引言

近年來，射頻識別(RFID)技術(shù)作為自動識別的新技術(shù)，憑借其諸多優(yōu)點在國際上得到迅速發(fā)展。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到識別的目的。為此,EPCglobal組織于2004年12月發(fā)布了第二代超高頻空中接口標(biāo)準(zhǔn)Class1Generation2(簡稱EPC-C1G2)。該標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率范圍是860~960MHz，主要應(yīng)用領(lǐng)域是供應(yīng)鏈、零售和資產(chǎn)管理等。在EPC-C1G2協(xié)議中，多標(biāo)簽識別是其最重要的性能之一。

超高頻RFID的優(yōu)點是可識別高速運動物體，可多標(biāo)簽識別，識別距離遠(yuǎn)可達(dá)8m，而且無源標(biāo)簽成本低和壽命長,但這些優(yōu)點也決定了它的使用難度和技術(shù)要求較高。如何快速、有效地識別出射頻場中多個標(biāo)簽，是UHFRFID的主要問題。EPC-C1G2協(xié)議在多標(biāo)簽識別方面非常靈活，并提供了多種參數(shù)和命令來解決多標(biāo)簽碰撞問題。本文根據(jù)這些參數(shù)和命令，給出了一種解決碰撞的流程，并進(jìn)行了仿真分析。

1EPC-C1G2協(xié)議的多標(biāo)簽碰撞解決方法

EPC-C1G2協(xié)議的多標(biāo)簽防碰撞機制采用時槽aloha[5-6]算法。該協(xié)議使用的多標(biāo)簽碰撞解決命令集包括Query、QueryAdjust、QueryRep、ACK和NAK。主要參數(shù)為決定時隙計數(shù)的Q值。

Query用于初始化一個盤點過程，并決定哪些標(biāo)簽參與本盤點過程(這里“盤點過程”定義為連續(xù)兩個Query命令之間的時間)。Query包含一個時隙計數(shù)參數(shù)Q。當(dāng)接收到一條Query命令時，被盤點的標(biāo)簽應(yīng)在含(0,2Q-1)范圍內(nèi)選出一個隨機數(shù)，并將這個數(shù)置入它們的時隙計數(shù)器。選到零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并立即應(yīng)答一個隨機數(shù)RN16。選到非零數(shù)的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到仲裁狀態(tài)，并等待下一條QueryAdjust或QueryRep命令。

處于仲裁和應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽，在接收一條QueryAdjust命令時，首先調(diào)整Q值(增加、減少或不變)，然后在含(0,2Q-1)范圍內(nèi)選出一個隨機數(shù)，置入它們的時隙計數(shù)器。選到零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并立即回答。選到非零值的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)移到仲裁狀態(tài)，并等待下一條QueryAdjust或QueryRep命令。

處于仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽每接收到一條QueryRep命令后,即將它們的時隙計數(shù)器減1。當(dāng)它們的時隙計數(shù)器減到0000h時，標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到應(yīng)答狀態(tài)，并應(yīng)答一個隨機數(shù)RN16。那些時隙計數(shù)器減到0000"并已應(yīng)答，但沒有得到確認(rèn)(包括對先前Query命令的響應(yīng)，而沒有得到確認(rèn))的標(biāo)簽應(yīng)返回仲裁狀態(tài)，仍有時隙值0000h，在接收到下一條QueryRep命令時,這些標(biāo)簽的時隙計數(shù)器應(yīng)從0000h減到7FFFh，從而有效地防止隨后的應(yīng)答，直到標(biāo)簽置新的隨機數(shù)進(jìn)入它的時隙計數(shù)器。在2q-1條QueryRep命令中，標(biāo)簽至少應(yīng)答一次。

假設(shè)只有一個標(biāo)簽應(yīng)答，則其查詢-響應(yīng)算法的執(zhí)行過程如下：

（1）當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)時，回答一個隨機數(shù)RN16；

（2）讀寫器用包含同樣RN16的ACK命令確認(rèn)這個標(biāo)簽；

（3）被確認(rèn)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到確認(rèn)狀態(tài)，并回答它的PC、EPC和CRC-16給讀寫器；

（4）讀寫器發(fā)送一條QueryAdjust或QueryRep命令，使被識別的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到準(zhǔn)備狀態(tài)，潛在地也初始化另一個標(biāo)簽與讀寫器的查詢-響應(yīng)對話過程，并從以上步驟(1)重新開始。

圖1所示是單標(biāo)簽的查詢-應(yīng)答過程。圖中，白色部分口表示讀寫器到標(biāo)簽的信號，帶陰影部分口表示標(biāo)簽到讀寫器的信號，而且P為命令幀頭，F(xiàn)S為命令幀同步，RN16為16b隨機數(shù)，PC為協(xié)議控制字，EPC為電子產(chǎn)品碼，CRC-16為16b循環(huán)冗余校驗碼。

