面向物聯(lián)網(wǎng)的RFID系統(tǒng)防碰撞技術(shù)研究

張燕寧++杜輝++楊洪雪

摘 要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極為迅速。從技術(shù)發(fā)展的根源來看，物聯(lián)網(wǎng)這一概念是繼計算機產(chǎn)業(yè)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)以后的第三次技術(shù)革命發(fā)起時出現(xiàn)的，標志著信息革命浪潮的再一次掀起。實際上，物聯(lián)網(wǎng)體系內(nèi)外的安全架構(gòu)的建設(shè)并不是一蹴而就的，針對用戶的服務(wù)同樣不是一勞永逸的，需要在實踐過程中進行調(diào)整，尤其是有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽沖突問題，相關(guān)研究領(lǐng)域一直在探究有效解決這一問題的方法。該文就物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法加以剖析，詳細解讀物聯(lián)網(wǎng)射頻沖突問題的改善措施，以期為相關(guān)領(lǐng)域的實踐應(yīng)用帶來有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) RFID標簽 技術(shù)研究 防沖突方法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0029-02

在現(xiàn)代社會，需要采取新型RFID標簽識別技術(shù)來提升物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的科學特性及相關(guān)的實踐應(yīng)用效能，并深入探索在二進制樹確定性算法支撐下的沖突解決辦法與采用ALOHA算法降低RFID標簽發(fā)生沖突的概率這兩項物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法。從目前的情況來看，物聯(lián)網(wǎng)RFID多目標標簽識別沖突的情況時有發(fā)生，需要采取行之有效的方法來對其進行適當調(diào)整，以增強基于RFID標簽識別技術(shù)的實踐應(yīng)用實效。

1 物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法綜述

RFID射頻識別技術(shù)被公認為是本世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，已經(jīng)得到業(yè)界以及科研領(lǐng)域的高度重視。從總體來看，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，RFID技術(shù)在實際應(yīng)用的過程中，當RFID閱讀器輻射的范圍內(nèi)存在多個目標需要識別時，就出現(xiàn)了標簽沖突問題。RFID標簽防沖突的方法又要有兩種模式：一種是，采用二進制樹搜索方法來解決確定性RFID標簽沖突；另一種是，采用ALOHA算法來降低隨機RFID標簽發(fā)生沖突的概率[1]。另外，從項目研究的角度來看，對這兩種方式的探究都是為日后改善物聯(lián)網(wǎng)射頻閱讀器沖突問題的解決做鋪墊。

1.1 射頻識別技術(shù)（RFID）概述

射頻識別技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，亦可被稱為非觸式的自動識別技術(shù)。在實踐過程中，在無需識別系統(tǒng)與指定目標之間直接接觸便可以通過無線電訊號來識別或讀寫信息數(shù)據(jù)，該技術(shù)的應(yīng)用范圍較為廣泛[2]。無線電的信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標簽上傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發(fā)出的電磁場中就可以得到能量，也有標簽本身擁有電源，并可以主動發(fā)出無線電波[3]。但同時也存在一個較為特殊的情況，那就是當有多個電子標簽進入到一個或者多個閱讀器的感應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)時，閱讀器就會與多個電子標簽發(fā)生同時通訊連接，從而使被感應(yīng)到的無線通信信號相互干擾，造成局部讀取信息混亂，最終可能導(dǎo)致閱讀器沒有辦法讀取到準確的目標數(shù)據(jù)信息，在理論上，將這種現(xiàn)象歸于“沖突”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)研發(fā)背景

