CN100339860C

CN100339860C - 一种提高射频识别***吞吐量的方法

Info

Publication number: CN100339860C
Application number: CNB2005101226025A
Authority: CN
Inventors: 胡爱群; 梁彪; 秦中元
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: CN1776705A

Abstract

一种提高射频识别***吞吐量的方法是一种用于生产过程管理、供应链管理、物流和运输、分销和零售、交通运输控制等多个领域的新型个体性、非接触式识别技术，该方法为每个标签中存有两组数据：其自身的ID号和在生产时随机写入的某一正交码，标签实际发送的信号为经该正交码扩频的信号，读写器通过解扩得到标签真正的ID号并利用扩频码的正交性来杜绝一部分的标签碰撞以提高***的吞吐量；该方法可以动态地扩大***的稳定工作范围，解决当***负载超过时隙ALOHA稳定条件是导致***不能正常工作的问题。

Description

一种提高射频识别***吞吐量的方法

技术领域

本发明是一种用于生产过程管理、供应链管理、物流和运输、分销和零售、交通运输控制等多个领域的新型个体性、非接触式识别技术，涉及无线通信、信号与信息处理、电磁场与微波技术等学科领域，尤其涉及一种提高现有射频识别***吞吐量的方法。

背景技术

射频识别技术(RFID：Radio Frequency Identification)是一种利用无线电传输实现物体的非接触式识别的技术。它从20世纪90年代兴起，由于其显著的特点，与传统的条码、磁卡及IC卡相比，智能标签具有非接触、阅读速度快、数据可加密、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点；同时，具有防碰撞功能的***还可同时处理多个标签，被认为可以这些技术，目前已被广泛应用于生产过程、物流仓储、商业零售、商品防伪、安保及交通管理等至多领域，实现货物、人员和动物信息的自动采集。

RFID主要由读写器(Interrogator/Transceiver)和智能标签(Transponder/Tag，以下简称标签)组成，读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活，标签将自身编码等信息通过其内置天线发送出去，读写器接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收信号进行解调和解码后，将标签编码等数据通过接口与上位控制计算机进行数据交换并同时可以执行应用***软件发来的命令，实现不同的应用功能。

但在实际应用中往往会出现某一时刻有超过一个的标签同时出现在读写器的识别区域内，它们同时向读写器发送其各自数据的信号，由于所有的标签都使用同一工作频率，这些信号在空中叠加并互相干扰，导致读写器无法准确得到各标签发送的数据。这种现象称为标签碰撞(Tag Collision)。防碰撞技术设计的优劣很大程度上决定了RFID***性能，标签碰撞是影响RFID***吞吐量的决定因素，因此设计出更为有效的防碰撞方法对提高RFID***的吞吐量至关重要。

ALOHA是20世纪70年代初期由美国的夏威夷大学首次提出的用于解决在地理上分散的用户共同使用中心计算机资源的一种随机接入技术。***中的各用户在需要时均自由地发送数据帧，而不管此时通信信道的“忙/闲”状态，这样必然会出现数据碰撞而导致差错的现象，因而必须进行重传。但是发生碰撞的各用户不能马上进行重传，以为这样做就必然会继续发生碰撞。ALOHA***采用的重传策略就是让个用户等待一段随机的时间再继续重传，利用各用户产生相同等待时间的可能性小的特点来进一步地降低再次发生碰撞的概率。如再发生碰撞，则再等待一段随机时间，直到重传成功为止。理论分析的结果表明，在数据帧的到达服从Possion分布的条件下，ALOHA***在稳定的工作状态下，吞吐量S与***负载S满足如下关系：

S＝G·e^-2G

可以看出，ALOHA***的最大吞吐量仅为1/2e＝18.4％。为了提高吞吐量，可以将所有的用户在时间上同步起来，并将时间划分成一段段等长的时隙(Slot)，同样记为T₀；并规定和用户只能在每个时隙开始时才能发送各自的数据帧，这样的ALOHA***称之为时隙ALOHA或S-ALOHA。S-ALOHA***在稳定的工作状态下，吞吐量S与***负载S满足如下关系：

S＝G·e^-G

显然S-ALOHA***的吞吐量比ALOHA***有了一定的提高，其最大的吞吐量可以达到1/e＝36.8％。

虽然S-ALOHA***的吞吐量有所提高，但是其与ALOHA***一样还是存在致命的缺陷，即稳定工作条件的限制，ALOHA和S-ALOHA的稳定工作条件分别为：

G＜0.5和G＜1

但各***的负载超过这些区域时，***处于不稳定状态，导致吞吐量下降，即表明成功发送的数据帧数减少而发生碰撞的帧数增加。这种情况引起更多的重传，因而使网络负载G进一步增大。这样恶性循环的结果，使吞吐量继续下降直到零为止。这时，***负载达到很大的数值，数据帧不断地发送、碰撞、重传……，但是并无有用的输出。整个***完全不能工作了。

