基于RFID的时分标签到标签干扰抑制技术

孙光浩+刘丹青+王永鉴

1研究背景

射频识别（RFID）是物联网（IoT）的重要组成部分，通过捕获有意义的数据来跟踪和共享信息，有助于将物理对象的状态连接到互联网上。它已经成为涵盖资产管理，供应链和施工等广泛应用的关键技术。RFID系统由阅读器（询问器），标签（应答器）和中间件软件组成，可帮助使用RF信号从标签到读取器的数据处理。标签根据其功能被分类为被动，半无源和主动。由于无源标签没有配备电源，因此需要来自读取器的能量才能发回包含其ID信息的重新调制信号。基于反向散射标签信号的RFID通信取决于各种因素，包括信号的功率，标签的雷达截面（RCS）和传播损耗。

2研究意义

为了最小化由相邻标签引起的数据冲突，本文提出了一种基于时分（TD）技术的防冲突算法。在TD技术中，每个标签的响应都是通过特定的时间间隔进行区分的，这个时间间隔对应于这個特定的时间间隔。因此，数据帧被分成几个时隙，每个时隙被分配给各个标签，并且读取器可以按时间顺序读取所有标签。此外，本文中考虑的数据帧包括前导码帧，其有助于信道估计，信噪比（SNR）估计，同步等。在RFID应用中，TD方法需要使用相同的时隙对标签进行分组，以便它们只在特定的时间间隔内传输。在本文中，我们将提出的TD方法与常规方法的性能进行比较，而不考虑干扰抑制和抗冲突技术以及基于黄金码序列的CDMA技术.

本文的其余部分安排如下。第3节描述了RFID碰撞问题，并讨论并分析了以前与碰撞问题有关的一些工作。在第4节中，我们将介绍本研究中使用的接收信号模型的细节。在第5节中，我们介绍了针对单个读取器的抗冲突问题的TD解决方案，最后，在第6节，我们得出结论。

3RFID碰撞问题

在本节中，我们将讨论RFID碰撞的类型和以前的相关工作。

3.1RFID碰撞的类型

RFID标签信号引起的干扰是RFID系统的常见问题。由于读卡器和标签通常使用相同的通道，来自多个标签的同时传输会导致冲突。碰撞被分类为读写器，读写器到标签和标签到标签的碰撞。

3.1.1读者阅读器碰撞

当相邻读卡器同时询问相同频带中的特定标签时，会发生读写器冲突。此外，当标签在一个读取器的可读范围内并且另一个读取器的干扰范围时，来自后一读取器的信号可能会干扰来自标签的返回信号。Colorwave中更详细地讨论了读者与读者的冲突。

3.1.2读者到标签的碰撞

当标签从不同的读者收到多个并发查询时，会发生读写器到标签的冲突（标签干扰）。这个问题可以通过给附近的读者分配不同的频道来解决。

3.1.3标签到标签的碰撞

当多个信号同时到达读卡器时，会发生标签到标签冲突，从而防止其询问区内所有标签的可靠检测。图1中示出了这种情况，其中标签（T1，T2，T3和T4）同时向单个读取器发送信号，从而阻止读取器正确识别特定标签。没有防冲突协议，这些标签的数据不仅会在读卡器上发生冲突，从而降低其识别率，而且还会导致浪费带宽和能量。

3.2相关作品的碰撞问题

RFID是一种准确的物体识别系统，商业上用于检测和管理与各种物品有关的信息。然而，工业应用RFID的大规模接受度低于预期，这主要是由于环境因素，多径衰落等以及标签碰撞问题等几个问题。标签冲突问题通常是由于读写器与标签之间缺乏适当的协调而发生的。从标签到读取器的反向散射响应可能与相邻标签相冲突，这最终掩盖了读取器正确读取标签ID。

在本文中，我们专注于具有多个标签的环境中的单个读取器的问题。此外，我们专注于RFID技术在智慧图书馆的实际应用。通常，在施工现场，存在大量标签对象。因此，同时提高对象识别性能并最大限度地降低运营成本是非常重要的。近来开发的RFID系统已经使用了各种多址技术，例如空分多址（SDMA），频域多址（FDMA），时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA），这被称为扩频。

