物联网RFID中动态多帧标签识别方法研究

傅文博

（山西大同大学数学与计算机科学学院，山西大同037009）

物联网RFID中动态多帧标签识别方法研究

傅文博

（山西大同大学数学与计算机科学学院，山西大同037009）

随着物联网技术的快速发展，物联网RFID中动态多帧标签面临识别冲突的问题。现阶段的RFID射频识别技术碰撞率高的弊端，为此，提出基于RFID标签防碰撞的识别算法，改进RFID识别算法，基于RFID射频识别技术建立新模型，提高识别效率，依据集合SRPD和ABS算法的特点，在此基础上添加了监听程序，防止冲突的繁盛。仿真实验表明，一种改进的RFID标签防碰撞算法实现了RFID自动识别技术，具有较好的工作性能。

RFID；射频识别技术；标签；防碰撞

最近几年，射频识别技术在微电子技术、嵌入式系统、无线通信等技术高速发展的推动下飞速进步。[1-2]，最明显的就是智能物联网技术[3-5]，它的快速发展促使RFID射频识别技术不断进步，名列我国十大重要技术[5-7]。目前标签碰撞问题的研究成为了RFID技术研究发展的主流[8-10]。但现阶段仍处于于发展期。RFID技术拥有无限的发展潜力，它应用空间大[4]，市场前景广，将会对经济效益和社会有重大影响。

对RFID射频识别技术研究至今，多电子标签同时响应读写存储功能基本得以实现，但也存在很多问题，影响最为严重的是标签件易碰撞问题。碰撞问题会导致用户重复识别，效率降低等弊端。在标签防碰撞计算区域RFID射频识别技术作为一种全新的技术]得以广泛应用，即是先识别标记处所有防碰撞木块，针对关联紧密复杂化的碰撞信息进行处理。

建立完整的识别数据库，搭建模型，检测新建数据库的识别效率，利用系统扫描方法核实识别数据，计算识别参数集合，将识别处理后的数据全面分析提取出来，这便是提出改进的RFID标签防碰撞算法。实验结果表明，该算法有效改善了标签防碰撞问题，促进了RFID射频识别技术的发展。

1 现阶段RFID识别技术的应用

随着识别应用的发展，RFID无线射频识别技术的研究不断进步和完善。RFID技术在国外最早新兴，产业和应用各个方面已经发展的较为成熟。中国现已在零售业、金融业等各大行业中都大规模的应用了RFID技术，同时也涉及到校园、公共交通和地铁等人们的日常生活范围。射频天线、安全隐私、选取工作频段和碰撞问题是RFID技术的主要研究方向。RFID系统包括了标签阅读器和数据处理系统组成。其组成原理如图1所示。

图1 RFID系统组成原理

由图1 RFID技术的基本原理图可知，为了达到RFID自动识别被标识物体的目的，首先在被识别的材料中装入RFID标签，检测到RFID系统的阅读范围后，利用标签重合监测原理检测，达成标签和阅读器间的信息通讯，发送检测信息到阅读器中，在接收到信息后开始解码，将阅读器检测到的数据实时的湘计算机数据处理系统传送，通过网络传输给服务器，完成信息检测和处理的全过程。

2 现阶段标签防碰撞及算法原理

读写器和标签采用无线射频的方式通信，早期的RFID系统一次只能识别一个标签，大多采用接触式。当有多个标签在同一读写器的读写范围时，在没有采取多路存取控制机制的情况下，有多个标签可能同时向读写器发送信号，这种情况下会导致信道争用，引发信号冲突，读写器就不能正常工作，如图2所示。

图2 标签冲突示意图

在现有的RFID系统应用中，一个有效的防冲突算法是必要的，尤其在大规模应用系统中，读写器往往需要一次识别多个标签。且为了减少冲突，在通信过程中提高系统性能技术也是非常必要的。

现在的防冲突技术通常采用软件的方法实现，也就是防冲突算法。软件的实现方法有利于降低成本，实现也比较方便。

常用的多路存取方法一般有四种[1]：空分多路存取方法SDMA(space division multiple access)、频分多路存取方法FDMA(frequency domain multiple access)、码分多路存取方法CDMA(code division multiple access)和时分多路存取方法TDMA(time division multiple access)。

空分多路存取技术采用空间分割技术构成不同信道，是一种信道增容的方法，可以实现频率的重复使用，提高频率资源利用率。这种方式是尽量减少一个读写器占用的资源，把剩下的资源分给其它的读写器，形成一个天线覆盖区。因此，由一组读写器形成的信道容量会增加，并且可以重复使用。SDMA的缺点是成本太高，不利于广泛应用。

