專利名稱：一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于生產(chǎn)過程管理、供應(yīng)鏈管理、物流和運輸、分銷和零售、交通運輸控制等多個領(lǐng)域的新型個體性、非接觸式識別技術(shù)，涉及無線通信、信號與信息處理、電磁場與微波技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，尤其涉及一種提高現(xiàn)有射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法。
背景技術(shù)：
射頻識別技術(shù)(RFIDRadio Frequency Identification)是一種利用無線電傳輸實現(xiàn)物體的非接觸式識別的技術(shù)。它從20世紀90年代興起，由于其顯著的特點，與傳統(tǒng)的條碼、磁卡及IC卡相比，智能標簽具有非接觸、閱讀速度快、數(shù)據(jù)可加密、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點；同時，具有防碰撞功能的系統(tǒng)還可同時處理多個標簽，被認為可以這些技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程、物流倉儲、商業(yè)零售、商品防偽、安保及交通管理等至多領(lǐng)域，實現(xiàn)貨物、人員和動物信息的自動采集。
RFID主要由讀寫器(Interrogator/Transceiver)和智能標簽(Transponder/Tag，以下簡稱標簽)組成，讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，標簽獲得能量被激活，標簽將自身編碼等信息通過其內(nèi)置天線發(fā)送出去，讀寫器接收天線接收到從標簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收信號進行解調(diào)和解碼后，將標簽編碼等數(shù)據(jù)通過接口與上位控制計算機進行數(shù)據(jù)交換并同時可以執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令，實現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。
但在實際應(yīng)用中往往會出現(xiàn)某一時刻有超過一個的標簽同時出現(xiàn)在讀寫器的識別區(qū)域內(nèi)，它們同時向讀寫器發(fā)送其各自數(shù)據(jù)的信號，由于所有的標簽都使用同一工作頻率，這些信號在空中疊加并互相干擾，導(dǎo)致讀寫器無法準確得到各標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。這種現(xiàn)象稱為標簽碰撞(Tag Collision)。防碰撞技術(shù)設(shè)計的優(yōu)劣很大程度上決定了RFID系統(tǒng)性能，標簽碰撞是影響RFID系統(tǒng)吞吐量的決定因素，因此設(shè)計出更為有效的防碰撞方法對提高RFID系統(tǒng)的吞吐量至關(guān)重要。
ALOHA是20世紀70年代初期由美國的夏威夷大學(xué)首次提出的用于解決在地理上分散的用戶共同使用中心計算機資源的一種隨機接入技術(shù)。系統(tǒng)中的各用戶在需要時均自由地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而不管此時通信信道的“忙/閑”狀態(tài)，這樣必然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞而導(dǎo)致差錯的現(xiàn)象，因而必須進行重傳。但是發(fā)生碰撞的各用戶不能馬上進行重傳，以為這樣做就必然會繼續(xù)發(fā)生碰撞。ALOHA系統(tǒng)采用的重傳策略就是讓個用戶等待一段隨機的時間再繼續(xù)重傳，利用各用戶產(chǎn)生相同等待時間的可能性小的特點來進一步地降低再次發(fā)生碰撞的概率。如再發(fā)生碰撞，則再等待一段隨機時間，直到重傳成功為止。理論分析的結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)幀的到達服從Possion分布的條件下，ALOHA系統(tǒng)在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，吞吐量S與系統(tǒng)負載S滿足如下關(guān)系S＝G·e-2G可以看出，ALOHA系統(tǒng)的最大吞吐量僅為1/2e＝18.4％。