然而，对于某些应用环境，如超市的配货中心或结账柜台，存在读写器需要同时处理众多含有标签的物品，而完成处理这些标签的物品总的时间又不能太长，否则会导致物品的积压，影响***处理的效率，此时***的负载往往会超过ALOHA或S-ALOHA***的稳定条件，会导致***不能正常工作，这种情况在实际应用中是存在的但现有方法又无法解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种提高射频识别***吞吐量的方法，可以动态地扩大***的稳定工作范围，解决当***负载超过时隙ALOHA稳定条件是导致***不能正常工作的问题。

技术方案：本发明的一种提高射频识别***吞吐量的方法，在已实现时隙“ALOHA”接入的射频识别***中，对射频识别***中的标签和读卡器的生产工艺过程如下：

a.在进行标签生产时，除了原有的用来存储标签ID号的数据区外，另外增加一个数据区，用来存放一个正交码，而此正交码为在事先已确定的扩频码组中在生产时随机选择并写入的一个；同时，在标签中增加相应的扩频电路，以实现标签在进入读卡器的识别区域内发送自身的ID号时实际发送的是经该正交码扩频的ID号数据；

b.为能够成功接收各个标签发给读卡器的ID号数据，在进行读卡器的生产时增加一个数据区用来存储事先确定的扩频码组序列和相应的解扩电路；在***已取得同步的条件下(此条件为已实现ALOHA方式接入的RFID***所必备)，读卡器在接收到标签发来的数据帧时，依次利用正交码组中的每一个正交码对所接收的已叠加数据进行解扩，对于各自选用不同正交码且在同一时隙发送数据帧的标签，各自的ID由于经由不同的正交码扩频，读卡器利用正交码的正交性分别解扩得出。

本发明的工作原理：

T₀表示用户发送单帧数据所需的时间，吞吐量(Throughput)S又称为吞吐率，它等于在T₀内成功发送的平均帧数，利用它来衡量信道的利用是否充分。显然，0≤S≤1，而S＝1是极限情况。在S＝1时，时间帧一个接一个地发送出去，帧与祯之间没有空隙。这种情况虽然使信道的利用最为充分，但在众多用户随机发送帧的情况下是不可能实现的。

***负载(Offered Load)G它等于在T₀内总共发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因碰撞未发送成功而重传的帧。显然，G≥S，而只有在不发生碰撞时，G才等于S。G可以远大于1，例如，G＝10，表示在T₀内网络共发送了10帧数据，这当然会导致很多的碰撞。

基于码分的时隙ALOHA***的工作原理和***组成如图1所示，主要思想概述如下：每个标签中存有两组数据：其自身的ID号和在生产时随机写入的某一正交码，标签实际发送的信号为经该正交码扩频的信号，读写器通过解扩得到标签真正的ID号并利用扩频码的正交性来杜绝一部分的标签碰撞以提高***的吞吐量。

然而，由于标签ID号可能的变化远大于正交码的数量，因而在实际中必然会有不同的标签选用了相同的正交码，在所有标签取得同步的基础上，这些标签同时发送其ID号时必然还会发生碰撞，这时仍然采用Slotted-ALOHA***中的随机退避达到识别的目的。这样在标签中实现时非常简单，仅需增加一组正交吗和相应的扩频电路，对原标签中的硬件电路改动很小。另外，所有的正交码组事先选定且数量有限，并存储在读写器中，这种考虑既为了易于在标签中实现，也可降低在读写器中实现的复杂度。

鉴于其良好的自相关和互相关性，可以按实际的不同需求选用不同阶数的沃尔什码(Walsh码)，用其在对标签的ID号进行扩频处理后即可实现在同一时刻2个以上的标签同时进入读写器的识别区域，它们同时发送各自的ID号后，读写器在接收到这些在空间叠加后的信号时也能完整地分离出不同标签的ID号，突破了时隙ALOHA算法在同一时刻不能有2个以上标签到达的限制。

由于所有标签的ID号是互异的，仅当其选用不同的Walsh码且在同一时隙内发送ID号才可以成功地被读写器经解扩获得，而在此时不同的标签选用了相同的Walsh码后仍将会导致标签碰撞。显然，当在某一时隙内到达的标签数为k，可供选用的Walsh码组阶数为N时，在统计的意义下，这k个标签随机选用的Walsh码互异的平均数(即读写器在此时隙中可以成功解扩的平均标签

k_{success} = k * {(\frac{N - 1}{N})}^{k - 1}

数)可以由下式给出：

***在某一时隙内能成功解扩的标签数的均值(即***在码分的条件下的吞吐量S_C)为：

S_{C} = Σ_{k = 0}^{\infty} k_{success} * P

[当前时隙内到达的标签数为k]

当***的标签到达为泊松过程时，在***稳定状态下，吞吐量S_C可以由下式给出：

S_{C} = {Ge}^{- \frac{G}{N}}

在不同的Walsh码组阶数N的条件下***负载G与吞吐量S_C的关系如图2所示。有上式可以知道，当G＝N，吞吐量S_C取最大值，即max(S_C)＝N/e，即最大的吞吐量是原时隙ALOHA***的N倍，即引入码分机制后***的吞吐量得到提高，这点在后面的仿真结果中也得到了证实。另外，当选用的Walsh码的阶数为16时，码分的时隙ALOHA***的吞吐量最大可达5.89，远高于时隙ALOHA的0.368，而且随着Walsh码组阶数的提高，吞吐量的最大值还可以提高，但这是以增加读写器和标签的硬件复杂度为代价，因而在实际使用中必须根据需求在吞吐量和Walsh码组阶数做出折衷的选择。

