讀寫(xiě)器抗沖突問(wèn)題研究

1 讀寫(xiě)器的干擾
讀寫(xiě)器的沖突是指由一個(gè)讀寫(xiě)器檢測到，并且由另一個(gè)讀寫(xiě)器所引起的干擾。它主要有三種表現形式。

(1)讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之問(wèn)的干擾
當一個(gè)讀寫(xiě)器發(fā)射較強的信號與一射頻標簽反射回的微弱信號相干擾時(shí)，就引起了讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之間的干擾，其示意圖如圖1所示。讀寫(xiě)器R1位于讀寫(xiě)器R2干擾區。從射頻標簽Tl反射回的信號到達讀寫(xiě)器R1，很容易被讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號干擾。這種干擾即使兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍沒(méi)有重疊也有可能產(chǎn)生。

(2)多讀寫(xiě)器到標簽問(wèn)的干擾
當多個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)閱讀同一個(gè)標簽時(shí)引起了多讀寫(xiě)器到標簽間的干擾，如圖2所示，兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍重疊。從讀寫(xiě)器Rl和R2發(fā)射的信號可能在射頻標簽Tl處產(chǎn)生干擾。在這種情況下，標簽T1不能解密任何查詢(xún)信號并且讀寫(xiě)器R1和R2都不能閱讀T1。因為讀寫(xiě)器沖突，讀寫(xiě)器Rl能閱讀標簽T2和T3，但是不能閱讀標簽Tl，因此，讀寫(xiě)器R1指示兩個(gè)射頻標簽存在而不是3個(gè)。

(3)讀寫(xiě)器沖突使載波偵聽(tīng)無(wú)效
另外一種讀寫(xiě)器沖突的情況如圖3所示。兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍沒(méi)有重疊，但讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號與讀寫(xiě)器R1發(fā)射的信號在標簽T處干擾。這種情況同時(shí)發(fā)生在兩個(gè)讀寫(xiě)器不在相互偵聽(tīng)范圍內時(shí)，使射頻識別網(wǎng)絡(luò )中載波偵聽(tīng)無(wú)效。

除了誤操作，讀寫(xiě)器沖突同時(shí)使射頻識別系統總的閱讀速率減慢，而且這些問(wèn)題在移動(dòng)或手持式讀寫(xiě)器中更加嚴重。因此，減少讀寫(xiě)器沖突是必須的。

2 相關(guān)工作和研究
2．1 讀寫(xiě)器沖突的主要特點(diǎn)
讀寫(xiě)器沖突主要有下列特點(diǎn)：
①隱藏節點(diǎn)問(wèn)題是讀寫(xiě)器沖突問(wèn)題的一個(gè)方面。兩個(gè)讀寫(xiě)器不在相互偵聽(tīng)范圍內而在標簽處干擾時(shí)，使射頻識別網(wǎng)絡(luò )中正常的載波偵聽(tīng)無(wú)法工作。
②當多個(gè)讀寫(xiě)器詢(xún)問(wèn)／發(fā)射的信號在某射頻標簽處沖突時(shí)，該點(diǎn)的信號會(huì )變得非常雜亂并且射頻標簽不能再接收任何讀寫(xiě)器詢(xún)問(wèn)／發(fā)射的信號。
③所研究的射頻標簽是被動(dòng)式標簽，因此標簽本身既不能調整也不能主動(dòng)與讀寫(xiě)器通信以避免沖突。射頻標簽是在被讀寫(xiě)器詢(xún)問(wèn)信號激活后才能通信。

2．2 相關(guān)的多址機制
常用的多址機制不能直接應用在射頻識別系統中，因為：
①FDMA。FDMA方式中，讀寫(xiě)器使用不同的頻率和射頻標簽通信。由于射頻標簽沒(méi)有頻率調諧電路，因此射頻標簽不能選擇一個(gè)特定的讀寫(xiě)器與其通信。如果射頻標簽增設頻率調諧電路功能，將大大增加射頻標簽的成本，因此FDMA不適合應用在射頻識別系統中。
②TDMA。TDMA方式中，讀寫(xiě)器被分配不同的時(shí)隙，以避免讀寫(xiě)器同時(shí)詢(xún)問(wèn)／發(fā)送射頻信號。這類(lèi)似于圖論中的圖形著(zhù)色問(wèn)題，是一個(gè)NP-hard問(wèn)題。在移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò )中，沒(méi)有干擾的讀寫(xiě)器因為移動(dòng)靠近而出現干擾，需要重新分配時(shí)隙。動(dòng)態(tài)的分配時(shí)隙減小了RFID系統閱讀速率。
③CSMA。RFID網(wǎng)絡(luò )，像其他的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )一樣，存在隱藏節點(diǎn)問(wèn)題。讀寫(xiě)器不在互相偵聽(tīng)范圍內在標簽處發(fā)生干擾，因此僅僅依靠載波偵聽(tīng)無(wú)法避免RFID網(wǎng)絡(luò )中的沖突問(wèn)題。
④CDMA。CDMA需要在射頻標簽上增設額外的電路，大大增加了標簽的成本，并且分配碼給所有網(wǎng)絡(luò )中的標簽是一件非常復雜的工作。因此CDMA不是一種成本低且有效的方案。