為了提高吞吐量，可以將所有的用戶在時間上同步起來，并將時間劃分成一段段等長的時隙(Slot)，同樣記為T0；并規(guī)定和用戶只能在每個時隙開始時才能發(fā)送各自的數(shù)據(jù)幀，這樣的ALOHA系統(tǒng)稱之為時隙ALOHA或S-ALOHA。S-ALOHA系統(tǒng)在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，吞吐量S與系統(tǒng)負載S滿足如下關(guān)系S＝G·e-G顯然S-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量比ALOHA系統(tǒng)有了一定的提高，其最大的吞吐量可以達到l/e＝36.8％。
雖然S-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量有所提高，但是其與ALOHA系統(tǒng)一樣還是存在致命的缺陷，即穩(wěn)定工作條件的限制，ALOHA和S-ALOHA的穩(wěn)定工作條件分別為G＜0.5和G＜1但各系統(tǒng)的負載超過這些區(qū)域時，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致吞吐量下降，即表明成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)減少而發(fā)生碰撞的幀數(shù)增加。這種情況引起更多的重傳，因而使網(wǎng)絡(luò)負載G進一步增大。這樣惡性循環(huán)的結(jié)果，使吞吐量繼續(xù)下降直到零為止。這時，系統(tǒng)負載達到很大的數(shù)值，數(shù)據(jù)幀不斷地發(fā)送、碰撞、重傳……，但是并無有用的輸出。整個系統(tǒng)完全不能工作了。
然而，對于某些應(yīng)用環(huán)境，如超市的配貨中心或結(jié)賬柜臺，存在讀寫器需要同時處理眾多含有標簽的物品，而完成處理這些標簽的物品總的時間又不能太長，否則會導(dǎo)致物品的積壓，影響系統(tǒng)處理的效率，此時系統(tǒng)的負載往往會超過ALOHA或S-ALOHA系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，這種情況在實際應(yīng)用中是存在的但現(xiàn)有方法又無法解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法，可以動態(tài)地擴大系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍，解決當系統(tǒng)負載超過時隙ALOHA穩(wěn)定條件是導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作的問題。
技術(shù)方案本發(fā)明的一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法，在已實現(xiàn)時隙“ALOHA”接入的射頻識別系統(tǒng)中，對射頻識別系統(tǒng)中的標簽和讀卡器的生產(chǎn)工藝過程如下a.在進行標簽生產(chǎn)時，除了原有的用來存儲標簽ID號的數(shù)據(jù)區(qū)外，另外增加一個數(shù)據(jù)區(qū)，用來存放一個正交碼，而此正交碼為在事先已確定的擴頻碼組中在生產(chǎn)時隨機選擇并寫入的一個；同時，在標簽中增加相應(yīng)的擴頻電路，以實現(xiàn)標簽在進入讀卡器的識別區(qū)域內(nèi)發(fā)送自身的ID號時實際發(fā)送的是經(jīng)該正交碼擴頻的ID號數(shù)據(jù)；b.為能夠成功接收各個標簽發(fā)給讀卡器的ID號數(shù)據(jù)，在進行讀卡器的生產(chǎn)時增加一個數(shù)據(jù)區(qū)用來存儲事先確定的擴頻碼組序列和相應(yīng)的解擴電路；在系統(tǒng)已取得同步的條件下(此條件為已實現(xiàn)ALOHA方式接入的RFID系統(tǒng)所必備)，讀卡器在接收到標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)幀時，依次利用正交碼組中的每一個正交碼對所接收的已疊加數(shù)據(jù)進行解擴，對于各自選用不同正交碼且在同一時隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀的標簽，各自的ID由于經(jīng)由不同的正交碼擴頻，讀卡器利用正交碼的正交性分別解擴得出。
