基于RFID的時分標簽到標簽干擾抑制技術(shù)

1、 基于RFID的時分標簽到標簽干擾抑制技術(shù) 孫光浩+劉丹青+王永鑒1研究背景射頻識別（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，通過捕獲有意義的數(shù)據(jù)來跟蹤和共享信息，有助于將物理對象的狀態(tài)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。它已經(jīng)成為涵蓋資產(chǎn)管理，供應(yīng)鏈和施工等廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。RFID系統(tǒng)由閱讀器（詢問器），標簽（應(yīng)答器）和中間件軟件組成，可幫助使用RF信號從標簽到讀取器的數(shù)據(jù)處理。標簽根據(jù)其功能被分類為被動，半無源和主動。由于無源標簽沒有配備電源，因此需要來自讀取器的能量才能發(fā)回包含其ID信息的重新調(diào)制信號?；诜聪蛏⑸錁撕炐盘柕腞FID通信取決于各種因素，包括信號的功率，標簽的雷達截面（RCS）和傳播損

2、耗。2研究意義為了最小化由相鄰標簽引起的數(shù)據(jù)沖突，本文提出了一種基于時分（TD）技術(shù)的防沖突算法。在TD技術(shù)中，每個標簽的響應(yīng)都是通過特定的時間間隔進行區(qū)分的，這個時間間隔對應(yīng)于這個特定的時間間隔。因此，數(shù)據(jù)幀被分成幾個時隙，每個時隙被分配給各個標簽，并且讀取器可以按時間順序讀取所有標簽。此外，本文中考慮的數(shù)據(jù)幀包括前導(dǎo)碼幀，其有助于信道估計，信噪比（SNR）估計，同步等。在RFID應(yīng)用中，TD方法需要使用相同的時隙對標簽進行分組，以便它們只在特定的時間間隔內(nèi)傳輸。在本文中，我們將提出的TD方法與常規(guī)方法的性能進行比較，而不考慮干擾抑制和抗沖突技術(shù)以及基于黃金碼序列的CDMA技術(shù).本文的其余部

3、分安排如下。第3節(jié)描述了RFID碰撞問題，并討論并分析了以前與碰撞問題有關(guān)的一些工作。在第4節(jié)中，我們將介紹本研究中使用的接收信號模型的細節(jié)。在第5節(jié)中，我們介紹了針對單個讀取器的抗沖突問題的TD解決方案，最后，在第6節(jié)，我們得出結(jié)論。3RFID碰撞問題在本節(jié)中，我們將討論RFID碰撞的類型和以前的相關(guān)工作。3.1RFID碰撞的類型RFID標簽信號引起的干擾是RFID系統(tǒng)的常見問題。由于讀卡器和標簽通常使用相同的通道，來自多個標簽的同時傳輸會導(dǎo)致沖突。碰撞被分類為讀寫器，讀寫器到標簽和標簽到標簽的碰撞。3.1.1讀者閱讀器碰撞當相鄰讀卡器同時詢問相同頻帶中的特定標簽時，會發(fā)生讀寫器沖突。此外，

4、當標簽在一個讀取器的可讀范圍內(nèi)并且另一個讀取器的干擾范圍時，來自后一讀取器的信號可能會干擾來自標簽的返回信號。Colorwave中更詳細地討論了讀者與讀者的沖突。3.1.2讀者到標簽的碰撞當標簽從不同的讀者收到多個并發(fā)查詢時，會發(fā)生讀寫器到標簽的沖突（標簽干擾）。這個問題可以通過給附近的讀者分配不同的頻道來解決。3.1.3標簽到標簽的碰撞當多個信號同時到達讀卡器時，會發(fā)生標簽到標簽沖突，從而防止其詢問區(qū)內(nèi)所有標簽的可靠檢測。圖1中示出了這種情況，其中標簽（T1，T2，T3和T4）同時向單個讀取器發(fā)送信號，從而阻止讀取器正確識別特定標簽。沒有防沖突協(xié)議，這些標簽的數(shù)據(jù)不僅會在讀卡器上發(fā)生沖突，從