频分多路存取技术是把多个信号分配在时隙相同而频率不同的信道上，每个信号的载波频率各不相同，滤波器会选取有用信号来一直干扰。在RFID系统中，这种复用方式通过一个谐波发射频率转换器实现，一个标签只响应若干个载波频率中的一个信号。FDMA的缺点是读写器需要有多个信道，造价较高，在一些环境中仍不适用。

码分多路存取技术是基于伪随机码，利用扩频调制技术扩充在整个频谱上的数据。对于很多无线通信方式来就，CDMA是一个理想的信号防冲突方法，但是在RFID系统中，对于标签来说，会比较复杂，而且计算量太大。

时分多路存取技术是一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在一个通信媒体上传输多个信号。在数字信号系统中被广泛应用。这个是在RFID系统中广泛应用的技术，现有的基于ALOHA的防冲突算法和基于二进制树的防冲突算法都采用了TDMA的思想。

3 RFID标签防碰撞改进算法

3.1 改进RFID节点的设计

在系统中先创建一个识别程序，并同时创建RFID系统的节点设计如图3所示。

图3 RFID系统网络节点的设计

图4网络功能较繁琐，其中的标签节点性能相同，通信由阅读器向外发起，但其节点模型和标签表面是相同的，结构组成都是一个发心急，接收机，天线和进程模型。

对信号频率具有较强的敏感性是RFID虚线射频的突出特点，它需要采用编码方式控制调试信号，而无源应答器只能通过识别特定频段信号来寻找请求，相比之下，RFID虚线射频技术大大节省了识别时间。

图4 RFID系统建立的网络节点

3.2 算法的思想

算法的主体思想如下：开始阶段，SRPD-ABS和AB同步运行。在Ci(i=2,…,n)周期中，每个标签都带有PSC、ASC和TSCi-1三个变量，PSC表示：当前周期内已被识别标签的个数，ASC表示：标签发送ID的时隙，TSCi-1表示：前一周期已识别出的TSC的数值。读写器带有PSC、TSC和TSCi-1三个变量。其中读写器的变量PSC和TSCi-1,，不仅和标签的此变量意义一致，而且有相同的值，ASC的最大值用TSC来标识。采取文献[10]提到的标签估计策略，该策略估测新得到标签的数量为New-count，新标签ASC的表示方式，从1～New-count中随机选取一个数，然后加TSC即可。但仍需注意在滞留标签时需保留上个周期提及的ASC。

对读写器回馈信号的定义，做出了如下解释：

I,0：既满足空闲时隙这一条件，又不存在未被辨识的新到标签；

I,1：满足空闲时隙这一条件的同时，还必须确保没有被辨识的新到标签存在；

C：冲突时隙的情况，有至少两个标签能够响应；

R,0：时隙当前为可读，标签不会在下个时隙响应；

R,1：时隙当前为可读，标签在下个时隙仍响应。

整体识别状态时，ASC=PSC的标签传送ID，“存在”这一信号则由ASC=PSC+1名称的标签发送。读写器检测到待标签传送的信号后，依据标签信号内容给出回馈信号，标签分析回馈并对PSC和ASC作出调整，详细步骤如下：

I,0：ASC＞PSC这一标签出现，则ASC=ASC-1。

I,1：标签ASC=TSCi-1+1，ASC=PSC；若标签为ASC＞TSCi-1+1，ASC=ASC-1。

C：0或1随意被标签选中，若为1，PSC≤TSCi-1时，表示标签陷入冲突。当ASC=TSCi-1+1，标签未陷入冲突且存在ASC＞TSCi-1+1标识。当PSC＞TSCi-1时，如果标签ASC≥PSC，则ASC=ASC+1。若为0，ASC不变。

R,0：PSC表示识别标签个数的计数器，PSC=PSC+1，当PSC≤TSCi-1时，若ASC=TSCi-1+1，ASC=PSC，若ASC＞TSCi-1+1，ASC=ASC-1；当PSC＞TSCi-1时，PSC＞TSCi-1。

R,1：标签的识别个数计数器PSC=PSC+1。

在传统教学中，教师在备课时更多的考虑是怎怎样才能讲的到位，怎样才能让学生听明白听得懂。而合作学习的理论认为，教师备课时应该更多的考虑如何使学生更加主动的积极的参与学习，使学生学得更多更好。合作学习的实践成果是由学习目标和学习内容的特点决定的。所以，教师精心选择适用于合作学习的学习内容就显得尤为重要。要使合作学习进行得有价值有成果，教师首先就应该要吃透教材，在深入理解教材的基础上制定出具体的、适合学生的年龄特点和认知结构的学习内容和学习任务。

