一種動(dòng)態(tài)Q值多標(biāo)簽識(shí)別算法的性能分析

引言

近年來(lái)，射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)作為自動(dòng)識(shí)別的新技術(shù)，憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)在國(guó)際上得到迅速發(fā)展。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到識(shí)別的目的。為此,EPCglobal組織于2004年12月發(fā)布了第二代超高頻空中接口標(biāo)準(zhǔn)Class1Generation2(簡(jiǎn)稱EPC-C1G2)。該標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率范圍是860~960MHz，主要應(yīng)用領(lǐng)域是供應(yīng)鏈、零售和資產(chǎn)管理等。在EPC-C1G2協(xié)議中，多標(biāo)簽識(shí)別是其最重要的性能之一。

超高頻RFID的優(yōu)點(diǎn)是可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，可多標(biāo)簽識(shí)別，識(shí)別距離遠(yuǎn)可達(dá)8m，而且無(wú)源標(biāo)簽成本低和壽命長(zhǎng),但這些優(yōu)點(diǎn)也決定了它的使用難度和技術(shù)要求較高。如何快速、有效地識(shí)別出射頻場(chǎng)中多個(gè)標(biāo)簽，是UHFRFID的主要問(wèn)題。EPC-C1G2協(xié)議在多標(biāo)簽識(shí)別方面非常靈活，并提供了多種參數(shù)和命令來(lái)解決多標(biāo)簽碰撞問(wèn)題。本文根據(jù)這些參數(shù)和命令，給出了一種解決碰撞的流程，并進(jìn)行了仿真分析。

1EPC-C1G2協(xié)議的多標(biāo)簽碰撞解決方法

EPC-C1G2協(xié)議的多標(biāo)簽防碰撞機(jī)制采用時(shí)槽aloha[5-6]算法。該協(xié)議使用的多標(biāo)簽碰撞解決命令集包括Query、QueryAdjust、QueryRep、ACK和NAK。主要參數(shù)為決定時(shí)隙計(jì)數(shù)的Q值。

Query用于初始化一個(gè)盤點(diǎn)過(guò)程，并決定哪些標(biāo)簽參與本盤點(diǎn)過(guò)程(這里“盤點(diǎn)過(guò)程”定義為連續(xù)兩個(gè)Query命令之間的時(shí)間)。Query包含一個(gè)時(shí)隙計(jì)數(shù)參數(shù)Q。當(dāng)接收到一條Query命令時(shí)，被盤點(diǎn)的標(biāo)簽應(yīng)在含(0,2Q-1)范圍內(nèi)選出一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并將這個(gè)數(shù)置入它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器。選到零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并立即應(yīng)答一個(gè)隨機(jī)數(shù)RN16。選到非零數(shù)的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到仲裁狀態(tài)，并等待下一條QueryAdjust或QueryRep命令。

處于仲裁和應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽，在接收一條QueryAdjust命令時(shí)，首先調(diào)整Q值(增加、減少或不變)，然后在含(0,2Q-1)范圍內(nèi)選出一個(gè)隨機(jī)數(shù)，置入它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器。選到零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并立即回答。選到非零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到仲裁狀態(tài)，并等待下一條QueryAdjust或QueryRep命令。

處于仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽每接收到一條QueryRep命令后,即將它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器減到0000h時(shí)，標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并應(yīng)答一個(gè)隨機(jī)數(shù)RN16。那些時(shí)隙計(jì)數(shù)器減到0000"并已應(yīng)答，但沒(méi)有得到確認(rèn)(包括對(duì)先前Query命令的響應(yīng)，而沒(méi)有得到確認(rèn))的標(biāo)簽應(yīng)返回仲裁狀態(tài)，仍有時(shí)隙值0000h，在接收到下一條QueryRep命令時(shí),這些標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器應(yīng)從0000h減到7FFFh，從而有效地防止隨后的應(yīng)答，直到標(biāo)簽置新的隨機(jī)數(shù)進(jìn)入它的時(shí)隙計(jì)數(shù)器。在2q-1條QueryRep命令中，標(biāo)簽至少應(yīng)答一次。

假設(shè)只有一個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答，則其查詢-響應(yīng)算法的執(zhí)行過(guò)程如下：

（1）當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)時(shí)，回答一個(gè)隨機(jī)數(shù)RN16；

（2）讀寫器用包含同樣RN16的ACK命令確認(rèn)這個(gè)標(biāo)簽；

（3）被確認(rèn)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到確認(rèn)狀態(tài)，并回答它的PC、EPC和CRC-16給讀寫器；

（4）讀寫器發(fā)送一條QueryAdjust或QueryRep命令，使被識(shí)別的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到準(zhǔn)備狀態(tài)，潛在地也初始化另一個(gè)標(biāo)簽與讀寫器的查詢-響應(yīng)對(duì)話過(guò)程，并從以上步驟(1)重新開(kāi)始。

圖1所示是單標(biāo)簽的查詢-應(yīng)答過(guò)程。圖中，白色部分口表示讀寫器到標(biāo)簽的信號(hào)，帶陰影部分口表示標(biāo)簽到讀寫器的信號(hào)，而且P為命令幀頭，F(xiàn)S為命令幀同步，RN16為16b隨機(jī)數(shù)，PC為協(xié)議控制字，EPC為電子產(chǎn)品碼，CRC-16為16b循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