3.2.1SDMA协议

SDMA在空间插槽中重复使用某些资源（信道容量）。SDMA协议使用电子控制定向天线或多个读取器分离信道，以识别标签。然而，这种方法的缺点包括高实现成本，需要设计复杂的天线系统，并且仅限于少数专门应用。另一方面，FDMA不同于对应答者的不同频率的传播，这导致了对读者的影响。这需要复杂的接收者，因为必须为每个接收信道提供专用接收机。虽然CDMA对于多个标签表现出良好的性能，但是它要求在传输之前将它们的数据乘以伪随机噪声（PN）序列。相反，TDMA防冲突算法在每帧中分配几个时隙来解决冲突问题。

3.2.2 TDMA防冲突技术

TDMA防冲突技术是最受欢迎的RFID读写器抗碰撞技术，它在色波算法中被使用，每个读卡器选择一个随机时隙来传输数据。TDMA防冲突方法按时间顺序划分参与者之间的总可用信道容量。其程序被分类为同步读取器驱动和异步标签驱动。在阅读器驱动的过程中，在特定的时间间隔，首先使用特定算法从一组标签中选择一个单独的标签，然后在所选标签和读取器之间进行数据通信链接。另一方面，通过标签驱动程序，标签通过在读取器的存在下发送其ID而向读取器通知。前者和后一个程序也分别被称为读取器通话（RTF）和标签通话（TTF）。与RTF相比，TTF相对较慢，无法实现。对于RFID系统中的防冲突算法，Abramson的招聘访问逻辑（ALOHA）协议和二叉树算法是基于确定性和概率方法的，被广泛使用。用于超高频（UHF）RFID系统的大多数标准是将抗冲突算法的二叉树搜索称为确定性方案，因为每个屋顶到叶子路径表示唯一的标签ID，并且可以同时检索所有完全搜索所有分支后的ID。另一方面，ALOHA抗冲突算法通常被称为概率方案，其中每个标签ID将具有成功检索的概率。

3.2.3基于树的防冲突算法endprint

基于树的防冲突算法使用虚拟树通过迭代地查询不同级别的标签的子集来读取读取器的读取范围内的所有标签数据，并且标签ID基于它们的预定义分发。根是要标识的一组标签，中间节点表示碰撞标签组，叶片表示单个标签响应。它们被进一步分类为树分裂（TS），查询（QT），二进制搜索（BS）和逐位仲裁（BTA）。在TS协议中，使用随机数生成器对多个响应标签进行分组。另一方面，QT协议将树信息存储在读卡器中。读者用位串预测符广播查询，然后将其与标签ID的前缀匹配，之后具有匹配预处理的标签以读取器的ID为响应查询。这个过程一直持续到只有一个标签响应。这克服了使用TS生成随机数的问题，降低了成本和计算复杂度。在BS中，通信由读取器发送标签的序列号开始。然后将序列号与其ID进行比较。在该协议中，如果标签的等级不等于用户名，则通信是可能的。不需要上述协议，BTA通过请求标签来从最重要的位逐位回应到其ID的最不重要的位。

3.2.4ALOHA协议

ALOHA协议是概率方法，其中信号在帧内的随机时隙内进行响应以识别标签。在不同的基于ALOHA的协议中，帧时隙ALOHA（FSA）和动态帧时隙ALOHA（DFSA）在RFID系统中最常用，因为它们可以降低标签之间的冲突概率。在FSA中，读取器确定帧大小和时隙的实际持续时间，并且标签使用整个时隙集合中的随机时隙（总时隙和帧大小被固定）。因此，在读写器询问区中，对于少量的标签，存在因空槽而浪费的问题，对于大量的标签，存在冲突问题。FSA的这个缺点由DFSA部分解决。在DFSA中，当大量插槽相撞时，读卡器会将一个插槽的插槽数量相加。类似地，当存在许多空插槽时，阅读器将减少一个帧大小的时隙数量。在DFSA中，在估计每帧结束后的剩余标签数量的情况下，调整下一帧的大小，而不对当前帧内的理想时隙和相关时隙进行任何操作。因此，在这些时隙期间读者的请求时间被浪费。因此，如果我们尝试减少请求时间，则可能会增加标签冲突的可能性。

