效的防碰撞算法。无线 射 频 识 别 ( Radio Frequency Identificat ion, RFID) 技术是一 种非 接触 式的 自动 识别 技术, 它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据的信息。 RFID 系统 一 般由 读 写器、 签和 中 间件 软 件构 标 成[ 1]。RFID 技术经过多年的发展, 现已成为人们日常生产、 生活当中重要的一部分。尤其是近几年, 随着零 售业和物流业信息化的不断深入, RFID 技术已广泛地 应用于这些行业, 用 于控 制库存、 改善 供应链 管理、 降 低成本、 提高工作 效率。零 售业巨 头沃 尔玛就 是这项 技术的有力推动者, 提倡自 己的供 应商 都采用 这项技 术[ 2] 。 在 RFID 系统中存在许多问题, 如: 防碰撞( Anticollision) 、 数据处理、 安全和 隐私等等。 其中防 碰撞问 题是一个重 要的 问题, 很大 程度 地影 响着 RFID 系统收稿日期: ; 修回日期:
作者简介: 王铖岑( 1986- ) , 女, 江苏如皋人, 硕士研究生, 研究方向 为企业信息化; 导师: 邓建明, 博士, 硕士生导 师, 研究方向 为软件理 论及软件工程。! 30 !计算机技术与发展第 20 卷11. 1RFID 系统碰撞问题三种碰撞类型 单个读写器的覆 盖范 围是有 限的, 并且会 受环境碰撞形式表1防碰撞算法分类防碰撞算法 Framed A LOHA Bt ree Random S lot ted ( Q 算法) Splitt ing A lgorithms Lot t ery Frame prot ocol[ 5] Algorit hm based on group t est ing [ 6]中各种因素的影响, 如: 读写器的天线、 障碍物、 标签的 属性等等。在指定区域里 布置多个 RF ID 读 写器可以 增加 RF ID 系统的 覆盖范 围。这些 RFID 读写 器处在 不同的位置, 并且通过某种 方式 相互连 接成网 络( 如: ad- hoc 网 络) 。此 外, 多 个 RFID 读写 器通 过协 同操 作还能够增加系统的读取 吞吐率 ( 单位 时间片 内读取 的标签数量) 。 然而, 多个 读取 器和 标签的 存 在使 得 RF ID 系统 中的碰撞 变得 更加 复杂。在 RFID 系 统中, 由于 读取 器和标签之间的数据传输 导致的 碰撞 问题可 以分 为: 标签- 标签碰撞, 读取器- 标签碰 撞和 读取器 - 读取 器碰撞三种, 如图 1 所示。图 1( a) 是 标签- 标签碰撞 的示例, 在一个 RF 域中, 很多标签同 时向同 一个读取 器 R1 发送其唯一的标识 符信息, 此 时冲突 发生, 读取 器无法成功读 取到 任何 一个 标签 的信 息。图 1( b) 则 是一个读取器- 读取器碰 撞的例 子: 由 于三个 读取器 的通信范围有交叠, 当三个 读取器 同时 使用相 同的频 率与通信区域中的标签通信时, 冲 突发生。图 1 ( c) 的 情况被称为标签- 读取器 碰撞, 即 同一 个标签 位于多 个读取器的通信范围内。当多个读取器都试图与该标 签通信时, 冲突发生。 2. 1 2. 1. 1读写器- 标签 碰撞 读写器- 读写 器碰撞 标签- 标签碰 撞Slot t ed S cheduled Tag Access Color- wave A lgorit hms Algorit hms using AI met hods Slot t ed S cheduled Tag Access[ 7]下面将把算法分为这两类进行介绍。 工业界标准 ISO 18000- 6A 标准: ALOHA LST / FS T 防碰 撞协议 ( 1) ALOHA 协议。 第 一个版本的 ISO 18000- 6A 防碰撞协议是基于 ALOHA 协 议 的[ 8] , 后 来 加 入 了 快 速 时 隙 运 转 模 式 ( FST ) 。这种基本运转模式把标签传输分为轮( round) 和时隙( slot) 。一轮又一组时隙组成, 每个 时隙有足够 长度让询问器接收到一个标签的回答。在文献[ 9] 中, 总结了该 算 法 的性 能 能 达到 36. 8% 的最 大 吞 吐量。 可以认 为, 在最 好 的情 况 下, 读 头 生成 的时隙中, 略高 于三分 之一的时 隙能在 没有冲突的情况下完成 一个标 签 ID 的 传输。 ( 2) FST - ALOHA 改进。 第二 版 本 的 ISO 18000 - 6 标 准 中[ 10], 补充了只用于 A 类 RF ID 设备防碰撞 协 议。这 里的 补 充指 的 就是 FS T 图1 1. 2 碰撞算法 为了解决上述 的碰撞 问题, 各 种 RF ID 防碰 撞算 法被研究者 不断 地提 出。由 于碰 撞 主要 有三 种 类型 ( 见 1. 