5、而降低其識別率，而且還會導(dǎo)致浪費帶寬和能量。3.2相關(guān)作品的碰撞問題RFID是一種準確的物體識別系統(tǒng)，商業(yè)上用于檢測和管理與各種物品有關(guān)的信息。然而，工業(yè)應(yīng)用RFID的大規(guī)模接受度低于預(yù)期，這主要是由于環(huán)境因素，多徑衰落等以及標簽碰撞問題等幾個問題。標簽沖突問題通常是由于讀寫器與標簽之間缺乏適當?shù)膮f(xié)調(diào)而發(fā)生的。從標簽到讀取器的反向散射響應(yīng)可能與相鄰標簽相沖突，這最終掩蓋了讀取器正確讀取標簽ID。在本文中，我們專注于具有多個標簽的環(huán)境中的單個讀取器的問題。此外，我們專注于RFID技術(shù)在智慧圖書館的實際應(yīng)用。通常，在施工現(xiàn)場，存在大量標簽對象。因此，同時提高對象識別性能并最大限度地降低運營成本是非

6、常重要的。近來開發(fā)的RFID系統(tǒng)已經(jīng)使用了各種多址技術(shù)，例如空分多址（SDMA），頻域多址（FDMA），時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），這被稱為擴頻。3.2.1SDMA協(xié)議SDMA在空間插槽中重復(fù)使用某些資源（信道容量）。SDMA協(xié)議使用電子控制定向天線或多個讀取器分離信道，以識別標簽。然而，這種方法的缺點包括高實現(xiàn)成本，需要設(shè)計復(fù)雜的天線系統(tǒng)，并且僅限于少數(shù)專門應(yīng)用。另一方面，F(xiàn)DMA不同于對應(yīng)答者的不同頻率的傳播，這導(dǎo)致了對讀者的影響。這需要復(fù)雜的接收者，因為必須為每個接收信道提供專用接收機。雖然CDMA對于多個標簽表現(xiàn)出良好的性能，但是它要求在傳輸之前將它們的數(shù)據(jù)乘以偽隨機噪

7、聲（PN）序列。相反，TDMA防沖突算法在每幀中分配幾個時隙來解決沖突問題。3.2.2 TDMA防沖突技術(shù)TDMA防沖突技術(shù)是最受歡迎的RFID讀寫器抗碰撞技術(shù)，它在色波算法中被使用，每個讀卡器選擇一個隨機時隙來傳輸數(shù)據(jù)。TDMA防沖突方法按時間順序劃分參與者之間的總可用信道容量。其程序被分類為同步讀取器驅(qū)動和異步標簽驅(qū)動。在閱讀器驅(qū)動的過程中，在特定的時間間隔，首先使用特定算法從一組標簽中選擇一個單獨的標簽，然后在所選標簽和讀取器之間進行數(shù)據(jù)通信鏈接。另一方面，通過標簽驅(qū)動程序，標簽通過在讀取器的存在下發(fā)送其ID而向讀取器通知。前者和后一個程序也分別被稱為讀取器通話（RTF）和標簽通話（TT

8、F）。與RTF相比，TTF相對較慢，無法實現(xiàn)。對于RFID系統(tǒng)中的防沖突算法，Abramson的招聘訪問邏輯（ALOHA）協(xié)議和二叉樹算法是基于確定性和概率方法的，被廣泛使用。用于超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)的大多數(shù)標準是將抗沖突算法的二叉樹搜索稱為確定性方案，因為每個屋頂?shù)饺~子路徑表示唯一的標簽ID，并且可以同時檢索所有完全搜索所有分支后的ID。另一方面，ALOHA抗沖突算法通常被稱為概率方案，其中每個標簽ID將具有成功檢索的概率。3.2.3基于樹的防沖突算法endprint基于樹的防沖突算法使用虛擬樹通過迭代地查詢不同級別的標簽的子集來讀取讀取器的讀取范圍內(nèi)的所有標簽數(shù)據(jù)，并且標簽ID基于

9、它們的預(yù)定義分發(fā)。根是要標識的一組標簽，中間節(jié)點表示碰撞標簽組，葉片表示單個標簽響應(yīng)。它們被進一步分類為樹分裂（TS），查詢（QT），二進制搜索（BS）和逐位仲裁（BTA）。在TS協(xié)議中，使用隨機數(shù)生成器對多個響應(yīng)標簽進行分組。另一方面，QT協(xié)議將樹信息存儲在讀卡器中。讀者用位串預(yù)測符廣播查詢，然后將其與標簽ID的前綴匹配，之后具有匹配預(yù)處理的標簽以讀取器的ID為響應(yīng)查詢。這個過程一直持續(xù)到只有一個標簽響應(yīng)。這克服了使用TS生成隨機數(shù)的問題，降低了成本和計算復(fù)雜度。在BS中，通信由讀取器發(fā)送標簽的序列號開始。然后將序列號與其ID進行比較。在該協(xié)議中，如果標簽的等級不等于用戶名，則通信是可能的。