2．3 相關(guān)的抗沖突機制
常見(jiàn)的抗沖突協(xié)議，如RTS-CTS，不能直接應用在RFID系統中，因為：
①傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，只有一個(gè)節點(diǎn)回發(fā)CTS信號給發(fā)送者。然而在RFID系統中，如果讀寫(xiě)器廣播發(fā)送一RTS信號，所有在讀寫(xiě)器閱讀范圍內的標簽都得回發(fā)CTS信號給發(fā)送者讀寫(xiě)器。這需要給這些CTS信號設計另外的抗沖突機制，將使這種協(xié)議更加復雜。
②有可能因為沖突，一些標簽(如T1)沒(méi)有接收到RTS信號而另外一些標簽(如T2)接收到了RTS信號。在這種情況下，從T2回發(fā)的CTS信號不能確定在讀寫(xiě)器的閱讀范圍內沒(méi)有沖突。如何確定讀寫(xiě)器接收了在其閱讀范圍內的所有標簽的CTS信號，對于讀寫(xiě)器是否存在沖突是非常重要的。

2．4 相關(guān)的讀寫(xiě)器抗沖突方法
2.4.1 UHF第二代標簽標準
UHF第二代標簽標準是由EPCglobal制定的。該標準把讀寫(xiě)器和射頻標簽的信號傳輸分割開(kāi)，這樣沖突只能在標簽與標簽間或者讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器問(wèn)發(fā)生。這種分割使讀寫(xiě)器和射頻標簽信號在不同的頻道上傳輸，解決了讀寫(xiě)器問(wèn)的干擾。然而，標簽沒(méi)有頻率選擇性。因為當兩個(gè)讀寫(xiě)器用不同的頻率同時(shí)與標簽通信時(shí)，標簽不能調諧到特定的頻率．所以會(huì )在標簽處發(fā)生沖突。因此該標準仍存在多讀寫(xiě)器到標簽間的干擾。

2.4.2 Colorwave算法
Colorwave算法是一種基于TDMA分布式算法。該算法規定每一個(gè)讀寫(xiě)器從0到maxColors中隨機選擇一個(gè)時(shí)隙(顏色)傳輸數據。如果發(fā)生了沖突，讀寫(xiě)器選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)，并且發(fā)送一個(gè)kick(較小的控制包)給它所有鄰近的讀寫(xiě)器，告訴它們它選擇了一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)。如果鄰近的讀寫(xiě)器有同樣的時(shí)隙(顏色)，它重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)并發(fā)送一個(gè)kick。這樣一直繼續下去。這種轉換和駐留的動(dòng)作就被稱(chēng)為kick。每一個(gè)讀寫(xiě)器跟蹤當前的時(shí)隙是什么顏色。

Colorwave算法要求在讀寫(xiě)器之間時(shí)間同步，同時(shí)假定讀寫(xiě)器能夠檢測到RFID系統中的沖突。然而，僅僅用一個(gè)讀寫(xiě)器檢測在標簽處發(fā)生的沖突是不可行的，除非標簽也參加沖突檢測，并且讀寫(xiě)器移動(dòng)將會(huì )重新分配時(shí)隙，重新分配的時(shí)隙傳播整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，將會(huì )導致整個(gè)系統的無(wú)效。

2.4.3 ETSl EN 208標準
ETSI EN 208是一個(gè)為RFID讀寫(xiě)器開(kāi)發(fā)的標準，它基于CSMA協(xié)議的“先聽(tīng)再說(shuō)”。讀寫(xiě)器首先在一特定的小時(shí)間段里偵聽(tīng)數據通道里任何正在進(jìn)行的通信。如果在那段時(shí)間里，數據通道空閑，它將閱讀標簽；如果通道忙，它隨機選擇一段退避時(shí)間。然而，正如前面所講，讀寫(xiě)器僅僅依靠載波偵聽(tīng)不能檢測到?jīng)_突。