1 节) , 故对应这三种类型, 防碰撞算法也可以被 分三类, 见表 1。 三种碰撞类型[ 4] 模式。加入该模式的 ALOHA - FST 协 议可以使吞吐量提高到 42. 6% [ 11] 。 2. 1. 2 ISO 18000- 6B 标准: Btree 防碰撞协议 在 所有 标 准的 防 碰撞 协 议中, Btree 是 唯 一 不以 ALOHA 算法为基础的。 对于 所有 签证, Bt ree 只 有一 个可用传 输时 隙, 即零 时 隙。标 签随 机 选值, 达 到零 时, 则可被传输。冲突 发生 在多个 标签同 时选 到零的 时候。空时隙发生在没有标签选择到零值时。 根据文献[ 12] , 探测一个标签所 必需的迭 代平均 值 L 依赖于询问环境下标签的总数N , 它们的关系为: log( N ) )+ 1 log( 2) 例如, 在 32 个标签中识别到一个特定标签的必需 L ( N ) = ld( N ) + 1 = (2防止标签- 标签碰撞不管在单个 RF ID 读写器 还是 多个 RF ID 读写器的系统中都存在标签- 标签碰撞。在解决这种类型碰 撞的算法中, 有一些已经成为了业界的标准, 还有一些 是非业界的标准。第1期王铖岑: RFI D 系统防碰撞算法! 31 !迭代数是6 。 2. 1. 3 ISO 18000 - 6C 标 准: Random Slotted ( Q 算 法) 防碰撞协议 Random S lot ted 算法( 也叫做 Q 算法) 是 通过生成 存储在标 签上 的时 隙 值的 随机 数来 达 到防 碰撞 的目 的。标签上的时隙值 不断 降低, 当 到达 零的时 候进行 通信的 初 始化。 基于 Slotted 的 ALOHA 算 法 能 达到 36. 8% 的最大吞吐量。 2. 2 学术界算法 在很多应用场景 中, 都 需要同 时读 取多个 位于同 一个 RF 区域 中的 标签。如 图书 馆书 籍借 阅、 场行 机 李检测等等。为了读 取多 个同时 发送 的射频 设备, 实 现没有通信契约的读取器需要能够检测到多个活跃的 发送设备。并且, RFID 接口需要提供冲裁功能以使每 个时间戳只有一个设备能够发送数据, 以此避免冲突。 由于标签驱动的方法 如 SDM A、 FDM A、 DM A 和 T CDM A 的低效 率, 大 多 应用 采用 读取 器 驱 动的 方 法, 即冲突避免主要通过读取器来控制。一种直观的方法 称为轮询 ( polling) , 即 读取 器按 照顺 序 邀请 标签 发送 数据。显见, 这种方法是低效的。所以, 各种算法和协 议应用而 生, 如 分 割算 法, ALOHA 算 法, 彩票 算 法等 等。 这里只介绍分割算法( S plit ting methods) 。 传统的多接入( mult i- access) 系 统中 的分 割算法 已被证明可以有效地使用在 RFID 系统 中。这类分割 方法往往 基 于 树 的 搜索, 因 此 也 称 为 树 - 搜 索 算法 ( T ree- Search algorithm) 。在此类算法中, 冲突节点的 集合被拆分为 2 个子集。第一个子集中的节点在第一 个时间戳发送数据, 而另一 个子集 中的 节点则 等待知 道第一个子集中的节点间的冲突被完全解决。如果第 一个子集中的节 点遇到 冲突, 则继续 拆分。这 个过程 被递归调用, 直到 所有的 冲突 被解决。 当第一 个子集 中的冲突解决以后, 第二个 子集采 用相 同的方 法来解 决冲突问题。 在 RF ID 系统中, 节点对应 RFID 标签而接收器对 应读取器。文献[ 13] 是一 个将分 割算 法运用 到 RFID 系统中的工作, 试图唯一地 识别在 阅读 器范围 内的每 个标签。该算法 将所 有的 冲突 标签 拆分 为 B 个不相 交的子集。这些子集 进一 步越分 越小, 直到每 个子集 中的标 签个数 减少 到 1。 此时, 每 个标 签可以 被唯一 地识别出来。当某一 个子 集被完 全分 解, 等待 的子集 按照先进后出的顺序被执行。很多基于分割的算法被 研究者提出和 改进, 如查 询树算 法( Q uery- T ree algo rit hm)[ 14]crement al- match ing) 等等。33. 1防止其他类型的碰撞基于着色的算法 为了解 决最 优 的信 道 频率 分 配, W aldrop 等 人在2003 年提出了一对基于着色的 分布式 算法: DCS ( Dis tributed Color S elect ion )[ 15]和 Color - wave( V ariable-M ax imum Distribut ion Color Select ion, 也称 VDCS[ 16 ] ) 。 这两个算法的目的 都是通 过对读 取器网 络进 行着色, 以使每一个读取器节点具有最小可能的同一种颜色的 邻居节点。 基于 着色 的 算法 实现 了简 单 的时 间 戳预 留: 每种颜色代表一个无冲突数据传输, 可以为其进行 周期性的时间戳 预留。