應急物資管理射頻標簽優化編址技術與仿真

文/李競

應急物資管理射頻標簽優化編址技術與仿真

文/李競1,2

射頻標簽 (RFID tag)又稱電子標簽，在跟蹤、物流、應急物資管理等領域已得到廣泛應用。其中，用于解決射頻讀寫器作用范圍內多標簽識別的射頻標簽防碰撞方法是該領域的重要研究點。目前學術界對射頻標簽防碰撞問題集中于對算法本身的研究，一般沒有考慮射頻標簽編碼策略的因素。本文對采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行比較研究。本文進一步提出，在射頻標識系統設計和射頻標簽編址策略的具體選擇過程中，需要綜合考慮射頻標簽識別吞吐率、數據庫訪問瓶頸等多種關鍵因素，全面優化射頻標識系統的性能。本文的研究成果具有較高的現實指導意義。

射頻標簽 防碰撞 編址策略 應急物資管理 計算機仿真

1 研究背景和概述

射頻標簽 (RFID tag)又稱電子標簽，在跟蹤、物流、物資管理等領域已得到廣泛應用，例如:圖書館門禁系統，交通收費，倉儲管理、貨架管理以、應急物資管理及食品安全溯源等。其中，用于解決讀寫器作用范圍內多標簽識別情景下的射頻標簽識別防碰撞方法已成為該領域的重要研究點。

射頻標簽的防碰撞方法主要是為了解決在射頻標簽識別設備的有效通信區域內，當多個射頻標簽同時與識別設備進行通信時產生的地址沖突問題。目前學術界對射頻標簽防碰撞問題集中于對算法本身的研究，一般沒有考慮射頻標簽編碼策略的因素。本文對采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行比較研究。通過模擬仿真可以得出結論，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”策略更高的射頻標簽識別吞吐率。而“層次化編址”策略也有其優勢，一是現有的商用射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；二是“層次化編址”本身可以直接提供商品廠家、類型等信息。因此，研究針對“層次化編址”策略的射頻標簽防碰撞算法、以及研究“層次化編址”策略的應用場景是下一步的研究方向。

圖1：EPC-64定義的三種物品編址方法

2 射頻標簽編碼策略分析

2.1 射頻標簽國際標準協議采用的射頻標簽編碼協議

在較早版本的射頻標簽國際標準協議（如ISO 18000-6 Type B）中，射頻標簽的地址是固定的。而在較新的射頻標簽國際標準（如ISO 18000-6 Type C）集中，用戶可以根據需要優化定制射頻標簽編址策略。隨著RFID技術的發展，在許多應用領域中，需要更加靈活的射頻標簽國際標準，因此本文研究采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略時，對射頻標簽識別吞吐率的影響，為射頻識別系統優化設計和新的射頻標識標準科學制定提供參考。

2.2 層次化編址策略與隨機編址策略

作為“層次化編址”策略的一個例子，EPC（Electronic Product Code）即電子產品編碼，是一種編碼系統。它建立在EAN.UCC（即全球統一標識系統）條型編碼的基礎之上，并對該條形編碼系統做了一些擴充，用以實現對單品進行標志。 EPC編碼由版本號、產品域名管理、產品分類部分和序列號四個字段組成。 EPC編碼根據地址長度的不同又分為EPC-64,EPC-96等多種編碼方法，如圖1所示。EPC-64是目前得到行業支持較廣泛的一種EPC編碼方法，又分為TYPE-I,TYPEII,TYPE-III三種實現方案。較新的射頻標簽國際標準ISO 18000-6 Type C也在協議的層面上對EPC提供了支持。

“隨機編址”策略，顧名思義，就是對每一個射頻標簽隨機生成和分配一個地址。隨機生成的地址僅做標簽識別，沒有具體的意義，可以在后臺數據庫中與產品類型、廠商品牌等其他信息進行關聯。

3 基于計算機仿真的射頻標簽編碼策略比較研究

3.1 射頻標簽編碼策略計算機仿真

本文開發了射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真軟件，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行計算機模擬。在仿真過程中，射頻標簽防碰撞算法采用經典的QT算法。射頻標簽地址長度為64bit。對于“層次化編址”策略，采用EPC-64 TYPY-I規范，對“隨機編址”策略，采用隨機生成的方式生成射頻標簽地址。