10、不需要上述協(xié)議，BTA通過請求標簽來從最重要的位逐位回應(yīng)到其ID的最不重要的位。3.2.4ALOHA協(xié)議ALOHA協(xié)議是概率方法，其中信號在幀內(nèi)的隨機時隙內(nèi)進行響應(yīng)以識別標簽。在不同的基于ALOHA的協(xié)議中，幀時隙ALOHA（FSA）和動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA）在RFID系統(tǒng)中最常用，因為它們可以降低標簽之間的沖突概率。在FSA中，讀取器確定幀大小和時隙的實際持續(xù)時間，并且標簽使用整個時隙集合中的隨機時隙（總時隙和幀大小被固定）。因此，在讀寫器詢問區(qū)中，對于少量的標簽，存在因空槽而浪費的問題，對于大量的標簽，存在沖突問題。FSA的這個缺點由DFSA部分解決。在DFSA中，當大量插槽相撞時

11、，讀卡器會將一個插槽的插槽數(shù)量相加。類似地，當存在許多空插槽時，閱讀器將減少一個幀大小的時隙數(shù)量。在DFSA中，在估計每幀結(jié)束后的剩余標簽數(shù)量的情況下，調(diào)整下一幀的大小，而不對當前幀內(nèi)的理想時隙和相關(guān)時隙進行任何操作。因此，在這些時隙期間讀者的請求時間被浪費。因此，如果我們嘗試減少請求時間，則可能會增加標簽沖突的可能性。4基于TD的RFID防碰撞在本節(jié)中，我們提出了一種有效和簡單的防碰撞RFID系統(tǒng)，特別是智能圖書館管理系統(tǒng)技術(shù)。這種施工技術(shù)的目標是通過重復(fù)利用和回收先前標簽降低施工成本并提高施工速度。在這種情況下，我們需要使用簡單協(xié)議的低成本RFID系統(tǒng)，與ALOHA系統(tǒng)或基于金碼的系統(tǒng)不同

12、，它應(yīng)該具有良好的防沖突性能。在本文中，我們提出了一種基于TD方法的簡單有效的RFID系統(tǒng)。所提出的RFID標簽使用特定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，并且該時隙被固定。在標簽附于圖書之前，標簽根據(jù)其時間段進行分組（請注意，組數(shù)可以根據(jù)圖書的數(shù)量確定）。當將具有特定時隙的標簽附加到圖書時，應(yīng)該管理它們，以避免同一組中的標簽位于鄰居中。例如，如果第一組的標簽連接到特定的圖書，則屬于其他組的標簽應(yīng)連接到相鄰的圖書。管理RFID標簽位置的這個過程很簡單，因為圖書通常在同一地點相對長的一段時間，直到圖書被借走，并且圖書在另一個人借走中重新使用。雖然我們在本文中重點介紹了在智能圖書館管理系統(tǒng)應(yīng)用所提出的RFID系統(tǒng)，但它

13、可能適用于物體相對較長時間放置在同一地點的其他區(qū)域，如存儲，工業(yè)場所等安裝了各種設(shè)備。所提出的防碰撞RFID算法著重于涉及單個手持式讀取器和多個標簽的情況。除了通過將標簽分配給先前分配的時隙以傳輸數(shù)據(jù)外，還能夠有效地降低由于其他標簽引起的沖突的概率，它還采用簡單的RFID協(xié)議進行單向通信。這種簡單的RFID協(xié)議可能會降低實施成本，因為RFID標簽使用固定的特定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算過程，這與基于金碼或ALOHA的防碰撞RFID系統(tǒng)不同。請注意，金碼防碰撞RFID標簽需要重要數(shù)量的數(shù)值運算，包括乘法和加法，而ALOHA技術(shù)需要自適應(yīng)資源處理，用于在數(shù)據(jù)幀內(nèi)分配時隙。4.1考慮干擾信

14、號的RFID信號功率模型在RFID系統(tǒng)中，一旦標簽被來自讀取器的發(fā)射功率供電，所選擇的標簽開始響應(yīng)于讀取器。由于從RFID標簽散射的調(diào)制信號受到來自其他標簽的噪聲和干擾信號的影響，所以由等式（1）和（2）給出的PFID讀取器處的接收信號由感興趣的調(diào)制后向散射信號，噪聲和干擾信號。在讀取器處，可用于其接收天線的可用功率量由下式給出其中PR接收機dB是讀取器的接收機天線接收的功率，GR接收機是讀取器處的接收機天線的增益（其等于讀取器處的發(fā)射機天線增益），a是RF標簽的RCS，這對于系統(tǒng)級效率和可靠性很重要28（35），29。RFID標簽的橫截面積可以寫成方程式（8）和（9）表明無源RFID系統(tǒng)的總