此外, 算法 试图得 到最 少的颜 色总数来优化传输。 3. 2 基于调度的算法 Zongheng Zhou 等人[ 7 ] 使用了时间片 的概念, 对读 取操作的调度机制进行了研究。相互碰撞的读写器在 不同的时间片下读取标签的 ID, 这样就避免 了碰撞的 发生。文章假设 RFID 系统中多个 读写器的位 置是预 先布置好的, 这样读 取的器 覆盖的 区域和 读取 器之间 干扰的区域就能够被检测出来。这些信息作为算法的 输入, 用来计算调 度策略。 文中考 虑了单 个信 道和多 个正交信道的情况, 证明了求解最优的调度机制是 N P - 难的。所以, 作者针 对单 信道的 情况提 出了 次优的 方法, 并且针对多信道情况提出了启发式的方法。 3. 3 使用人工智能的信道频率分配算法 近年来, 研究者提 出很 多基于 人工智 能方 法的算 法来解决信道频率 分配问 题, 这些 人工智 能方 法包括 强 化 学 习[ 17] 、 经 网 络[ 18] , 退 火 算 法[ 19] 和 遗 传 算 神 法[ 20] 。4特殊应用中的防碰撞算法RFID 系统中有两个重要的应用: 标签的计数和查找流行的标签种类。这些特定的应用对防碰撞算法有 一些特殊的要求。 4. 1 标签计数 RFID 系统的一个重要 的应用 是对区 域内 的标签 进行计数。直观地, 可 以对 区域内 的每个 标签 进行识 别, 然后计算标签 的总 数。然而, 对于大 规模 的 RFID 系统来说, 这种方 法会导 致非常 大的 延迟。因 为读取 器发送的 Frame 中时间片的个数与标签的数量是成正 比的, 系统需要很长 的时间 才能完 成区域 中标 签的识 别工作。 为了提高速度, 文献[ 21] 、22] 提出了不基于标签 [ 识别的快速估计 方法。然而 文献 [ 21] 、 22] 中 提出的 [, 以 及 查 询 树 算 法 的 一 些 改 进, 如 QT - sl( Q uery- T ree short - long) 、 - im( Q uery- T ree in QT! 32 !计算机技术与发展[ 4]第 20 卷算法对标签数量的估计都不够精确, Ch en Qian 等人[ 5] 提出的更有效的 Lottery Frame( LoF) 算法。 对于多个 读写器并存的情况, 多个读 写器将 收到 的位图 发送给 中央服务器。在收到 这些 位图信 息之 后, 中央 服务器 对这些位图执行逻辑或操作, 生成合并的位图( M erged b itmap) 。通过合并后的位 图, 就能得 到整个 系统的标 签个数估计值。 哈希操作能够有 效地 消除标 签的 重复计 数, 因为 同一个数的哈 希值是 相同 的。消除 了重复 计数 出的估计算法更加精确。 4. 2 查找流行的标签种类 在许多标签中快速地查找流行的标签种类 ( Popu lar category) 是另一个有意 义的应用, 实际上 这是一个 从大量标签中抽 取感兴 趣的 信息 的过 程。标 签的 ID 中有一些字 段指示 了标 签所属 的种 类( Category ID ) 。 假设 n 为系统中标签的总 数, ? ( 0, 1) 。 果某个种 如 类 Ci 的标签数量 F i 超过一定的阈值 # n , 即 Fi & # n, 那么该种类 Ci 就称为流行的标签种类。 文献[ 21] 基于组测试( Group testing) 的方法, 提出 了两种概率方法来查找流行的标签种类。 第一种方法采用通用的组测试方法随机地将标签 种类加入组; 第二种方法将 组测 试和 分而 治之 ( divide- andconquer) 进行了组合。 虽然这些方法存 在一 定的误 差, 但 是快速 地进行 查找在应用中显得更加实际。[ 5]Shih Dong- Her , Sun Po- Ling, Yen David C, et al. T axono m y and survey of RFID anti- collision protocols[ J] . Computer Com munications, ) : .[ 5]Qian C, Ngan H, L iu Y. Cardinality Estimation for Largescale RFID Systems[ C] / / in Preceedings of IEEE Int? l Conf. on Per v. Comp. and Comm( PerCom) . [ s. l. ] : [ s. n. ] , .