本發(fā)明的工作原理T0表示用戶發(fā)送單幀數(shù)據(jù)所需的時間，吞吐量(Throughput)S又稱為吞吐率，它等于在T0內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)，利用它來衡量信道的利用是否充分。顯然，0≤S≤1，而S＝1是極限情況。在S＝1時，時間幀一個接一個地發(fā)送出去，幀與禎之間沒有空隙。這種情況雖然使信道的利用最為充分，但在眾多用戶隨機發(fā)送幀的情況下是不可能實現(xiàn)的。
系統(tǒng)負載(Offered Load)G它等于在T0內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)，包括發(fā)送成功的幀和因碰撞未發(fā)送成功而重傳的幀。顯然，G≥S，而只有在不發(fā)生碰撞時，G才等于S。G可以遠大于1，例如，G＝10，表示在T0內(nèi)網(wǎng)絡(luò)共發(fā)送了10幀數(shù)據(jù)，這當然會導(dǎo)致很多的碰撞。
基于碼分的時隙ALOHA系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成如圖1所示，主要思想概述如下每個標簽中存有兩組數(shù)據(jù)其自身的ID號和在生產(chǎn)時隨機寫入的某一正交碼，標簽實際發(fā)送的信號為經(jīng)該正交碼擴頻的信號，讀寫器通過解擴得到標簽真正的ID號并利用擴頻碼的正交性來杜絕一部分的標簽碰撞以提高系統(tǒng)的吞吐量。
然而，由于標簽ID號可能的變化遠大于正交碼的數(shù)量，因而在實際中必然會有不同的標簽選用了相同的正交碼，在所有標簽取得同步的基礎(chǔ)上，這些標簽同時發(fā)送其ID號時必然還會發(fā)生碰撞，這時仍然采用Slotted-ALOHA系統(tǒng)中的隨機退避達到識別的目的。這樣在標簽中實現(xiàn)時非常簡單，僅需增加一組正交嗎和相應(yīng)的擴頻電路，對原標簽中的硬件電路改動很小。另外，所有的正交碼組事先選定且數(shù)量有限，并存儲在讀寫器中，這種考慮既為了易于在標簽中實現(xiàn)，也可降低在讀寫器中實現(xiàn)的復(fù)雜度。
鑒于其良好的自相關(guān)和互相關(guān)性，可以按實際的不同需求選用不同階數(shù)的沃爾什碼(Walsh碼)，用其在對標簽的ID號進行擴頻處理后即可實現(xiàn)在同一時刻2個以上的標簽同時進入讀寫器的識別區(qū)域，它們同時發(fā)送各自的ID號后，讀寫器在接收到這些在空間疊加后的信號時也能完整地分離出不同標簽的ID號，突破了時隙ALOHA算法在同一時刻不能有2個以上標簽到達的限制。
由于所有標簽的ID號是互異的，僅當其選用不同的Walsh碼且在同一時隙內(nèi)發(fā)送ID號才可以成功地被讀寫器經(jīng)解擴獲得，而在此時不同的標簽選用了相同的Walsh碼后仍將會導(dǎo)致標簽碰撞。顯然，當在某一時隙內(nèi)到達的標簽數(shù)為k，可供選用的Walsh碼組階數(shù)為N時，在統(tǒng)計的意義下，這k個標簽隨機選用的Walsh碼互異的平均數(shù)(即讀寫器在此時隙中可以成功解擴的平均標簽ksuccess=k*(N-1N)k-1]]>數(shù))可以由下式給出系統(tǒng)在某一時隙內(nèi)能成功解擴的標簽數(shù)的均值(即系統(tǒng)在碼分的條件下的吞吐量SC)為SC=Σk=0∞ksuccess*P]]>[當前時隙內(nèi)到達的標簽數(shù)為k]當系統(tǒng)的標簽到達為泊松過程時，在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，吞吐量SC可以由下式給出SC=GeGN]]>在不同的Walsh碼組階數(shù)N的條件下系統(tǒng)負載G與吞吐量SC的關(guān)系如圖2所示。有上式可以知道，當G＝N，吞吐量SC取最大值，即max(SC)＝N/e，即最大的吞吐量是原時隙ALOHA系統(tǒng)的N倍，即引入碼分機制后系統(tǒng)的吞吐量得到提高，這點在后面的仿真結(jié)果中也得到了證實。另外，當選用的Walsh碼的階數(shù)為16時，碼分的時隙ALOHA系統(tǒng)的吞吐量最大可達5.89，遠高于時隙ALOHA的0.368，而且隨著Walsh碼組階數(shù)的提高，吞吐量的最大值還可以提高，但這是以增加讀寫器和標簽的硬件復(fù)雜度為代價，因而在實際使用中必須根據(jù)需求在吞吐量和Walsh碼組階數(shù)做出折衷的選擇。