4基于TD的RFID防碰撞

在本节中，我们提出了一种有效和简单的防碰撞RFID系统，特别是智能图书馆管理系统技术。这种施工技术的目标是通过重复利用和回收先前标签降低施工成本并提高施工速度。在这种情况下，我们需要使用简单协议的低成本RFID系统，与ALOHA系统或基于金码的系统不同，它应该具有良好的防冲突性能。

在本文中，我们提出了一种基于TD方法的简单有效的RFID系统。所提出的RFID标签使用特定时隙发送数据，并且该时隙被固定。在标签附于图书之前，标签根据其时间段进行分组（请注意，组数可以根据图书的数量确定）。当将具有特定时隙的标签附加到图书时，应该管理它们，以避免同一组中的标签位于邻居中。例如，如果第一组的标签连接到特定的图书，则属于其他组的标签应连接到相邻的图书。管理RFID标签位置的这个过程很简单，因为图书通常在同一地点相对长的一段时间，直到图书被借走，并且图书在另一个人借走中重新使用。虽然我们在本文中重点介绍了在智能图书馆管理系统应用所提出的RFID系统，但它可能适用于物体相对较长时间放置在同一地点的其他区域，如存储，工业场所等安装了各种设备。

所提出的防碰撞RFID算法着重于涉及单个手持式读取器和多个标签的情况。除了通过将标签分配给先前分配的时隙以传输数据外，还能够有效地降低由于其他标签引起的沖突的概率，它还采用简单的RFID协议进行单向通信。这种简单的RFID协议可能会降低实施成本，因为RFID标签使用固定的特定时隙发送数据，而不需要复杂的数学运算过程，这与基于金码或ALOHA的防碰撞RFID系统不同。请注意，金码防碰撞RFID标签需要重要数量的数值运算，包括乘法和加法，而ALOHA技术需要自适应资源处理，用于在数据帧内分配时隙。

4.1考虑干扰信号的RFID信号功率模型

在RFID系统中，一旦标签被来自读取器的发射功率供电，所选择的标签开始响应于读取器。由于从RFID标签散射的调制信号受到来自其他标签的噪声和干扰信号的影响，所以由等式（1）和（2）给出的PFID读取器处的接收信号由感兴趣的调制后向散射信号，噪声和干扰信号。在读取器处，可用于其接收天线的可用功率量由下式给出

其中PR接收机[dB]是读取器的接收机天线接收的功率，GR接收机是读取器处的接收机天线的增益（其等于读取器处的发射机天线增益），a是RF标签的RCS，这对于系统级效率和可靠性很重要[28（35），29]。RFID标签的横截面积可以写成

方程式（8）和（9）表明无源RFID系统的总能耗取决于从读写器传输到标签的功率。由于这些方程式表示可以通过维持读取器天线处的功率来调整标签与读取器之间的有效距离r，所以无源RFID标签的全反向散射功率和询问范围取决于读取器的发送功率水平。在我们的计算机模拟中，我们使用了上述的RFID信号功率模型。