读写器的工作原理，若PSC≤TSC，读写器可收到标签信号并对当前状态做出判断。若同一时刻至少两个标签处于发送ID状态，则读写器就会回馈，发送信号“C”；若仅一个标签发送ID，读写器正常接收，PSC=PSC+1。若PSC＞TSCi-1，TSC=TSC+1，读写器二次检测标签发送“存在”信号，有，则读写器发送回馈“R,1”；反之，发送“R,0”。若没有标签发送ID，新到标签还未被识别，则读写器发送“I,1”，新到标签都已被识别，则读写器发送“I,0”，并令TSC-1。

表1为SRPD-ABS算法执行示例。假设在Ci-1周期有4个标签A，B，C，D，识别结束，标签B和C离开读写器可读范围，标签A和D需要再次被识别，且ASCA=0，ASCD=4，TSC=3。在Ci周期，有4个新到标签，分别是E、F、G和H，并随机获得ASC有，ASCE=4，ASCF=5，ASCG=5，ASCH=7，按照上述SRPD-ABS算法执行过程，各变量变化过程如所示。

表1 SRPD-ABS算法Ci周期变量调整过程

所提的改进算法较结合算法，增加了信道监听程序，对标签碰撞进行了规避。

若碰撞隙数用G表示，则标签数P=3.48*G不能被识别。设P为一帧中所用时隙数，p为标签数，则标签数b在q出现的检测概率分布为：

且被p个标签占用的数量x为：

可得成功识别标签数K为：

且系统识别率P为：

根据以上公式得，改进的RFID标签技术在添加了监听程序后，有效降低了标签碰撞几率。

4 仿真实验

通过对SRPD-ABS算法和ABS算法识别延迟进行分析，进而对ABS算法性能进行研究。

4.1 ABS算法

其中，DC、DR、DI分别为冲突时隙、可读时隙和空闲时隙数，并且DR=n，有：

所以

将C1作为Ci(i=2,…,n)周期中识别结果的关键依据，马尔可夫过程作为标签识别过程，新到标签和滞留标签作为Ci(i=2,…,n)周期要识别的标签的两种分类，这两种分类会影响识别延迟的重要参数，此时公式（5）以不足以表示Ci周期的识别延迟。公式（7）已被证明，假设新到的标签为α个，离开的标签为β个，DABS(Ci|Ci-1)为Ci周期总的识别延迟，则有：

4.2 SRPD-ABS算法

在C1周期，对Ci(i=2,…,n)周期进行分析，运用ABS算法和SRPD-ABS算法的识别延迟具有相同性。

在Ci周期，倘若Ci周期总的识别延迟是DSRPD(Ci|Ci-1)，新到标签为α个，离开标签为β个。有公式：

实验结果表明：判定Ci-1周期是否识别结束，首先，找到n-β可读时隙，只有β离开标签，才有nβ滞留标签。两种情况比较，当α＜β时，在离开标签形成空闲时隙互所有新到标签β-α都已完成；其次，当α＞β时，有β个填补离开标签所致的空闲时隙在新标签中，运用ABS算法的识别延迟与α-β个新到标签的识别延迟相等，得出结论两项分布均服从标签选择识别时隙的过程。

5 结果分析

为分析本文所提的SRPD-ABS算法对RFID标签防撞系统的性能，将其与ABS算法的性能对比，进行仿真实验分析。由于RFID系统主要性能为可读时隙、碰撞时隙和空间时隙，但SRPD-ABS算法和ABS算法有相同的可读时隙，因此不再进行比较，下面只对冲突时隙和空闲时隙做仿真分析。

5.1 标签数量相同的情况下的性能对比

图5仿真图描述了在标签个数不同的情况下，SRPD-ABS算法和ABS算法的执行结果。图5(a)是冲突时隙的比较，显然SRPD-ABS算法略胜一筹，由图5(b)明显看出，本文所提的SRPD-ABS算法相比于传统的单一ABS算法，具有更小的空闲时隙。分析图5(c)可以看出，由于ABS的冲突时隙和空闲时隙都比SRPD-ABS多，因此ABS算法执行产生冲突时隙和空闲时隙的和也远远高于本文提出的SRPD-ABS算法，即SRPD-ABS算法明显优于ABS算法。

图5 不同标签个数，SRPD-ABS和ABS算法仿真结果

5.2 到达率和离开率对识别性能的影响

到达率与离开率是识别RFID标签的重要性能。其中，到达率，离开率α代表新到标签的个数，n为总体识别标签个数，运用n-β代表滞留标签。

5.2.1 到达率对识别性能的影响

图6是令RL＝0.5，6(a)、6(b)、6(c)分别描述了离开率为0.5时，到达率对冲突时隙、空闲时隙和总时隙的影响。图7是令RA＝0.5，7(a)、7(b)、7(c)分别描述了到达率为0.5时，离开率对冲突时隙、空闲时隙和总时隙的影响。