與時隙ALOHA一樣，當G＜N時，CS-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量SC隨著系統(tǒng)負載G的增大而增加；當G＞N以后，吞吐量呈下降趨勢，這是由于當在同一時隙內(nèi)到達的標簽數(shù)量增加到一定程度后，基于Walsh碼組階數(shù)N的有限性，選用相同的Walsh碼作為擴頻碼的標簽數(shù)量將會增加，此時必然導(dǎo)致碰撞的增加，系統(tǒng)進入不穩(wěn)定的區(qū)域。因此，在基于碼分的時隙ALOHA系統(tǒng)穩(wěn)定的條件如下式所示，可以看出CS-ALOHA系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍遠大于時隙ALOHA，而且可以通過改變N的大小來動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍。
G＜N當然，由于在實際使用中標簽的數(shù)量遠大于可被選用的Walsh碼組的數(shù)量，因而不免會有不同的標簽隨機地選用了相同的Walsh碼，當這樣的標簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)時還是會引發(fā)碰撞，此時仍然采用時隙ALOHA系統(tǒng)中的隨機退避機制，每個標簽各自延時一段時間后再發(fā)送數(shù)據(jù)，利用各標簽產(chǎn)生的隨機退避時間的不同來降低再次碰撞的概率。另外，當重傳時的隨機時延足夠長時，退避后的標簽重傳時可以認為并不影響標簽到達所滿足的泊松過程的特性。
有益效果(1)吞吐量的提高本發(fā)明可以將系統(tǒng)的最大吞吐量從時隙ALOHA的36.8％提高N倍，其中N是所選用的Walsh碼組階數(shù)；(2)較低的實現(xiàn)復(fù)雜度在標簽中實現(xiàn)本發(fā)明僅需增加一組正交碼和相應(yīng)的擴頻電路，對原標簽中的硬件電路改動很??；所有的正交碼組事先選定且數(shù)量有限，并存儲在讀寫器中，這種考慮既為了易于在標簽中實現(xiàn)，也可降低在讀寫器中實現(xiàn)的復(fù)雜度；其余與已實現(xiàn)時隙ALOHA接入的RFID系統(tǒng)均相同。
(3)系統(tǒng)穩(wěn)定工作范圍的擴大本發(fā)明可以將原時隙ALOHA系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍從G＜1提高到G＜N，并且可以通過改變N的大小來動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍。


圖1是本發(fā)明的基于碼分的時隙ALOHA系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)組成框圖。
圖2CS-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量曲線。
圖3兩系統(tǒng)的吞吐量比較。
具體實施例方式
本發(fā)明的一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法，在已實現(xiàn)時隙“ALOHA”接入的射頻識別系統(tǒng)中，對射頻識別系統(tǒng)中的標簽和讀卡器的生產(chǎn)工藝過程如下a.在進行標簽生產(chǎn)時，除了原有的用來存儲標簽ID號的數(shù)據(jù)區(qū)外，另外增加一個數(shù)據(jù)區(qū)，用來存放一個正交碼，而此正交碼為在事先已確定的擴頻碼組中在生產(chǎn)時隨機選擇并寫入的一個；同時，在標簽中增加相應(yīng)的擴頻電路，以實現(xiàn)標簽在進入讀卡器的識別區(qū)域內(nèi)發(fā)送自身的ID號時實際發(fā)送的是經(jīng)該正交碼擴頻的ID號數(shù)據(jù)；b.為能夠成功接收各個標簽發(fā)給讀卡器的ID號數(shù)據(jù)，在進行讀卡器的生產(chǎn)時增加一個數(shù)據(jù)區(qū)用來存儲事先確定的擴頻碼組序列和相應(yīng)的解擴電路；在系統(tǒng)已取得同步的條件下(此條件為已實現(xiàn)ALOHA方式接入的RFID系統(tǒng)所必備)，讀卡器在接收到標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)幀時，依次利用正交碼組中的每一個正交碼對所接收的已疊加數(shù)據(jù)進行解擴，對于各自選用不同正交碼且在同一時隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀的標簽，各自的ID由于經(jīng)由不同的正交碼擴頻，讀卡器利用正交碼的正交性分別解擴得出。
由于標簽ID號可能的變化遠大于正交碼的數(shù)量，因而在實際中必然會有不同的標簽選用了相同的正交碼，在所有標簽取得同步的基礎(chǔ)上，這些標簽同時發(fā)送其ID號時必然還會發(fā)生碰撞，這時仍然采用Slotted-ALOHA系統(tǒng)中的隨機退避達到識別的目的。這樣在標簽中實現(xiàn)需增加一組正交碼和相應(yīng)的擴頻電路。