4.2基于TD的RFID反碰撞方案

为了抑制来自周围多个RFID标签的干扰信号，我们提出了一种基于TD技术的防冲突方法，该方法在特定时隙上分配标签信息。在读卡器到标签通信期间，读取器将发送功率Pr的载波信号发送到它们的询问区内的一组任意多个标签。如果读取器接收到的功率大于从标签接收到的最小功率，这被称为读取器灵敏度，则从标签到读取器的数据传输可能是可能的。当读卡器接收到的能量高于激活阈值时，读卡器的覆盖区域中的所有标签随后被激活，并将其识别信息发送给具有PR接收器功率的读取器。如果测量的PR接收机值高于激活阈值，则发送信号对发送其有效载荷是有效的。相反，如果测量值低于激活阈值，则发送信号不能有效地发送其有效载荷并且数据传输可能失败。在所提出的RFID系统中，当使用特定时隙的特定标签将数据发送到读取器时，使用其它时隙的其他标签不传输任何数据，而是保持其顺序。由于标签根据轮转发送数据，在读卡器中，与传统的RFID系统相比，能够有效地抑制来自其他标签的干扰信号，并提高了通信的可靠性，因为它们对于多个标签具有低读取能力，因为它们没有干扰抑制或防碰撞技术。图2示出了基于二进制相移键控（BPSK）的标签处的发送信号和读取器处的接收信号的示例，其使用具有独立数据调制技术的恒定载波信号幅度，并且有助于提供稳定的功率传输无线通信。在图中，为了解释所提出的系统，我们假设每个标签采用唯一的时隙。尽管在实际系统中，一些标签可以被分配到相同的时隙中，但与传统的RFID系统相比，其他标签的干扰信号被有效地抑制。我们通过执行计算机模拟来讨论基于TD的所提出的RFID系统的干扰抑制性能。endprint

4.3基于TD的RFID防碰撞数据架构

在本小节中，我们提出一种基于TD的有效数据架构来防止RFID冲突。在这里，我们在RFID数据帧中分配了特定的时隙，以及用于前导数据和有效载荷的固定数量的数据位。在特定时间间隔内，读取器识别来自特定标签的数据比特，其由随后有效载荷的前导码数据组成。为了防止同一个读写器询问区中的标签之间的冲突，特定的时间间隔将保留给特定的标签。前导码和有效载荷的功能总结如下。

4.3.1前导码

在有可能阻止我们准确检测到所需信号的噪声和干扰环境中，前导码有助于防止信号检测的性能下降。因此，前导数据用于信道估计，SNR估计，同步等。在读取器的接收机处，应该获得有效的信道和SNR估计，以便能够准确地检测来自RFID标签的传输数据和估计分别在询问区中的标签数量。此外，由于标签使用特定的时隙发送数据，所以提出的RFID方法需要完美的同步。在本文中，我们假设在读取器的接收器处执行信道估计，SNR估计和同步。

假设有四个标签每个采用唯一的时隙，图3显示了所提出的防碰撞RFID系统的数据架构。在该系统中，在发送有效载荷之前，使用图中的第1个时隙发送第1个标签中的前导码数据。

4.3.2有效载荷

在该RFID系统中，当读取器将唤醒信号发送到标签时（为了简单起见，我们在数据架构中不包括唤醒信号），标签使用所示的特定时隙顺序发送前导码和有效载荷诸如识别（ID）号码，电子产品代码（EPC）號码等信息等信息。使用所提出的数据架构，当特定标签将数据发送到读卡器时，没有其他标签传输任何数据，如图3所示。因此，当同时在多个标签和读卡器之间通信时，不存在干扰信号。虽然图3中针对RFID的基于TD的防冲突架构考虑了四个标签和一个读卡器，但它可能会扩展到更多的标签。如前所述，与实际系统中相同的时隙中分配某些标签的情况相比，与没有防碰撞技术的常规RFID系统的情况相比，可以有效地抑制来自其他标签的干扰。

5结论

为了最小化RFID系统的标签到标签的碰撞数量，我们提出采用TD技术的防碰撞技术和数据结构。在所提出的系统中，由于只有特定的标签才能在特定的时隙内将数据发送给读卡器，因此有效地抑制了其他标签的干扰信号。因此，当我们同时在诸如施工现场的工业现场使用多个标签和单个读取器时，所提出的RFID架构可以提高数据的可靠性和性能，从而能够识别特定对象或材料的信息。我们通过执行计算机模拟来说明了所提出的RFID系统的干扰抑制性能，并将结果与没有防冲突技术的常规系统和基于黄金代码序列的防碰撞RFID系统进行了比较。未来，我们将更详细地探讨所提出的RFID系统的一些实际应用endprint