2.4.4 Q學(xué)習算法
Q學(xué)習算法提出了一種HiQ、多層、在線(xiàn)的學(xué)習算法。該算法通過(guò)學(xué)習讀寫(xiě)器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫(xiě)器，動(dòng)態(tài)地解決RFID系統中讀寫(xiě)器的沖突問(wèn)題。Q學(xué)習算法多層結構如圖4所示。讀寫(xiě)器發(fā)送沖突消息給讀寫(xiě)器級服務(wù)器層(R-Server)。然后單個(gè)的R-server然后分配資源給它的讀寫(xiě)器，這樣的方式可使它們之間的相互通信不出現干擾。R-Server通過(guò)Q學(xué)習服務(wù)器(Q-server)被分配到頻率和時(shí)隙。根Q-server具有所有頻率和時(shí)隙資源的全部知識，并且能分配它們。Qserver不像R-Server一樣，沒(méi)有單個(gè)讀寫(xiě)器問(wèn)約束關(guān)系，這種關(guān)系通過(guò)該層下面的服務(wù)器之問(wèn)的相互作用來(lái)推斷。

這種方法如果應用在RFID系統中，將存在下面的問(wèn)題：
①協(xié)議保持多層結構需要額外的管理開(kāi)銷(xiāo)。
②對于移動(dòng)的讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構不確定的變化將會(huì )改變Q學(xué)習算法的多級結構。這就需要重新分配時(shí)隙，將花去更多的時(shí)間并使系統無(wú)效。
③Q學(xué)習假定讀寫(xiě)器的沖突檢測不在讀寫(xiě)器相互的偵聽(tīng)范圍內。然而，并不是所有的沖突都能檢測到，這將導致協(xié)議的不正確操作。
④使用時(shí)隙需要所有的讀寫(xiě)器同步，這種同步將是整個(gè)系統的額外開(kāi)銷(xiāo)。
綜上所述，這些讀寫(xiě)器抗沖突方法不適合具有移動(dòng)讀寫(xiě)器的RFID網(wǎng)絡(luò )系統。因此，必須尋求一種具有實(shí)際意義且有效的適合各種情況的RFID系統。

3 一種減少讀寫(xiě)器沖突的新算法
3．1 新算法的提出
在設計讀寫(xiě)器抗沖突協(xié)議時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素就是射頻標簽是被動(dòng)式的，因此不能參與抗沖突；同時(shí)任何增加給標簽的新功能都將增加標簽的成本。因此希望尋求一種標簽不參與的抗沖突協(xié)議。

RFTD網(wǎng)絡(luò )存在隱藏節點(diǎn)問(wèn)題，如圖5所示。R1和R2不在相互的偵聽(tīng)范圍內，但是在T處從讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號與從讀寫(xiě)器R1發(fā)射的信號發(fā)生干擾。在這種情形下，R1和R2間需要一個(gè)通知機制。這樣，當Rl和T正在通信，R2被通知R1的通信，因此R2可以延遲與射頻標簽的通信。我們把這種通過(guò)廣播形式發(fā)送的消息稱(chēng)為“信標”。當一個(gè)讀寫(xiě)器正在與射頻標簽通信時(shí)，它將周期性地在一個(gè)獨立的控制通道里發(fā)送信標。

控制通道的通信范圍，指任何兩個(gè)讀寫(xiě)器在相互的數據通道(該通道用來(lái)閱讀標簽)干擾，能夠在控制通道通信。圖5中盡管讀寫(xiě)器R1和R2相互在數據通道干擾，但它們將在控制通道通信。這是通過(guò)在控制通道比數據通道發(fā)射更高的功率達到的?？刂仆ǖ朗荝FID頻譜中除那些用作讀寫(xiě)器與標簽間通信的頻譜外的子頻帶。因此，在控制通道上的傳播不影響任何在數據通道上正在進(jìn)行的通信。數據通道被用作讀寫(xiě)器與標簽之間的通信，而控制通道被用作讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之間的通信。假定讀寫(xiě)器能夠同時(shí)接收控制通道和數據通道上的信號。

3.2 新算法信標的幀格式
新算法只為讀寫(xiě)器設計，因為射頻標簽不參與抗沖突活動(dòng)。信標的幀格式如下：

①幀類(lèi)型，指示該數據包是信標數據。它可以分割成幀類(lèi)型和序列號，序列號指明將被發(fā)送的信標的數量。
②源地址，包括發(fā)射信標的讀寫(xiě)器的地址。在該結構中信標沒(méi)有目標地址，因為信標是在控制通道廣播發(fā)送。
③CRC檢驗，用來(lái)檢測錯誤和校正，是數據包循環(huán)冗余檢驗部分。

