密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)（2018新改2）

湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術(shù)學(xué)院密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)目錄1RFID閱讀器沖突及解決途徑2平面圖著色與閱讀器防沖突3閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型4仿真實驗導(dǎo)讀0RFID系統(tǒng)中的閱讀器和標(biāo)簽通信具有空間受限的特性。在某些RFID系統(tǒng)的應(yīng)用中，需要RFID閱讀器能在一個大的范圍內(nèi)的任何地方都能閱讀標(biāo)簽，因此必須在整個范圍內(nèi)配置很多閱讀器。RFID系統(tǒng)的不斷增多增加了閱讀器沖突的概率。隨著RFID應(yīng)用的不斷增長，人們逐漸重視RFID閱讀器沖突的問題，并進(jìn)行了一些研究。Daniel及Engels等最早提出了RFID閱讀器沖突問題，他們指出閱讀器沖突是一種類似于簡單圖著色的問題。隨后WMdmp和Engels等提出了一種閱讀器防沖突算法Colorwave。Colorwave是一種基于時分多址（TDMA）原理的分布式防沖突算法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的閱讀器數(shù)量比較小時該方法是有效的和可行的。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）發(fā)布的EN302208標(biāo)準(zhǔn)采用一種基于載波偵聽多路訪問（CarrierSenseMulti.Access，CSMA）原理的先偵聽后發(fā)言的方法（ListenBeforeTalk，LBT）來減少閱讀器沖突的情況。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)盡管該方法的實現(xiàn)簡單，但是可能導(dǎo)致某些閱讀器長時間無法獲得信道。EPCClass1Gen2標(biāo)準(zhǔn)闡述了采用頻分多址（FDMA）原理來避免閱讀器沖突的算法。但是由于大部分的標(biāo)簽不具備頻率分辨能力，所以在該標(biāo)準(zhǔn)中仍然存在閱讀器沖突的情況?；ヂ?lián)RFID閱讀器沖突模型（InterconnectedRFIDReaderCollisionModel，IRCM）是一種基于P2P結(jié)構(gòu)的無須中央服務(wù)器參與的閱讀器信息交互模型。閱讀器之間通過協(xié)商和調(diào)整讀取速度、讀取時間等參數(shù)來減少沖突發(fā)生的概率。盡管不需要中央服務(wù)器，但是IRCM使得閱讀器經(jīng)常陷于互相交互與協(xié)商的過程，這顯然會大大減少閱讀器的標(biāo)簽掃描時間和提高工作效率。0導(dǎo)讀密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)RFID閱讀器沖突及解決途徑011）密集閱讀器環(huán)境中的閱讀器沖突密集閱讀器環(huán)境就是指在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，在預(yù)定區(qū)域內(nèi)部署多個RFID閱讀器，以滿足對區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行完全的、高可靠的讀取要求。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中包含多個閱讀器和一個中央計算機，閱讀器與中央計算機之間一般采用局域網(wǎng)（LAN）或無線局域網(wǎng)（WLAN）方式進(jìn)行通信連接。網(wǎng)絡(luò)中的每個閱讀器通常具有不同范圍的識讀區(qū)域，各閱讀器的識讀區(qū)域可能有交集，即識讀區(qū)域有相互重疊的部分。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)RFID閱讀器沖突及解決途徑021）密集閱讀器環(huán)境中的閱讀器沖突為了便于說明，用圖7-17近似地描繪了密集閱讀器環(huán)境下的閱讀器沖突。如果兩個閱讀器的識讀區(qū)域有相互重疊，如圖7-17中的R1和R2，則當(dāng)R1、R2同時工作時，如果不采取防沖突措施，就會產(chǎn)生閱讀器沖突，甚至使整個RFID系統(tǒng)無法正常工作。每個圓圈代表一個閱讀器的識讀區(qū)域（實際應(yīng)用中的識讀區(qū)域可能為不規(guī)則形狀），圓點代表相應(yīng)的閱讀器。圖7-17密集閱讀器環(huán)境中的閱讀器沖突示意圖密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)RFID閱讀器沖突及解決途徑2）分時傳輸解決閱讀器沖突標(biāo)簽是通過電磁耦合的方式從閱讀器獲得能量的，由于獲得的能量非常有限，所以無源標(biāo)簽只具備簡單的功能而不具備區(qū)分不同頻率信號的能力。因此，RFID閱讀器的防沖突無法通過FDMA來實現(xiàn)，而只能靠TDMA方法解決?？梢詫㈤喿x器的防沖突看成閱讀器時隙分配問題。時隙分配可能的實現(xiàn)方法可分為分布式時隙控制與集中式時隙控制兩種。分布式時隙控制方法以防沖突算法Colorwave和IRCM為代表，時隙分配過程以網(wǎng)絡(luò)中的每個閱讀器為中心，各閱讀器之間相互反復(fù)通信協(xié)商來確定各自的工作時隙，發(fā)生沖突時往往通過增加新的時隙來解決，結(jié)果使得時隙分配過程較長且需要的總時隙數(shù)目多；集中式時隙控制方法幾乎不占用閱讀器的資源，通過中央計算機或服務(wù)器運行優(yōu)化算法進(jìn)行時隙分配問題的求解，這種方法求解速度快且不占用閱讀器資源。