一種UHF RFID多標簽處理算法的改進

齊國強 呂天劍 劉凱

摘 要：為解決UHF RFID讀寫器在大量標簽場景中快速識別效率低下的問題，分析了ISO/IEC18000-6C標準中的標簽單化識別過程，并對當前的固定時隙算法與動態(tài)調(diào)整時隙算法進行了深入研究。在此基礎上提出了自己的改進算法，并通過大量實驗測試進行推導求解，形成新的計算公式，據(jù)此實現(xiàn)Q值的動態(tài)調(diào)整。測試結果顯示，改進后的算法提高了標簽的識別效率，表現(xiàn)出良好的性能，具有一定的研究價值。

關鍵詞：UHF RFID ；Q值；動態(tài)時隙算法；識別效率

中圖分類號：TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

無源RFID（無線射頻識別技術）是一種非接觸式自動識別技術，根據(jù)頻段可分為LF RFID（125 kHz），HF RFID（13.56MHz）和UHF RFID（840～960 MHz）。其中，UHF RFID由于標簽讀取距離遠、存儲容量大、無需電池、多標簽處理能力強等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)信息識別系統(tǒng)方面的應用日益廣泛。

在物流及倉儲等應用中，由于標簽數(shù)據(jù)數(shù)量大、存放密度高，很容易引起多標簽響應沖突，導致閱讀器無法有效識別標簽數(shù)據(jù)。為了有效解決該問題，需要在讀寫器的軟件設計中使用多標簽防沖突算法，而防沖突算法的好壞將直接影響系統(tǒng)對多標簽數(shù)據(jù)的處理效率。

目前，UHF RFID國際標準分為ISO18000-6A/B/C三類，其中，ISO18000-6C協(xié)議應用最為廣泛。本文對ISO18000-6C協(xié)議中的標簽防沖突算法進行了研究，并在此基礎上做出改進，以提高UHF RFID讀寫器對多標簽的識別處理能力。

1 UHF RFID多標簽算法

ISO18000-6C協(xié)議中的防沖突算法采用基于時隙Aloha協(xié)議的防沖突算法。標簽根據(jù)讀寫器盤點命令的參數(shù)Q值劃分時隙，可隨機在某一個時隙進行數(shù)據(jù)上報，當有多個標簽選擇同一個時隙上報數(shù)據(jù)導致讀寫器無法正常解析數(shù)據(jù)時即發(fā)生沖突，為解決該現(xiàn)象，在讀寫器端使用多標簽防沖突算法。目前，讀寫器端主流的防沖突算法主要包括固定時隙算法和動態(tài)時隙調(diào)節(jié)算法。

1.1 固定時隙算法

固定時隙算法處理標簽的原理相對比較簡單，大致分為以下幾個步驟：

（1）讀寫器根據(jù)事先人為設置的標簽數(shù)量N計算出參數(shù)Q值，一般需滿足條件：2Q≤N<2Q+1，通過Q值計算得到標簽需劃分的時隙數(shù)Slots=2Q，然后將Slots值通過Query命令下發(fā)至標簽；

（2）標簽在收到Query命令中的Slots參數(shù)后，從[0，2Q-1]中隨機選擇一個整數(shù)載入其時隙計數(shù)器SC，如果SC中的時隙數(shù)為0，則標簽立即產(chǎn)生一個隨機數(shù)RN16返回應答；

（3）讀寫器正確解析標簽返回的RN16后，向標簽發(fā)出包含該RN16值的確認應答ACK；

（4）標簽收到ACK后返回包含標簽EPC數(shù)據(jù)在內(nèi)的應答幀；

（5）讀寫器收到標簽返回的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送QueryRep命令通知該標簽改變識別標志位不再參與識別過程，其他標簽的時隙計數(shù)器SC中的數(shù)值減1；

（6）當有標簽的時隙計數(shù)器SC數(shù)據(jù)為0時，返回應答RN16，并重復（3）的操作；

（7）讀寫器根據(jù)標簽識別情況或者預設時間參數(shù)判斷是否結束標簽識別過程。

1.2 動態(tài)時隙調(diào)節(jié)算法

固定時隙算法在事先預知標簽數(shù)量并且標簽數(shù)量不變的情況下可取得較好的效果，但在使用過程中，較多場合事先無法準確獲悉標簽數(shù)量或某些場合的標簽數(shù)量一直處于動態(tài)變化中，因此需要在識別過程中大致估算實時標簽數(shù)量并動態(tài)調(diào)節(jié)時隙參數(shù)，從而保證讀寫器可快速有效地識別標簽。

