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射频识别空中接口协议的多标签清点研究

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摘要:本文对目前两个主流的射频识别空中接口国际标准和我国自主设计的空中接口标准在多标签清点性能上进行了分析对比,给出了国标的创新技术和设计思路,分析了三种标准在多标签清点过程中出现的问题,并通过软件仿真方式对多标签清点性能进行了分析,国标的清点性能总体优于EPC和ISO18000-6B。

关键词:射频识别;防碰撞算法;中国标准

一、引言

射频识别应用系统通常由射频标签、读写器以及数据交换中间件、应用系统等组成。其中,空中接口协议是射频识别系统最核心的关键技术,它规定了读写器与标签之间的通信过程,后端系统通过控制读写器实现对标签的识别、读、写等过程。空中接口协议可分为物理层和MAC层两部分,物理层定义了阅读器与标签之间接口的物理参数,MAC层规定了阅读器与标签之间的操作过程和命令。由于射频识别在应用过程中,存在大量多标签应用的场景,就是在同一个读写器的通讯场中,同时有多个标签,为了实现对标签的识别,需要进行标签清点,这就需要用到射频识别中的多址接入技术——防碰撞算法。影响多标签清点效果的不仅仅是防碰撞算法,还有标签应答结构、空中接口时序、状态机等其他因素,本文重点考虑防碰撞算法部分。

二、算法介绍

(一)GB算法特点和设计思路在国标的防碰撞算法中,采用的是二叉树算法作为设计基础,主要的考虑是:二叉树算法与ALOHAL算法的对比看,二叉树算法效率较高。而且在标签数量未知的情况下,二叉树算法可以比较准确的计算出清点是否结束,而ALOHAL算法因为散列无规律,结束判断相对准确度低。在二叉树算法的基础上,增加了以下几个算法来提高整体防碰撞的清点性能:→预先分裂算法:在标准二叉树算法中,发生碰撞后只有时隙计数器为0的标签进行分裂,其他标签不进行分裂。在清点开始阶段,由于标签的时隙计数器都是从0开始进行分裂,所以当标签数量较多的时候,会发生大量的碰撞,造成效率低下。而预先分裂算法主要是为了解决标签数量较多的情况,在清点过程中,连续几个时隙都发生碰撞的情况下,就说明大量标签集中在一起,需要对标签进行快速散列,此时就发送分散命令,在对时隙计数器为0的标签进行分裂的同时,对其他标签也同时进行分裂,这样就能提高分裂的效率,减少碰撞时隙的数量。→收缩算法:在采用预先分裂算法后,对标签集中的情况会有改善,但是也会带来一定的影响,可能会出现大量空闲时隙,造成整体清点性能的下降,因此采用收缩算法来减少空闲时隙,就是在连续的空闲时隙后进行收缩,这样原来因为预先分裂而带来的大量空闲时隙就可以同时去掉,不用每次都用Success命令来清点,减少了空闲时隙,提高了清点效率。→重新分裂算法:在标准二叉树算法中,当两个标签时隙计数器都为0,就会发生碰撞,此时读写器就会发送Fail命令,使得两个标签进行分裂,两个标签生成随机数,有25%的概率对同时生成1,那么在下一个时隙应答的时候就是空闲时隙,读写器会发送Success命令使所有标签计数器减一,这两个标签就又会变成0,再次发生碰撞,因此中间的Success命令实际上就是无效的操作,会白白浪费时间,降低清点效率。因此在发生碰撞后,如果下一个时隙无标签应答,那么就可以判断除发生碰撞的标签在进行分类的时候都生成了随机数1,也就是说,原来时隙计数器为0的所有标签已经变成时隙计数器为1,这些标签还是重叠在一起,无法清点,所以此时就可以直接对计数器为1的标签进行分裂,以便省去Success命令控制的空闲时隙。在增加了上述这些算法后,GB的清点性能优于EPC和6B的清点性能,本文会进行具体分析。

(二)性能比较在射频识别多标签清点方面,最主要的评价指标是清点速度,也就是说单位时间内能够完成标签清点的数量。

1.测试方法对比三种标准的防碰撞算法,采用了软件平台仿真测试。就是在PC平台上利用仿真工具进行建模,模拟读写器和标签之间的空口交互命令过程,记录下读写器的每个命令和标签的应答情况,从而分析计算得到清点效率,之后对每个命令、应答占用的时间和相互时间间隔进行统计,得到一次清点的标签数量和总体的清点时间,计算出清点速度的数据。标签数量从10到1000,增加间隔为10,仿真次数为1000次。由于清点速度与清点过程中的通信链路时序相关,与多个参数相关,因此在进行软件仿真的时候,考虑到三种标准的前向编码不同,为了满足中国国家无线电委员会对无线频谱的要求,前向编码的最小脉冲都按照12.5us来设定,保证带宽一致,反向速率全部选择128kbps。

2.清点速度清点速度是指在清点过程中,单位时间内系统清点标签的数量,按照下面公式计算:总体的清点速度是对每次清点的速度进行统计平均,结果如下:三个标准的清点速度对比图如下,从图中可以看出,GB清点速度最高,EPC其次,6B最慢。通过分析上述清点速度的结果,发现主要影响清点速度的因素包括清点效率、前反向数据速率等,尤其是前向数据速率,GB为45.71kbps,6B为40kbps,EPC为32kbps,为了对比防碰撞算法的优劣,规避前向数据速率的影响,又按照前向速率和反向速率都为40kbps的统一值进行仿真,结果如下:清点速率的仿真对比图如下,从图中可以看出,结果与前一个仿真结果一样,GB清点速度最高,EPC其次,6B最慢。但是差距已经缩小。图2三个标准防碰撞算法前反向速率都为40的清点速度仿真结果对比图

三、结语

综上所述,在多标签清点性能上,GB/T29768提出的防碰撞算法能够有效提高清点效率和清点速度,相比EPC和ISO18000-6B有明显的提高,性能表现优异。

参考文献:

[1]ISO18000-63:Parametersforairinterfacecommunicationsat860MHzto960MHzTypeB.

[2]EPCglobalClass-1Generation-2UHFRFIDProtocol.

[3]GB/T29768-2013信息技术射频识别800/900MHz空中接口协议.

作者:张姝妹 杜彦芳 单位:天津普维软件科技有限公司

射频识别空中接口协议的多标签清点研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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