02密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)RFID閱讀器沖突及解決途徑022）分時傳輸解決閱讀器沖突采用集中式時隙控制，即根據(jù)閱讀器之間的沖突關(guān)系，由中央計算機執(zhí)行時隙分配的優(yōu)化算法。在得到時隙分配結(jié)果后，中央計算機指定各個閱讀器在分配到的時隙內(nèi)進(jìn)行讀寫操作，從而消除閱讀器沖突情況。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)平面圖著色與閱讀器防沖突RFID閱讀器沖突問題類似于一個簡單的平面圖G=(R，E)。頂點集合R是RFID閱讀器集合，即R={r1，r2，…，rn)。邊集合E描述了RFID系統(tǒng)中閱讀器之間的沖突關(guān)系。也就是說，如果閱讀器Ri和閱讀器Rj的識讀區(qū)域之間存在交集，就將頂點ri和rj用一個無向線段連接起來。據(jù)此建立圖7-17中的閱讀器沖突問題的平面圖G=(R，E)如圖7-18所示。02圖7-17密集閱讀器環(huán)境中的閱讀器沖突示意圖圖7-18閱讀器沖突問題的平面圖密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)平面圖著色與閱讀器防沖突02任意一個平面圖均可用4種顏色來進(jìn)行著色。因此，一個閱讀器網(wǎng)絡(luò)的防沖突問題即類似于一個平面圖的四色著色問題。因此，閱讀器防沖突問題可以看成閱讀器網(wǎng)絡(luò)的四時隙分配問題。這里采用基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來進(jìn)行閱讀器四時隙分配問題的求解。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型03采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求解閱讀器網(wǎng)絡(luò)防沖突問題前，需要確定網(wǎng)絡(luò)中閱讀器之間可能存在的沖突關(guān)系，即獲得平面圖G=(R，E)的邊集E。（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（2）基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型03（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型首先，為了獲得閱讀器防沖突神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)，需要建立一個二維Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造一個n×4階的矩陣v。其中，n為網(wǎng)絡(luò)中閱讀器的數(shù)目，矩陣v的每一行包括4個神經(jīng)元，代表一種時隙，4個時隙T1，T2，T3，T4分別表示為‘1000’，‘0100’，‘0010’，‘0001’，那么n個閱讀器的四時隙分配結(jié)果就可以由n×4個神經(jīng)元表示出來。n×4階矩陣密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型03n×n階對稱矩陣（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)n×n階對稱矩陣d為閱讀器沖突關(guān)系矩陣，它描述網(wǎng)絡(luò)中閱讀器之間是否存在沖突，當(dāng)閱讀器Ri和閱讀器Rj之間具有沖突關(guān)系時，dij=1，否則dij=0。對于圖7-18所示的閱讀器網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)造的閱讀器沖突關(guān)系矩陣為密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型03（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為了消除網(wǎng)絡(luò)中的閱讀器沖突問題，必須使網(wǎng)絡(luò)中存在沖突關(guān)系的閱讀器工作在不同的時隙。根據(jù)這樣的約束要求，建立如下閱讀器防沖突神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)：式中，A、B、C是常數(shù)；n×n階對稱矩陣d為閱讀器沖突關(guān)系矩陣；矩陣v是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出矩陣。（7-3）密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型03（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)二維Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)的一般表達(dá)形式：（7-4）密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)RFID系統(tǒng)的隱私威脅03（1）Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型閱讀器防沖突神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微分方程為:式中，f為神經(jīng)元的輸入/輸出函數(shù)；u為神經(jīng)元的內(nèi)部輸入；t為時間常數(shù)。