[ 6]Sheng B, Tan C C, Li Q, et al. Finding Popular Categories for RFID Tags[ C] / / in Proceedings of the 9th ACM international sym posium M obile ad hoc networ king and computing ( Mobi Hoc) . [ s. l. ] : [ s. n. ] , 2008.,提[ 7]Zhou Z, Gupta H, Das S R, et al. Slotted Scheduled T ag Access in M ulti- Reader RF ID System s[ C] / / in Proceeding of the fifteenth IEEE International Conference on Network Protocols ( ICNP) . [ s. l. ] : [ s. n. ] , 2007.[ 8]ISO/ IEC 18000- 6. Information technology automatic identi fication and datacapture techniques - Radio frequency identi fication for item management air inter face - Part 6: Param e ters for air interface comm unications at 860- 960 MH z[ S] . 2007.[ 9]Biao L , A i- qun H , Zhong - yuan Q, Trends and Brief Com m ents on Anti- collision Techniques in Radio Frequency Iden tification System[ C] / / In: IEEE 6th International Conference on ITS T elecomm unications Proceedings. [ s. l. ] : [ s. n. ] , - 245.[ 10] ISO/ IEC 104. Inform ation technology - Radio frequency identification for item managem ent - Part 6: Pa rameters for air interface comm unications at 860 MH z to 960 MH z. Amendment 1 ( ) : Extension with T ype C and update of T ypes A and B[ S] . 2006. [ 11] Schoute F. 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[ s. l. ] : [ s. n. ] , 5结束语一个 RFID 系统的性能很大程 度上受制 于防碰撞协议的质量。文中对工业界和学术界的相关算法进行 了综述, 并对学术 界提出 的主 要算法 进行 了分类。最 后, 还分析了特殊 应用中 的防 碰撞算 法。未来 的新的 防碰撞算法需 要更 深入 地理 解 RF ID 网络 物理 层( 频 率、 信号调制类型 和数据加 密方法 ) 和数 据链路 层( 当 前的防碰撞协议) 的特性, 从而通过这些基本技术开发 新的应用。参考文献:[ 1] Want R. An Introduction to RFID T echnology[ J] . IEEE Per vasive Computing, - 33. [2] Anderson R, Kuhn M . Low cost attacks on tam per resistant devices[ J] . in: Lecture N otes in Computer Science, : 125- 136. [3] Jain S, Das S R. Collision avoidance in multi- reader RFID networks[ C] / / In WiNT ECH , 2006. [ s. l. ] : [ s. n. ] , 2006.( 下转第 35 页)第1期高建等: 一种基于广义 Radon 变换的目标识别方法 参考 文献:[ 1]! 35 !Daras P, Zarpalas D, Tzovaras D, et al. 3D Model Watermark ing for Index ing Using the Generalized Radon T ransform [ C] / / Proceedings of the 2nd International Symposium on 3D Data Processing, V isualization and T ransm ission. [ s. l. ] : [ s. n. ] , 2004.[ 2]Daras P, Zarpalas D, T zovaras D, et al. 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