一段時期以來，我們在各個零售商品的實體店環(huán)境中，隨處可見用以識別物品條形碼的設(shè)備，該物件的應(yīng)用替代了以往以人工操作來識別商品的模式，但就從目前市面上所使用的掃碼設(shè)備來看，設(shè)備的使用存在一定局限性，如讀取速度較慢，適應(yīng)性較弱等。同樣，二維碼技術(shù)雖然具備條形碼技術(shù)所不具備的儲存信息量大的優(yōu)勢，但需要進行人工識別，同樣存在一定的缺陷，不完全符合大部分應(yīng)用領(lǐng)域的實際需求。在將RFID系統(tǒng)研究的相關(guān)內(nèi)容付諸于實踐的過程中，出現(xiàn)了上文所提及的閱讀器無法接受正確信息的狀況，即數(shù)據(jù)獲取“沖突”。為了避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)對實際應(yīng)用產(chǎn)生較為嚴重的影響，RFID系統(tǒng)定義了一系列當“沖突”發(fā)生時的操作方法，并將其定義為物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法。近幾年，各類IT技術(shù)升級換代的速率較以往更快，用戶對網(wǎng)絡(luò)的安全性要求也在不斷提升，信息共享與傳播隨處可見，獲取大數(shù)據(jù)成為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)發(fā)展的主要手段，而且，各實踐領(lǐng)域?qū)τ谛畔⒆R別精準度也有一定的要求。在種種復(fù)雜的情形之下，我們更要清醒地認識到，構(gòu)建面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的安全架構(gòu)的重要性，讓新科技以及有效的信息資源為我們服務(wù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法解析

在實踐過程中可以明顯感覺到，RFID射頻識別技術(shù)雖然具備遠距離掃射、識別速度快等特點，但其防沖突能力仍舊存在一定的局限性。為了進一步解析物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突的方法，則要針對射頻識別技術(shù)進行探討。在現(xiàn)代人的日常生活中，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用頻率越來越高，安全平臺的搭建迫在眉睫，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要一個穩(wěn)定持久的安全系統(tǒng)平臺來鞏固其地位。

2.1 時分多址復(fù)用內(nèi)容概述

實際上，對于系統(tǒng)要求低、功耗低的普通RFID系統(tǒng)而言，通常情況下，在解決物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突問題時，所采取的是時分多址復(fù)用方法。該方法的操作較為簡易，僅在時間上分配可用的信息容量給到多個用戶即可，無需對物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)進行技術(shù)上的改良。從時分多址復(fù)用方法的具體應(yīng)用特征上來看，可將其分為非確定性時分多址與確定性時分多址兩種類型[4]。一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法的本質(zhì)都是源于確定性時分多址的資源分配原理。其中，在二進制樹確定性算法支撐下的沖突解決辦法以及采用ALOHA算法降低RFID標簽發(fā)生沖突的概率這兩種方式都是基于時分多址復(fù)用。

2.2 在二進制樹確定性算法支撐下的沖突解決辦法

RFID技術(shù)不僅具備適應(yīng)性強的特點，而且可以實現(xiàn)加密與讀寫操作，所儲存的商品物件的信息也能夠在掃描商品物件時反映出來，因此，增強了多物件商品掃描的快速識別性，進而提高了多目標自動化識別的效率，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較廣。如何提高物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)的防沖突能力，有效降低其總的識別時間，改善應(yīng)用實效，則是當下諸多基于RFID技術(shù)實踐領(lǐng)域所面臨的同一難題。針對這種狀況，業(yè)界及科研領(lǐng)域在針對物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)能力的總體改進思路上達成一致，即提出一種基于電子標簽智能化的二進制樹型搜索算法。具體來說，從樹型搜索算法的不同分集方式來看，可將其再細分為基于隨機數(shù)算法與電子標簽ID算法兩種類別，其中，前者是依據(jù)時分多址復(fù)用的非確定性解決方案而來的，后者是依據(jù)時分多址復(fù)用的確定性解決方案而來的。通常情況下，二進制樹搜索防沖突算法可以解決絕大部分RFID標簽沖突問題，因其實質(zhì)上是在原有協(xié)議上進行了技術(shù)升級。基于電子標簽智能化的二進制樹型搜索算法的原理是：按照遞歸工作方式將沖突的標簽進行分類，對RFID輻射范圍內(nèi)的多目標物件進行劃歸處理，直至最終識別出目標物件[5]。在這一過程中，通過閱讀器所發(fā)出的帶有沖突信息的詢問，只有電子標簽ID符合詢問中的前綴信息的電子標簽才能進行應(yīng)答。另外，每當物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽輻射范圍內(nèi)的“沖突”再出現(xiàn)時，閱讀器便可以逐漸地在前綴后加0或1對“沖突”信息進行有效擴展，從而達到對其進行分集細化、突出目標對象的目的[6]。在研究領(lǐng)域，也有部分學者或?qū)＜裔槍ΧM制樹確定性算法進行改進，并構(gòu)建一套較為完整的數(shù)據(jù)模型驗證其效果。實踐證明，改進后的二進制樹算法較以往有著更小的閱讀器尋呼次數(shù)、更短的傳輸時延、更低的電子標簽?zāi)芎模晒^為突出。