解這個微分方程組就可以得到閱讀器防沖突神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效解。根據(jù)輸出矩陣的每行各個元素的值就可以確定分配給每個閱讀器的時隙。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型RFID攻擊與防范——RFID安全和隱私問題032）基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以收斂到一個穩(wěn)定的平衡解上，但會經(jīng)常陷入局部最優(yōu)。因此，在前面所建立的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上引入混沌機制和模擬退火策略，為閱讀器防沖突建立基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如下所示。式中，vxi，uxi和Ixi分別為神經(jīng)元的輸出、輸入和外部輸入偏差；wxi，yj為神經(jīng)元連接權(quán)重系統(tǒng)；I0是一個正的常數(shù)；a為比例系數(shù)；k是神經(jīng)元的退火速度系數(shù)；z(t)為自反饋權(quán)重系數(shù)，是z(t)的衰減系數(shù)。（7-10）（7-11）（7-12）（7-13）閱讀器防沖突問題的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型032）基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型式（7-12）中的z(t)(vxiI0)項起自抑制反饋作用，從而為系統(tǒng)帶來混沌狀態(tài)。而混沌具有隨機搜索的特質(zhì)，因此可以避免算法陷入局部最優(yōu)。同時為了有效地控制混沌行為，引入模擬溫度z(t)。z(t)在算法搜索過程中按照式（7-13）逐漸衰減，這樣使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過一個倒分岔過程而逐漸趨于穩(wěn)定的平衡點。當(dāng)模擬溫度衰減至趨近于‘0’時，混沌狀態(tài)消失，此后算法獲得一個較好的初值，并按照Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法繼續(xù)進(jìn)行搜索并逐漸收斂于有效解。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)仿真實驗041）仿真流程設(shè)置A，B，C，I0，ε，k，α，z(0)，β，uxi(0)等參數(shù)的值，如表7-4所示。根據(jù)式（7-10）和式（7-11）計算vxi(t)。根據(jù)式（7-3）計算能量函數(shù)E。根據(jù)式（7-12）計算uxi(t+1)。判斷能量函數(shù)是否滿足穩(wěn)定條件。如果滿足進(jìn)行步驟6，否則進(jìn)行步驟2。輸出仿真結(jié)果，即輸出v和E。uxi(0)取[0，1]區(qū)間的隨機數(shù)。密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)仿真實驗041）仿真流程參數(shù)ABCbe取值1110.020.004參數(shù)kaI0z（0）

取值0.990.0150.60.1密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)仿真實驗042）仿真結(jié)果對于圖7-13和圖7-14所示的閱讀器沖突網(wǎng)絡(luò)，用基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法經(jīng)過162次迭代后，便得到了閱讀器防沖突的時隙分配有效解。輸出矩陣的值為

如圖7-15所示為參數(shù)b=0.02時神經(jīng)元的演變過程。從圖7-19中可以看出，v11逐漸地完成由混沌過程到穩(wěn)定輸出的轉(zhuǎn)變過程。當(dāng)混沌狀態(tài)消失后，基于退火策略的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)響應(yīng)就退化為普通的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（7-14）密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)仿真實驗042）仿真結(jié)果根據(jù)vout矩陣的每行元素，得到各閱讀器的時隙分配結(jié)果如表7-5所示圖7-15神經(jīng)元的演變過程圖7-16閱讀器時隙著色分配示意圖密集型RFID系統(tǒng)閱讀器防碰撞技術(shù)仿真實驗042）仿真結(jié)果若以4種形狀分別代表時隙T1、T2、T3、T4，對圖7-14所示的閱讀器網(wǎng)絡(luò)按照表7-5的結(jié)果進(jìn)行著色填充的結(jié)果如圖7-16所示。從圖7-16可以看出，任意兩個識讀區(qū)域存在交集的閱讀器（即存在沖突約束的閱讀器）的識讀區(qū)域分別采用了不同的填充方式，由此表明了求解結(jié)果的正確性。vout盡管與式Hopfieid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的矩陣值不同，但仍然是閱讀器防沖突時隙分配問題的可行解。從圖7-20可以看出