目前，動態(tài)時隙調(diào)節(jié)算法的主要思路是在固定時隙算法的基礎上記錄標簽的應答與沖突情況，并結合此時的參數(shù)Q值與調(diào)節(jié)的門限閾值進行對比，當計算結果大于閾值時，對當前Q值進行調(diào)整并通知標簽根據(jù)新的時隙進行識別。具體過程如下：

（1）在一輪識別過程周期內(nèi)，將通過Q值計算得到的Slots值與該輪識別過程中得到的標簽量T進行對比，同時取門限閾值為X；

（2）當T

（3）當T>Slots/X時，表明時隙數(shù)量相對于當前的標簽數(shù)量過小，需增大Q值；

（4）當Slots/（2X）≤T≤Slots/X時，表明時隙數(shù)量相對于當前的標簽數(shù)量處于合理區(qū)間內(nèi)，無需調(diào)節(jié)。

（5）根據(jù)上述步驟的判斷結果及Q值調(diào)整下一輪Query命令參數(shù)中的時隙數(shù)量。

1.3 動態(tài)時隙算法的優(yōu)化

動態(tài)時隙算法在標簽數(shù)量未知及數(shù)量不固定的場合下能夠根據(jù)標簽數(shù)量動態(tài)調(diào)節(jié)時隙數(shù)量，減少標簽識別沖突，提高標簽識別效率。從實際應用情況來看，該算法還存在一些問題，主要原因在于在一些標簽識別沖突嚴重的場合，算法對標簽量的估值存在較大偏差，導致算法判斷錯誤，因此時隙數(shù)與實際標簽量存在較大差異，雖然可通過多輪識別收集標簽量來接近真實的標簽情況，但該方法識別效率低下，且不適用標簽量動態(tài)變化較快的情況。

本文提出了一種基于動態(tài)時隙算法的優(yōu)化算法，通過讀寫器收集識別過程中各階段的狀態(tài)值，形成多層判斷條件，通過各狀態(tài)值的變化情況綜合判斷當前時隙數(shù)量與標簽量是否相符，調(diào)整Q值，從而在短時間內(nèi)迅速提高多標簽處理能力。

通過實驗測試在一定量標簽時如何選取Q值時隙數(shù)。設置三組標簽場景，使其標簽量分別為100，300，500，記錄每組實驗在不同Q值下30 s內(nèi)讀到的標簽數(shù)量，為避免實驗誤差，每個Q值測試10次，最后取平均值。經(jīng)統(tǒng)計分析可知，當Q值對應的時隙數(shù)約等于當前標簽量（即N≈Slots）時，讀寫器的多標簽處理能力最佳，同等時間內(nèi)讀取的標簽量最多。

在此基礎上進一步分析，記錄每組標簽單化過程中的狀態(tài)值，包括無應答時隙數(shù)S1，有應答時隙數(shù)S2與標簽成功識別數(shù)S3，建立公式Ns=a×S1+b×S2+c×S3。將多次統(tǒng)計記錄數(shù)據(jù)代入公式，其中Ns為每次實驗的標簽總數(shù)，據(jù)此計算求出a，b，c三個系數(shù)均值。

修改之前的Q值調(diào)整算法，過程如下：

（1）收集上一輪識別過程中的狀態(tài)值S1，S2和S3，根據(jù)公式Ns=a×S1+b×S2+c×S3求出當前標簽預估量Ns。

（2）將Ns與當前Q值對應的Slots值進行比較，將調(diào)整閾值X設為0.8，根據(jù)測試情況進行調(diào)整。

（3） 當Ns>2X×Slots時，認為當前Q值過小，需增加Q值。

（4）當Ns

（5）當X×Slots≤Ns≤2X×Slots時，表明時隙數(shù)量相對于當前的標簽數(shù)量處于合理區(qū)間內(nèi)，無需調(diào)整。

2 結 語

本文對基于ISO/IEC18000-6C協(xié)議的標簽單化過程進行了分析，對當前的多標簽固定時隙算法與動態(tài)時隙調(diào)整算法進行了研究討論，并在此基礎上進行標簽分組測試，統(tǒng)計了大量測試數(shù)據(jù)，記錄后提出了新的多標簽處理算法，已通過實驗測試對算法進行了驗證。實驗結果表明，相對于以前的多標簽處理算法，新算法可較為準確地預估當前標簽量，并在此基礎上對Q值進行動態(tài)分析調(diào)整，提高了標簽的識別效率，減少了同等標簽量情況下標簽的識別時間，對解決RFID系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的大量標簽防碰撞問題具有一定的參考價值。

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