射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真參數的選擇基于現實的射頻標簽讀取場景，包括超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。這兩種場景的共同點是每種場景下系統都需要考慮兩個數量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已經入庫且分配了射頻標簽的物品總數量，Nlocal表示射頻標簽閱讀器某一次讀取操作中需要讀取的射頻標簽數量。在超市個人結算場景下Nlocal大約在數十個的數量級，在大型倉儲區貨架管理場景場景下Nlocal大約在數百個的數量級。而Ntotal可能在幾萬至幾十萬的數量級。在本文的模擬過程中，Ntotal取值為10000至100000，每隔10000計算一個模擬數值。而Ntotal取20和200兩個數值，分別模擬超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。

圖2：不同編碼策略下射頻標簽讀取前綴匹配次數

3.2 不同射頻標簽編址策略仿真結果

由圖2左側圖可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取20個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略時，射頻標簽閱讀器只需發起50次左右前綴匹配。而采用EPC-64 TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起400次左右前綴匹配。由圖3右側圖表可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取200個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略情況下，射頻標簽閱讀器只需發起不到600次左右前綴匹配。而采用EPC-64 TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起800至1500次前綴匹配。

3.3 仿真結果分析與進一步的研究方向

通過上文的仿真結果，可以得出結論：采用隨機編址策略，射頻標簽閱讀器可以通過發起更少的射頻標簽前綴匹配操作，完成射頻標簽匹配讀取任務，射頻標簽識別吞吐率由于“層次化編址”策略。出現這種情況的原因是因為，在使用隨機編碼編址情況下，射頻標簽間的地址是低相關性的，標簽地址沖突只會出現在射頻標簽地址前幾位。而采用層次化編址策略情況下，射頻標簽間的地址是高相關性的，在不同策標簽地址層次分段上，都有可能產生射頻標簽地址讀取沖突。

雖然從射頻標簽讀取效率的角度講，“隨機編址”策略，優于“層次化編址”策略，然而簡單放棄“層次化編址”策略并非最終的解決方案。第一個原因是而現有的射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；第二個原因是“層次化編址”策略本身比“隨機編址”策略直接提供了關于產品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面幾個方面：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法。二是從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。例如某應用需要通過掃描射頻標簽獲得產品信息，就需要從系統的角度考慮是直接采用包含產品信息的“層次化編址策略”更加優化，還是采用“隨機編址”策略，然后從數據庫讀取產品信息更加優化。

4 結論

射頻標簽又稱電子標簽，是一種得到廣泛應用的物品單元自動識別通信技術。本文根據射頻標識技術的最新發展，在射頻標簽地址優化編碼技術方向上開展研究與仿真。模擬結果表明采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”更高的射頻標簽識別吞吐率。下一步的研究方向包括：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法；二是面向應用，綜合考慮射頻標簽識別算法吞吐率、數據庫訪問瓶頸等多種關鍵影響因素，從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。本文的研究成果具有較高的現實指導意義。

[1]J.H.Choi,D.Lee,Y.Youn,H.Jeon, and H. Lee,“Scanning based pre-processing for enhanced RFID tag anti collision protocols,”in International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT), (Bangkok, Thailand),2006.

[2]D.Klair,K.Chin & R.Raad,"A survey and tutorial of RFID anti-collision protocols",IEEE Communications Surveys & Tutorials,vol.12,(03)pp. 400-421,2010.

[3]張予帥,蔣泰,蘇平,羅義學,肖煌.ISO 18000-6 Type B與Type C標準的分析與比較[J].廣西科學院學報,2009(04)：336-339.

[4]F.Zhou,C.Chen,D.Jin,C.Huang,and H.Min,“Evaluating and optimizing power consumption of anti-collision protocols for applications in RFID systems,”in Proc.2004 international symposium on Low power electronics and design,pp.357-362,2004.

[5]李競.生活必需品現場保障數據系統的設計與實現[J].中國安全生產科學技術,2014(11)：94-100.

作者單位
1.中國安全生產科學研究院 北京市100012
2.重大危險源監控與事故應急技術國家安全監管總局安全生產重點實驗室 北京市100012

李競（1979-），男，河北省承德市人。碩士學位。現為高級工程師。主要研究方向為信息技術在應急指揮、應急救援與應急保障方向的應用。

●基金支持本研究受到下列基金支持： 1、國家科技支撐計劃“城鎮生命線系統安全運行與應急處置技術研究與示范”（2015BAK12B01-2）；2、中國安全生產科學研究院基本科研業務費專項資金項目“區域安全生產重大事故情景構建及模擬演練系統研發”（2016JBKY02）。