如果多個(gè)標(biāo)簽或無(wú)標(biāo)簽在步驟(1)回答，而讀寫器未能分解出一個(gè)標(biāo)簽RN16,則讀寫器就從以上步驟(4)開(kāi)始。圖2所示為多標(biāo)簽查詢-應(yīng)答過(guò)程。

2仿真分析

在多標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中，不僅要識(shí)別出所有標(biāo)簽，還要時(shí)間盡可能短。由上述識(shí)別過(guò)程可以看出，標(biāo)簽都在規(guī)定的時(shí)槽內(nèi)應(yīng)答，因此，決定時(shí)槽多少的Q值是關(guān)鍵參數(shù)，但上述內(nèi)容并沒(méi)有給出具體的Q值。本節(jié)將給出一種識(shí)別流程,并確定Q值對(duì)識(shí)別時(shí)間的影響。依據(jù)協(xié)議規(guī)定，可計(jì)算出讀寫器發(fā)送每條命令的時(shí)間和標(biāo)簽應(yīng)答的時(shí)間，這里不再贅述。

2.1固定Q值算法

時(shí)隙計(jì)數(shù)Q值在整個(gè)識(shí)別過(guò)程不改變。Q值根據(jù)可能需要識(shí)別標(biāo)簽的最大數(shù)目而定，如最多識(shí)別Nmax=30個(gè)標(biāo)簽，Q=6Log2(Nmax)+1=5。在一次識(shí)別過(guò)程中，不對(duì)發(fā)生碰撞的標(biāo)簽再次識(shí)別，因此，需要多次執(zhí)行該識(shí)別流程，才能識(shí)別所有標(biāo)簽。

2.2動(dòng)態(tài)Q值算法

動(dòng)態(tài)Q值算法可以根據(jù)標(biāo)簽碰撞解決過(guò)程中的情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整Q值。動(dòng)態(tài)Q值算法有三個(gè)參數(shù)：Qstart、Qm,o和Qm*Qstart為起始Q值，Qm.為最小Q值，QjMx為最大Q值。在本文動(dòng)態(tài)Q算法分析中，Qm,o等于0,Qmx等于15,Qstart分別等于2、4、6和8。當(dāng)讀寫器未收到標(biāo)簽應(yīng)答的隨機(jī)數(shù),或標(biāo)簽應(yīng)答的隨機(jī)數(shù)發(fā)生碰撞時(shí)，變量nrn加1。當(dāng)讀寫器未能收到標(biāo)簽應(yīng)答的EPC碼時(shí)，變量nepc加1。閾值threahold等于當(dāng)前的Q值，可以作為Q值變化的依據(jù)。圖3所示為動(dòng)態(tài)Q值算法具體流程圖。

圖3動(dòng)態(tài)Q值算法流程

2.3仿真曲線及分析

圖4所示為該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽識(shí)別時(shí)間與標(biāo)簽數(shù)目的動(dòng)態(tài)關(guān)系圖。圖中，橫坐標(biāo)為被識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)，縱坐標(biāo)為識(shí)別所費(fèi)時(shí)間(統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間)。

由圖4可見(jiàn)，起始Q值Qam取不同值時(shí)，對(duì)識(shí)別時(shí)間影響不大，因此，動(dòng)態(tài)Q值算法的三個(gè)參數(shù)均可恒定。圖4中的三個(gè)圖分別是標(biāo)簽應(yīng)答數(shù)據(jù)速率(LF)為不同值時(shí)，兩種識(shí)別過(guò)程的比較?？梢?jiàn)，動(dòng)態(tài)Q值算法性能好的主要原因：一是變Q值識(shí)別每完成一輪(2Q—1時(shí)槽)識(shí)別后，Q值會(huì)根據(jù)標(biāo)簽碰撞的情況及時(shí)調(diào)整，因而可以節(jié)省時(shí)間；二是已被識(shí)別的標(biāo)簽不再參與下輪識(shí)別，從而加速了剩余標(biāo)簽的識(shí)別速度；三是動(dòng)態(tài)Q值算法性能比固定Q值算法改善不明顯，原因是動(dòng)態(tài)Q值的三個(gè)參數(shù)是恒定的，不隨待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)變化，而固定Q值算法的起始Q值需根據(jù)實(shí)際待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)做變化，否則嚴(yán)重影響標(biāo)簽的識(shí)別時(shí)間，特別是針對(duì)待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)變化較大的情況,動(dòng)態(tài)Q值算法更具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

一般情況下，固定Q值算法針對(duì)10個(gè)以內(nèi)標(biāo)簽盤點(diǎn)比較有效，如車輛管理；而動(dòng)態(tài)Q值算法適應(yīng)盤點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)變化較大的場(chǎng)合，如倉(cāng)庫(kù)管理。在EPC-C1G2協(xié)議中，多標(biāo)簽識(shí)別還包括Select命令、Session會(huì)話參數(shù)和inventoried標(biāo)識(shí)等，可提供更加靈活的識(shí)別算法。如用Select命令可根據(jù)Session會(huì)話參數(shù)或標(biāo)簽數(shù)據(jù)特征將標(biāo)簽分成幾組，再分別識(shí)別每一組標(biāo)簽，每組標(biāo)簽均可采用本文算法進(jìn)行，故可滿足不同的應(yīng)用要求。

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