2.3 采用ALOHA算法降低RFID標簽發(fā)生沖突的概率

發(fā)展低成本、精準度高的物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)是時下業(yè)界的主流趨勢。超高頻RFID射頻識別技術(shù)因為其識別距離遠、識別速度快、有較強的防沖突能力而被主要用在物流和供應(yīng)鏈管理上，并且得到了沃爾瑪、麥德隆和IBM等國際大公司的大力推動，發(fā)展十分迅速[7]。但實際上，在過去的一段時期里發(fā)現(xiàn)，實踐過程中RFID標簽發(fā)生沖突的概率是真實存在的，且不容小覷，否則會給相關(guān)領(lǐng)域帶來一定的麻煩，進而影響企業(yè)經(jīng)營效益。因此，可以采用ALOHA算法來降低RFID標簽發(fā)生沖突的概率，簡單來說，ALOHA算法思想來源于對數(shù)據(jù)包通信網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)流量問題的解決方案。實踐表明，該模式下的RFID標簽發(fā)生沖突的情況有所改善。從理論上來看，幀時隙（ALOHA）算法的原理相對較為復(fù)雜，涉及到很多計算問題，其主要是利用幀大小來決定時隙大小，進而降低RFID標簽發(fā)生沖突的概率。從某種程度上來看，現(xiàn)代科技的發(fā)展勢不可擋，但需要采用合理有效的安全管理措施來降低系統(tǒng)出錯概率，為廣大物聯(lián)網(wǎng)用戶保駕護航。

RFID射頻識別技術(shù)的功能極為強大，給人們的日常工作帶來了便利。經(jīng)過一段時期的研究與實踐，物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽防沖突方法定會日趨完善，而且，相關(guān)領(lǐng)域基于該技術(shù)方法的實際應(yīng)用成效也會有所改善。除此之外，由于考慮到電子標簽發(fā)生碰撞的比特位位置的不確定性，在研究以及實踐應(yīng)用過程中增加了鎖位尋呼指令，將發(fā)生“沖突”的比特位進行鎖定，在鎖定位上進行二進制樹防碰撞處理，這樣可以有效地去除尋呼過程中信息冗余的那些位，以提高系統(tǒng)的性能。這種方式同樣可以在一定程度上防止物聯(lián)網(wǎng)RFID標出現(xiàn)“沖突”現(xiàn)象，進而提升RFID射頻識別技術(shù)的整體性能，并能夠在實踐的過程中，突顯其重要價值。從現(xiàn)階段的社會環(huán)境中以及項目研究的過程中可以清楚地看到，隨著物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽價格的下降以及該技術(shù)的日益成熟，物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽的應(yīng)用正在快速地滲透到現(xiàn)代人們的日常生活與工作中，加緊了“大數(shù)據(jù)”時代的發(fā)展步伐。

3 結(jié)語

總而言之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及服務(wù)的整合是信息時代發(fā)展的必然趨勢，在實踐過程中，我們會發(fā)現(xiàn)一些問題，如類似物聯(lián)網(wǎng)RFID標簽沖突的問題等等，但這些狀況并不能成為阻礙物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的實質(zhì)性因素，而應(yīng)成為提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實踐效能的突破口。研究發(fā)現(xiàn)，解決RFID系統(tǒng)標簽沖突的方案有兩項：其一是采用二進制樹搜索方法來解決確定性RFID標簽沖突；其二是采用ALOHA算法來降低隨機RFID標簽發(fā)生沖突的概率，盡管這兩項方案的機理有所不同，但都可以在一定程度上改善物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)的發(fā)展?jié)撃埽⑻岣呦嚓P(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用成效。

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