由图6可以看出，当离开率等于0.5时，SRPDABS在任何情况都优于ABS，特别是SRPD-ABS能够减少更多的空闲时隙，所以更有利于提高整个系统的性能。

图6 RL＝0.5时，RA对识别延迟的影响

5.2.2 离开率对识别性能的影响

当到达率RA＝0.5时，图7(a)可以看出，SRPDABS算法的离开率对冲突时隙几乎不产生影响，当离开率RL＝0.57时，SPRD-ABS算法不如ABS算法优越，对于空闲时隙，由图7(b)可知，当RL＜0.5时，SRPD-ABS算法也不产生影响，当RL＞0.5时，空闲时隙发生很大的变化。再看总时隙，图7(c)，RL在0.73～0.95区间内时，SPRD-ABS算法不如ABS算法性能好，但是它们之间差距也比较小，在这个区间以外，SRPD-ABS算法性能远远好于ABS。

图7 RA＝0.5时，RL对识别延迟的影响

5.3 离开率和到达率的三维分析

图8 离开率和到达率对识别延迟的影响(n=500)

图8为SRPD-ABS算法和ABS算法在n=500条件下，离开率和到达率对识别延迟的影响模拟图。其中，曲面1代表ABS算法，曲面2代表SRPD-ABS算法。由图可知，到达率与识别延时正相关。离开率在0～0.64之间时，SRPD-ABS远远好于ABS，离开率在0.64～1之间时，ABS在部分区间略胜一筹。

6 结论

提出基于SRPD-ABS算法的RFID标签防撞方法。实验发现所提方法解决了传统ABS方法处理RFID标签防撞的效率低及复杂度高等缺点，提高了RFID标签的识别效率和识别速度等性能，避免重复性的识别情况，提高识别的时效性，具有良好的应用性能。

[1]LIN Y,YANG J,LV Z,et al.A Self-Assessment Stereo Capture Model Applicable to the Internet of Things[J].Sensors,2015,15(8)：20925-20944.

[2]BI Z,XU L D,WANG C.Internet of Things for Enterprise Systems of Modern Manufacturing[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2014,10(2)：1537-1546.

[3]HAMAD F,SMALOV L,JAMES A.Energy-aware Security in M-Commerce and the Internet of Things[J].Iete Technical Review,2014,26(5)：357-362.

[4]PANG Z,ZHENG L,TIAN J,et al.Design of a terminal solution for integration of in-home health care devices and services towards the Internet-of-Things[J].Enterprise Information Systems,2014,9(1)：86-116.

[5]WANT R,SCHILIT B N,JENSON S.Securing the Internet of Things[J].Computer,2015,48(1)：28-35.

[6]GRANJAL J,MONTEIRO E,SILVA J S.Network-layer security for the Internet of Things using TinyOS and BLIP[J].International Journal of Communication Systems,2014,27(10)：1938-1963.

[7]LI L,LI S,ZHAO S.QoS-Aware Scheduling of Services-Oriented Internet of Things[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2014,10(2)：1497-1505.

[8]SUN Y,YAN H,ZHANG J,et al.Organizing and Querying the Big Sensing Data with Event-Linked Network in the Internet of Things[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2014(4)：610-617.

[9]PATEL S,JAZRAWI E,CREIGHTON A M,et al.Interfaces to the Internet of Things with XForms[J].Molecular Pharmacology,2015,58(3)：560-568.

[10]JARA A J,VARAKLIOTIS S,SKARMETA A F,et al.Extending the Internet of Things to the Future Internet through IPv6 support[J].Mobile Information Systems,2014,10(1)：3-17.

Research on Dynamic Multi Frame Tag Identification Method in Internet of Things RFID

FU Wen-bo
（School of Mathematics and Computer Sciences,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）

With the rapid development of Internet of things technology,dynamic multi frame tags in IOT RFID are facing the problem of identifying conflicts.RFID radio frequency identification technology of collision stage of the high rate of defects,therefore,an improved anti-collision algorithm is proposed to identify the RFID tags,RFID recognition algorithm is improved,a new RFID module of radio frequency identification technology is built,the recognition efficiency of the RFID system is improved,according to the collection of SRPD and ABS algorithm,a bstener is added to prevent the prosperity of conflict prevention.Simulation results show that an improved RFID tag anti-collision algorithm has realized the RFID automatic identification technology and has better performance.

RFID;radio frequency identification technology;tag;anti-collision

TU22

A

1674-0874(2017)06-0001-06

2017-05-30

山西省高等学校大学生创新创业训练项目[2014340]；山西大同大学校级科研项目[2010K1]

傅文博（1976-），男，山西大同人，硕士，副教授，研究方向：物联网与网络安全。

〔责任编辑 高海〕