另外，所有的正交碼組事先選定且數(shù)量有限，并存儲在讀寫器中，這種考慮既為了易于在標簽中實現(xiàn)，也可降低在讀寫器中實現(xiàn)的復(fù)雜度。
鑒于其良好的自相關(guān)和互相關(guān)性，可以按實際的不同需求選用不同階數(shù)的沃爾什碼(Walsh碼)，用其在對標簽的ID號進行擴頻處理后即可實現(xiàn)在同一時刻2個以上的標簽同時進入讀寫器的識別區(qū)域，它們同時發(fā)送各自的ID號后，讀寫器在接收到這些在空間疊加后的信號時也能完整地分離出不同標簽的ID號，突破了時隙ALOHA算法在同一時刻不能有2個以上標簽到達的限制。
為了驗證提出的思路，在MATLAB環(huán)境下得出如圖3的仿真結(jié)果。其中以Walsh碼組的階數(shù)N＝4為例，對本文提出的CS-ALOHA系統(tǒng)與傳統(tǒng)的時隙ALOHA系統(tǒng)的吞吐量進行了比較。仿真條件為標簽的到達符合泊松過程，利用到達率為G的泊松發(fā)生器產(chǎn)生。從仿真結(jié)果看，在同樣的到達率的條件下，CS-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量遠高于S-ALOHA系統(tǒng)，并且隨著到達率的增加，CS-ALOHA系統(tǒng)的吞吐量也隨之增加，并在G＝4時達到最大，當G＞4時隨著到達率的增加而減小，這就驗證了CS-ALOHA系統(tǒng)的性能且達到了預(yù)期的目的。至于仿真值與理論值的差距主要是因為在仿真中僅能選取一定長度的泊松到達序列，而這些有限長度的序列在統(tǒng)計意義上會與理論值存在誤差，而這種誤差并不能因產(chǎn)生的序列長度的增加而減小或消除，類似的情況在仿真某一標簽隨機選擇Walsh碼時也會存在。
權(quán)利要求
1.一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于在已實現(xiàn)時隙“ALOHA”接入的射頻識別系統(tǒng)中，對射頻識別系統(tǒng)中的標簽和讀卡器的生產(chǎn)工藝過程如下a.在進行標簽生產(chǎn)時，除了原有的用來存儲標簽ID號的數(shù)據(jù)區(qū)外，另外增加一個數(shù)據(jù)區(qū)，用來存放一個正交碼，而此正交碼為在事先已確定的擴頻碼組中在生產(chǎn)時隨機選擇并寫入的一個；同時，在標簽中增加相應(yīng)的擴頻電路，以實現(xiàn)標簽在進入讀卡器的識別區(qū)域內(nèi)發(fā)送自身的ID號時實際發(fā)送的是經(jīng)該正交碼擴頻的ID號數(shù)據(jù)；b.為能夠成功接收各個標簽發(fā)給讀卡器的ID號數(shù)據(jù)，在進行讀卡器的生產(chǎn)時增加一個數(shù)據(jù)區(qū)用來存儲事先確定的擴頻碼組序列和相應(yīng)的解擴電路；在系統(tǒng)已取得同步的條件下(此條件為已實現(xiàn)ALOHA方式接入的RFID系統(tǒng)所必備)，讀卡器在接收到標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)幀時，依次利用正交碼組中的每一個正交碼對所接收的已疊加數(shù)據(jù)進行解擴，對于各自選用不同正交碼且在同一時隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀的標簽，各自的ID由于經(jīng)由不同的正交碼擴頻，讀卡器利用正交碼的正交性分別解擴得出。
全文摘要
一種提高射頻識別系統(tǒng)吞吐量的方法是一種用于生產(chǎn)過程管理、供應(yīng)鏈管理、物流和運輸、分銷和零售、交通運輸控制等多個領(lǐng)域的新型個體性、非接觸式識別技術(shù)，該方法為每個標簽中存有兩組數(shù)據(jù)其自身的ID號和在生產(chǎn)時隨機寫入的某一正交碼，標簽實際發(fā)送的信號為經(jīng)該正交碼擴頻的信號，讀寫器通過解擴得到標簽真正的ID號并利用擴頻碼的正交性來杜絕一部分的標簽碰撞以提高系統(tǒng)的吞吐量；該方法可以動態(tài)地擴大系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍，解決當系統(tǒng)負載超過時隙ALOHA穩(wěn)定條件是導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作的問題。
文檔編號H04L12/413GK1776705SQ20051012260
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者胡愛群, 梁彪, 秦中元 申請人:東南大學(xué)