多读写器防碰撞优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：所以，该标准中仍然存在着多读写器对标签的碰撞。而目前对RFID读写器发生碰撞的问题，还没有付诸实际的成形的优化算法。

1.什么是多读写器碰撞

随着RFID系统大规模的应用，越来越多的场景需要建设RFID读写器网络来监视整个覆盖区域。此时多个读写器之间可能互相干扰，也可能识读范围之间有重叠，而在相互重叠的区域的相互影响就更加严重。

总之，凡是一个读写器受到另外的读写器的干扰而不能与其读写范围内的标签正常进行通信的问题都属于读写器碰撞问题。

2.多读写器防碰撞的算法分类

实际应用中要解决好读写器的碰撞问题，在设计RFID系统时就要力求使得读写器碰撞的次数和频率最小化。基本思想就是利用各种方法把可能产生碰撞的读写器在时间域或频率域上分开，或者两者结合。这些算法按照不同的归类方法可分为不同的种类：

集中式和分布式：集中式算法适用于读写器网络结构变化很小的系统，读写器一般都会把读到的数据发给一个中央控制计算机，由这台计算机来完成数据的分析和管理，所以可以用这台计算机来安排读写器的操作。分布式算法则是由单个读写器来根据自己的一定约束条件来决定执行下一步的操作。

静态和动态算法：信道和时间的分配方案不能随时改动的算法叫静态算法；信道和时间的分配方案能随时改动的算法为动态算法。

实时和非实时算法：信道和时间的分配方案在系统运行之中实时确定的成为实时算法；信道和时间的分配方案在系统运行之前就已经定下来的算法称为非实时算法。

3.多读写器防碰撞的算法概述

美国麻省理工学院自动识别研究中心的研究人员为了解决读写器碰撞问题提出了Colorwave算法。该算法基于时分多址技术（TDMA），是最早的解决读写器碰撞的方法之一。在Colorwave算法中，必须先构建一个读写器碰撞的网络，然后把读写器碰撞问题降级为经典着色问题（Classic Colo-ring Problem）。该算法要求所有读写器之间同步，同时还要求所有的读写器都可以检测RFID系统的碰撞。

印度的研究人员Shailesh M.Birari和Sridharlyer提出了PULSE算法，PULSE是另外一种TDMA算法。在PULSE中，通信信道分为两个独立的信道：数据信道和控制信道。控制信道发送忙音，用于读写器之间的通信；数据信道用于读写器和标签之间的通信。PULSE算法实现起来比较简单，适合动态拓扑变化比较频繁的网络。

LBT（Listen Before Talk）是基于CSMA的算法，根据在ETSI EN302 208中的定义，这是一个随着RFID读写器的发展而不断更新的标准。像CS2MA一样，在LBT中，读写器在询问标签之前，先侦听数据信道一段时间，以判断信道中有无通信。EPC Class1 Gen2 UHF标准用了一种基于频分多址技术（FDMA）的算法。它把读写器的传输和标签的传输分开处理，这样标签只和标签碰撞，不会和读写器碰撞，同样读写器只和读写器碰撞，不会和标签碰撞。但是，当两个读写器在不同的频率下和同一个标签同时通信时，将会出现标签的碰撞。所以，该标准中仍然存在着多读写器对标签的碰撞。

Q-Learning是一个分等级的在线学习算法：学习读写器碰撞模型，在时隙内有效地分配频率，动态地解决碰撞。该算法有一个分级结构，所以会带来额外的资源开支。Q-Learning假设读写器有侦测碰撞的能力，在其动态算法中提出了怎样在读写器密集的环境中侦测碰撞。这种结构不完全适合一般的RFID应用。现有的几种成熟的防碰撞算法都能有效地在射频区域内把多个标签识别出来，但是识别的速度都是不太理想的。尤其当射频区域内标签数比较多的时候，防碰撞处理所需时间甚至是不可以忍受的。而目前对RFID读写器发生碰撞的问题，还没有付诸实际的成形的优化算法。

Naive Sending算法中，每个读写器只有在需要的时候才发送一个读写器询问命令（Reader Tag-Inventory Request）。不管是发生了读写器和读写器的碰撞，还是读写器和标签的碰撞，碰撞的读写器必须重新发送询问命令（或者是任意时间，或者是固定时间）。

Random Sending算法是Naive Sending的改进算法。在该算法中，发送（Sending）和再发送（Re-Sending）的随机化可以减少发生碰撞的概率。如果读写器在发送阅读命令之前，后退一个随机的时间间隔，碰撞的概率会降低。假设两个读写器都独立地选择等待时间，则发生读写器碰撞的概率会很低。文献介绍了一种基于分布式RFID读写器网络的防碰撞算法，即构建分布式的、自组建的覆盖网络（Overlay Network），使其中的读写器利用对等计算技术（Peer-to-Peer Computing Technology），不通过中央控制单元就可以直接交换信息，从而更好地协同工作，解决在密集RFID读写器环境中的读写器碰撞问题。

4.多读写器模式规定与防碰撞

EPC global Class1 Gen2标准中关于多读写器模式的规定有两处，一个是传输规范（Transmit Mask），另一处是密集或多读写器工作环境下的信道使用规定。

在传输规范中，规定了两种多读写器工作环境，分别为多读写器环境和密集读写器环境。在这两种不同的环境下有两种不同的传输规范，分别规定了读写器信号的功率谱分布，以减少临道或其他信道上同时工作的读写器的干扰。

信道使用规定中，介绍了频率分配计划和时分多路转换法，都分别针对特定的规定环境，最大限度地减少或消除读写器与标签的冲突。欧洲单信道规定，读写器与标签只能用半双工的方式来工作，而读写器只能用时分复用（TDM）方式来避免干扰。在欧洲多信道规定下，读写器和标签分别工作在偶数信道和奇数信道，从而避免其他读写器对目标读写器接受标签应答信号的干扰。在美国多信道规定下，读写器和标签也是在频谱上分开。读写器的工作载频位于信道中间，而标签的应答信号在信道的边界。读写器不需要同步，并且可以采用调频的工作方式。在频率分配计划中允许标签和读写器分别工作在两个信道，从而消除读写器到读写器的干扰和减弱读写器到标签的干扰。

多读写器防碰撞优化方案

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