与时隙ALOHA一样，当G＜N时，CS-ALOHA***的吞吐量S_C随着***负载G的增大而增加；当G＞N以后，吞吐量呈下降趋势，这是由于当在同一时隙内到达的标签数量增加到一定程度后，基于Walsh码组阶数N的有限性，选用相同的Walsh码作为扩频码的标签数量将会增加，此时必然导致碰撞的增加，***进入不稳定的区域。因此，在基于码分的时隙ALOHA***稳定的条件如下式所示，可以看出CS-ALOHA***的稳定工作范围远大于时隙ALOHA，而且可以通过改变N的大小来动态地调整***的稳定工作范围。

G＜N

当然，由于在实际使用中标签的数量远大于可被选用的Walsh码组的数量，因而不免会有不同的标签随机地选用了相同的Walsh码，当这样的标签同时发送数据时还是会引发碰撞，此时仍然采用时隙ALOHA***中的随机退避机制，每个标签各自延时一段时间后再发送数据，利用各标签产生的随机退避时间的不同来降低再次碰撞的概率。另外，当重传时的随机时延足够长时，退避后的标签重传时可以认为并不影响标签到达所满足的泊松过程的特性。

有益效果：

(1)吞吐量的提高：本发明可以将***的最大吞吐量从时隙ALOHA的36.8％提高N倍，其中N是所选用的Walsh码组阶数；

(2)较低的实现复杂度：在标签中实现本发明仅需增加一组正交码和相应的扩频电路，对原标签中的硬件电路改动很小；所有的正交码组事先选定且数量有限，并存储在读写器中，这种考虑既为了易于在标签中实现，也可降低在读写器中实现的复杂度；其余与已实现时隙ALOHA接入的RFID***均相同。

(3)***稳定工作范围的扩大：本发明可以将原时隙ALOHA***的稳定工作范围从G＜1提高到G＜N，并且可以通过改变N的大小来动态地调整***的稳定工作范围。

附图说明

图1是本发明的基于码分的时隙ALOHA***工作原理和***组成框图。

图2CS-ALOHA***的吞吐量曲线。

图3两***的吞吐量比较。

具体实施方式

本发明的一种提高射频识别***吞吐量的方法，在已实现时隙“ALOHA”接入的射频识别***中，对射频识别***中的标签和读卡器的生产工艺过程如下：

由于标签ID号可能的变化远大于正交码的数量，因而在实际中必然会有不同的标签选用了相同的正交码，在所有标签取得同步的基础上，这些标签同时发送其ID号时必然还会发生碰撞，这时仍然采用Slotted-ALOHA***中的随机退避达到识别的目的。这样在标签中实现需增加一组正交码和相应的扩频电路。

另外，所有的正交码组事先选定且数量有限，并存储在读写器中，这种考虑既为了易于在标签中实现，也可降低在读写器中实现的复杂度。

为了验证提出的思路，在MATLAB环境下得出如图3的仿真结果。其中以Walsh码组的阶数N＝4为例，对本文提出的CS-ALOHA***与传统的时隙ALOHA***的吞吐量进行了比较。仿真条件为标签的到达符合泊松过程，利用到达率为G的泊松发生器产生。从仿真结果看，在同样的到达率的条件下，CS-ALOHA***的吞吐量远高于S-ALOHA***，并且随着到达率的增加，CS-ALOHA***的吞吐量也随之增加，并在G＝4时达到最大，当G＞4时随着到达率的增加而减小，这就验证了CS-ALOHA***的性能且达到了预期的目的。至于仿真值与理论值的差距主要是因为在仿真中仅能选取一定长度的泊松到达序列，而这些有限长度的序列在统计意义上会与理论值存在误差，而这种误差并不能因产生的序列长度的增加而减小或消除，类似的情况在仿真某一标签随机选择Walsh码时也会存在。

Claims

1.一种提高射频识别***吞吐量的方法，其特征在于：在已实现时隙“ALOHA”接入的射频识别***中，对射频识别***中的标签和读卡器的生产工艺过程如下：

b.为能够成功接收各个标签发给读卡器的ID号数据，在进行读卡器的生产时增加一个数据区用来存储事先确定的扩频码组序列和相应的解扩电路；在***已取得同步的条件下，读卡器在接收到标签发来的数据帧时，依次利用正交码组中的每一个正交码对所接收的已叠加数据进行解扩，对于各自选用不同正交码且在同一时隙发送数据帧的标签，各自的ID由于经由不同的正交码扩频，读卡器利用正交码的正交性分别解扩得出；所述已取得同步的条件为已实现ALOHA方式接入的RFID***所必备。