15、能耗取決于從讀寫器傳輸?shù)綐撕灥墓β?。由于這些方程式表示可以通過維持讀取器天線處的功率來調(diào)整標簽與讀取器之間的有效距離r，所以無源RFID標簽的全反向散射功率和詢問范圍取決于讀取器的發(fā)送功率水平。在我們的計算機模擬中，我們使用了上述的RFID信號功率模型。4.2基于TD的RFID反碰撞方案為了抑制來自周圍多個RFID標簽的干擾信號，我們提出了一種基于TD技術(shù)的防沖突方法，該方法在特定時隙上分配標簽信息。在讀卡器到標簽通信期間，讀取器將發(fā)送功率Pr的載波信號發(fā)送到它們的詢問區(qū)內(nèi)的一組任意多個標簽。如果讀取器接收到的功率大于從標簽接收到的最小功率，這被稱為讀取器靈敏度，則從標簽到讀取器的數(shù)據(jù)傳輸可能

16、是可能的。當讀卡器接收到的能量高于激活閾值時，讀卡器的覆蓋區(qū)域中的所有標簽隨后被激活，并將其識別信息發(fā)送給具有PR接收器功率的讀取器。如果測量的PR接收機值高于激活閾值，則發(fā)送信號對發(fā)送其有效載荷是有效的。相反，如果測量值低于激活閾值，則發(fā)送信號不能有效地發(fā)送其有效載荷并且數(shù)據(jù)傳輸可能失敗。在所提出的RFID系統(tǒng)中，當使用特定時隙的特定標簽將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀取器時，使用其它時隙的其他標簽不傳輸任何數(shù)據(jù)，而是保持其順序。由于標簽根據(jù)輪轉(zhuǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，在讀卡器中，與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，能夠有效地抑制來自其他標簽的干擾信號，并提高了通信的可靠性，因為它們對于多個標簽具有低讀取能力，因為它們沒有干擾抑制或

17、防碰撞技術(shù)。圖2示出了基于二進制相移鍵控（BPSK）的標簽處的發(fā)送信號和讀取器處的接收信號的示例，其使用具有獨立數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)的恒定載波信號幅度，并且有助于提供穩(wěn)定的功率傳輸無線通信。在圖中，為了解釋所提出的系統(tǒng)，我們假設(shè)每個標簽采用唯一的時隙。盡管在實際系統(tǒng)中，一些標簽可以被分配到相同的時隙中，但與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，其他標簽的干擾信號被有效地抑制。我們通過執(zhí)行計算機模擬來討論基于TD的所提出的RFID系統(tǒng)的干擾抑制性能。endprint4.3基于TD的RFID防碰撞數(shù)據(jù)架構(gòu)在本小節(jié)中，我們提出一種基于TD的有效數(shù)據(jù)架構(gòu)來防止RFID沖突。在這里，我們在RFID數(shù)據(jù)幀中分配了特定的時隙，以

18、及用于前導(dǎo)數(shù)據(jù)和有效載荷的固定數(shù)量的數(shù)據(jù)位。在特定時間間隔內(nèi)，讀取器識別來自特定標簽的數(shù)據(jù)比特，其由隨后有效載荷的前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)組成。為了防止同一個讀寫器詢問區(qū)中的標簽之間的沖突，特定的時間間隔將保留給特定的標簽。前導(dǎo)碼和有效載荷的功能總結(jié)如下。4.3.1前導(dǎo)碼在有可能阻止我們準確檢測到所需信號的噪聲和干擾環(huán)境中，前導(dǎo)碼有助于防止信號檢測的性能下降。因此，前導(dǎo)數(shù)據(jù)用于信道估計，SNR估計，同步等。在讀取器的接收機處，應(yīng)該獲得有效的信道和SNR估計，以便能夠準確地檢測來自RFID標簽的傳輸數(shù)據(jù)和估計分別在詢問區(qū)中的標簽數(shù)量。此外，由于標簽使用特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，所以提出的RFID方法需要完美的同步。在本文中，我們假設(shè)在讀取器的接收器處執(zhí)行信道估計，SNR估計和同步。假設(shè)有四個標簽每個采用唯一的時隙，圖3顯示了所提出的防碰撞RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)。在該系統(tǒng)中，在發(fā)送有效載荷之前，使用圖中的第1個時隙發(fā)送第1個標簽