3．3 新算法的工作流程和步驟
圖6為該算法的工作流程圖，主要包括下列步驟：

①讀寫(xiě)器在與射頻標簽通信前，必須在等待狀態(tài)至少等待tmin時(shí)長(cháng)。該時(shí)長(cháng)等于3倍的信標間隔時(shí)間。時(shí)長(cháng)tmin類(lèi)似于802．11算法DIFS時(shí)間。在該狀態(tài)，讀寫(xiě)器每接收到一個(gè)信標，它重新復位等待時(shí)長(cháng)為tmin。
②讀寫(xiě)器如果在時(shí)長(cháng)tmin消耗完了還沒(méi)有接收到任何信標，讀寫(xiě)器推斷出在其附近沒(méi)有其他的讀寫(xiě)器在閱讀標簽。于是讀寫(xiě)器進(jìn)入競爭階段，并且從時(shí)間間隔[OACW]中選擇一隨機退避時(shí)間。如果它選擇i，那么讀寫(xiě)器必須在競爭狀態(tài)等待i個(gè)信標時(shí)間間隔時(shí)間。如果讀寫(xiě)器現在接收到一個(gè)信標，它就丟失現在的周期，在下一個(gè)周期等待。例如在tmin時(shí)長(cháng)接收到了信標，它將在下一個(gè)tmin時(shí)長(cháng)等待。如果隨機退避時(shí)間結束，讀寫(xiě)器還沒(méi)有接收到信標，該讀寫(xiě)器就認為沒(méi)有其他的讀寫(xiě)器和它競爭，因此該讀寫(xiě)器就在控制通道上發(fā)送信標，并且在數據通道上和標簽通信。該隨機退避時(shí)間幫助讀寫(xiě)器問(wèn)避免產(chǎn)生沖突。否則，許多其他讀寫(xiě)器在等待時(shí)長(cháng)tmin后會(huì )同時(shí)發(fā)送信標。隨機退避時(shí)間是多倍的信標間隔長(cháng)，提高了競爭的公平性。
③當讀寫(xiě)器與標簽通信時(shí)，讀寫(xiě)器在控制通道上每隔一信標間隔時(shí)長(cháng)發(fā)送一個(gè)信標。該信標通知鄰近的讀寫(xiě)器，以便阻止它們與標簽的通信，這樣避免了沖突。在與標簽通信結束后，讀寫(xiě)器重新回位到等待狀態(tài)，繼續余下的周期。
④每次讀寫(xiě)器發(fā)送一信標，它首先檢測控制通道。如果控制通道忙，就一直檢測下去。一旦檢測到控制通道空閑，讀寫(xiě)器就等待一隨機延遲并再一次檢測通道和發(fā)送信標。該隨機延遲是多倍的信標傳播延遲，以避免沖突。否則，許多讀寫(xiě)器在信道空閑時(shí)會(huì )同時(shí)發(fā)送信標。算法中的競爭延遲及發(fā)信標前延遲與通常的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的退避相似。一旦控制通道檢測到空閑競爭延遲和發(fā)信標前延遲，計數器減少；當檢測到發(fā)送時(shí)，計數器停止計時(shí)；當控制通道檢測到空閑后，計數器重新計數。并且，如果讀寫(xiě)器在競爭階段的退避期間接收到信標，它就會(huì )存儲余下的退避計算時(shí)間等待下一次機會(huì )。例如，在tmin時(shí)間內讀寫(xiě)器接收了信標，當讀寫(xiě)器重新進(jìn)入競爭階段時(shí)，讀寫(xiě)器利用余下的退避時(shí)間。這樣做的目的是提高讀寫(xiě)器間的公平。

4 結論
分布式讀寫(xiě)器抗沖突算法，通過(guò)在控制通道上周期地發(fā)送信標來(lái)達到抗沖突的目的。與CSMA機制相比，它可以降低讀寫(xiě)器沖突1％～2％，提高讀寫(xiě)器的閱讀速率高達98％。它需要讀寫(xiě)器較少的花銷(xiāo)，完全不需要射頻標簽參與抗沖突。該算法同時(shí)還適合移動(dòng)或手持式閱讀器的射頻網(wǎng)絡(luò )，具有重大的實(shí)用價(jià)值。