如果多個標(biāo)簽或無標(biāo)簽在步驟(1)回答，而讀寫器未能分解出一個標(biāo)簽RN16,則讀寫器就從以上步驟(4)開始。圖2所示為多標(biāo)簽查詢-應(yīng)答過程。

2仿真分析

在多標(biāo)簽識別過程中，不僅要識別出所有標(biāo)簽，還要時間盡可能短。由上述識別過程可以看出，標(biāo)簽都在規(guī)定的時槽內(nèi)應(yīng)答，因此，決定時槽多少的Q值是關(guān)鍵參數(shù)，但上述內(nèi)容并沒有給出具體的Q值。本節(jié)將給出一種識別流程,并確定Q值對識別時間的影響。依據(jù)協(xié)議規(guī)定，可計算出讀寫器發(fā)送每條命令的時間和標(biāo)簽應(yīng)答的時間，這里不再贅述。

2.1固定Q值算法

時隙計數(shù)Q值在整個識別過程不改變。Q值根據(jù)可能需要識別標(biāo)簽的最大數(shù)目而定，如最多識別Nmax=30個標(biāo)簽，Q=6Log2(Nmax)+1=5。在一次識別過程中，不對發(fā)生碰撞的標(biāo)簽再次識別，因此，需要多次執(zhí)行該識別流程，才能識別所有標(biāo)簽。

2.2動態(tài)Q值算法

動態(tài)Q值算法可以根據(jù)標(biāo)簽碰撞解決過程中的情況動態(tài)地調(diào)整Q值。動態(tài)Q值算法有三個參數(shù)：Qstart、Qm,o和Qm*Qstart為起始Q值，Qm.為最小Q值，QjMx為最大Q值。在本文動態(tài)Q算法分析中，Qm,o等于0,Qmx等于15,Qstart分別等于2、4、6和8。當(dāng)讀寫器未收到標(biāo)簽應(yīng)答的隨機數(shù),或標(biāo)簽應(yīng)答的隨機數(shù)發(fā)生碰撞時，變量nrn加1。當(dāng)讀寫器未能收到標(biāo)簽應(yīng)答的EPC碼時，變量nepc加1。閾值threahold等于當(dāng)前的Q值，可以作為Q值變化的依據(jù)。圖3所示為動態(tài)Q值算法具體流程圖。

圖3動態(tài)Q值算法流程

2.3仿真曲線及分析

圖4所示為該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽識別時間與標(biāo)簽數(shù)目的動態(tài)關(guān)系圖。圖中，橫坐標(biāo)為被識別的標(biāo)簽數(shù)，縱坐標(biāo)為識別所費時間(統(tǒng)計平均時間)。

由圖4可見，起始Q值Qam取不同值時，對識別時間影響不大，因此，動態(tài)Q值算法的三個參數(shù)均可恒定。圖4中的三個圖分別是標(biāo)簽應(yīng)答數(shù)據(jù)速率(LF)為不同值時，兩種識別過程的比較?？梢?，動態(tài)Q值算法性能好的主要原因：一是變Q值識別每完成一輪(2Q—1時槽)識別后，Q值會根據(jù)標(biāo)簽碰撞的情況及時調(diào)整，因而可以節(jié)省時間；二是已被識別的標(biāo)簽不再參與下輪識別，從而加速了剩余標(biāo)簽的識別速度；三是動態(tài)Q值算法性能比固定Q值算法改善不明顯，原因是動態(tài)Q值的三個參數(shù)是恒定的，不隨待識別標(biāo)簽數(shù)變化，而固定Q值算法的起始Q值需根據(jù)實際待識別標(biāo)簽數(shù)做變化，否則嚴(yán)重影響標(biāo)簽的識別時間，特別是針對待識別標(biāo)簽數(shù)變化較大的情況,動態(tài)Q值算法更具有明顯優(yōu)勢。

3結(jié)語

一般情況下，固定Q值算法針對10個以內(nèi)標(biāo)簽盤點比較有效，如車輛管理；而動態(tài)Q值算法適應(yīng)盤點標(biāo)簽數(shù)變化較大的場合，如倉庫管理。在EPC-C1G2協(xié)議中，多標(biāo)簽識別還包括Select命令、Session會話參數(shù)和inventoried標(biāo)識等，可提供更加靈活的識別算法。如用Select命令可根據(jù)Session會話參數(shù)或標(biāo)簽數(shù)據(jù)特征將標(biāo)簽分成幾組，再分別識別每一組標(biāo)簽，每組標(biāo)簽均可采用本文算法進(jìn)行，故可滿足不同的應(yīng)用要求。

20210919_61469a716b297__一種動態(tài)Q值多標(biāo)簽識別算法的性能分析