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密集RFID网络阅读器防碰撞协议能效分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：唐立华赵建成周杰

[导读] 摘要：密集射频识别（RFID）网络中，碰撞问题是影响RFID系统读取效率的关键因素。

        （杭州凯达电力建设有限公司浙江杭州 311100）
        摘要：密集射频识别（RFID）网络中，碰撞问题是影响RFID系统读取效率的关键因素。阅读器防碰撞协议可以限制阅读器冲突，提高查询过程性能，其中集中式防碰撞协议具有较高的吞吐量，更适用于密集阅读器环境。对三种应用较为广泛的集中式防碰撞协议（NFRA协议、GDRA协议、DRCA协议）在阅读器与标签的信息传输过程进行理论分析与仿真。仿真结果表明，DRCA防碰撞协议吞吐量最大，能量效率最低，防碰撞效率最高，是在密集阅读器环境下RFID无线传感网络中解决阅读器碰撞问题的最优方案。
        关键词：RFID能耗；集中式阅读器防碰撞协议；密集阅读器环境
        1引言
        射频识别是一种灵活性能较强的非接触式无线数据通信技术。阅读器和标签是射频识别系统中最重要的两个组成部分[1]。由于大多数阅读器需要供电设备为其提供所需能量，因此在RFID系统中能耗显得尤为重要。RFID系统中，当两个阅读器发生碰撞时会导致阅读器无法正确读取，读取失败时会造成带宽下降，进而系统产生较长的延迟，在发送和接收电路中多次重新发送信息造成了大量能量消耗[2-3]。尤其是在有大量阅读器密集分布的密集阅读器环境中，阅读器碰撞问题更为严重[4]，当前已经提出了各种阅读器防碰撞协议来限制阅读器冲突并提高查询过程性能。
        对三种集中式防碰撞协议进行比较，邻域友好阅读器防碰撞协议（Neighbor friendly reader anti-collision protocol，NFRA）、几何分布阅读器防碰撞协议（Geometric distribution reader anti-collision，protocol，GDRA）、基于距离的阅读器防碰撞协议（DISTANCE based RFID reader collision avoidance protocol，DRCA）[，通过分析三种集中式防碰撞协议信息传输过程并对其进行性能仿真来研究RFID系统中阅读器防碰撞协议的时间效率和能耗控制问题。并针对密集阅读器环境选择出有效的、低功耗的阅读器防碰撞协议。
        2 三种防碰撞协议性能分析
        2.1邻域友好阅读器防碰撞协议（NFRA）
        NFRA是一种集中式防碰撞协议，通过轮询服务器来协调阅读器之间的通信。该服务器在UHF433MHz频率下通过无线链接来同步阅读器，通信时间被分为多个“识别回合”。阅读器在排列命令（Arrangement Command，AC）数据包分配的识别回合中工作。当阅读器收到AC数据包时表明新的识别回合开始。每个AC数据包包含的数字K代表竞争时隙的数量。阅读器会生成一个介于1到K之间的随机数，代表他们应该在某一时隙内工作。
        轮询服务器发送一个排序命令（Ordering Commands，OC）数据包以显示每个争用时隙的开始。OC数据包包含当前时隙的编号，阅读器必须将其生成的随机数与其进行比较。如果阅读器的编号与OC相同，则它将赢得竞争并向阅读器干扰范围内的阅读器发送信标信息B。
        2.2几何分布阅读器防冲突协议（GDRA）
        GDRA是基于NFRA的集中式防碰撞协议，它通过筛选分布概率函数而非NFRA中的均匀分布函数来最大程度地减少阅读器之间的冲突，因此GDRA具有更高的吞吐量。筛分分布能够最大程度地减少相互竞争的阅读器之间发生冲突的可能性，并使阅读器之间的交流最大化。GDRA符合EPCglobal和ETSI_EN_3020208规范，可以在真实的RFID系统中工作，而不需要额外的硬件。阅读器有两组双天线，一组用于发射，另一组用于连续接收。阅读器从位于其读取范围内的标签接收信息并定期将其发送到中央服务器。阅读器可以选取EPC-ETSI建议的频率之一。因此，有四组不同的阅读器，每组阅读器的工作频率各不相同。每组都遵循时分多址方案。阅读器与中央服务器通过Wi-Fi或以太网连接，阅读器之间发送和接收UHF频率的控制数据包。每个识别回合由竞争时隙和阅读器与标签的通信时段组成。当中央服务器将AC数据包发送给所有阅读器时标志识别回合开始。AC中的数字K表示竞争时隙的数量，当阅读器收到AC时通过筛分分布函数选择一个随机数k代表其工作的时隙。此功能最大程度地减少了争用阅读器之间的冲突概率，并增加了单个阅读器占用争用时隙的可能性。选择k后，阅读器将等待k-2个时隙无需进行任何操作。选择k=1的阅读器直接发送信标信息B并收听频道以了解信标冲突是否会发生。如果阅读器向邻域阅读器发送信标信息但未收到任何信标信息，则它将赢得竞争并获得第（k+1）个时隙与标签通信直到回合结束。如果两个或多个相邻阅读器同时发送信标，则会发生冲突，它们将离开争用时隙并选择了一个新的频率等待新的AC数据包。与标签完成通信的阅读器成功停留在该频率下，等待新的AC并开始新的竞争回合。
        2.3基于距离的RFID阅读器冲突避免协议（DRCA）
        DRCA是一种新的基于集中式的时分多址协议。它已显示出比其他现有技术协议（尤其是GDRA）更高的吞吐量。该协议通过监听频道和管理时隙的方法避免了各种类型的阅读器碰撞。与GDRA协议相似，阅读器使用随机选择时隙（k），当检测到频道内的阅读器在前一个时隙中处于忙碌状态时，阅读器将根据接收到的信号强度来估计它与占用该频道的阅读器之间的距离。如果距离足够长（大于阅读器读取范围的两倍），则阅读器会将其时隙数增加到（k+1）。选择新频道后如果频道空闲，阅读器将在新信道中读取标签。但是如果距离太短，则可能发生阅读器与标签的碰撞，它将离开该频道并等待新的回合。R1和R3都不在彼此的干扰区域内。因此，他们将在发送信标后尝试进行通信。注意，它们中没有一个在干扰范围内k=1的邻居阅读器，并且它们开始查询直到当前回合结束。R4和R6具有相同的数k=2，但它们都已从R1接收到信标消息，但因为它们与R1距离较近，所以他们应该等到轮询服务器启动新的回合并发送新的AC数据包。
        3 理论分析
        为了在密集阅读器环境中择选出有效的、低功耗的阅读器防碰撞协议，我们将对防碰撞协议的能效进行研究。为了简化并着重关注防碰撞协议的特性，仅考虑阅读器单方面的能量消耗，在计算每个阅读器的能耗时，仅考虑其阅读标签以及发送和接收控制数据包所消耗的能量。

（1）
其中，

是成功查询发送和读取标签所消耗的能量，

是发送控制数据包所消耗的能量，而

是阅读器接收控制数据包所消耗的能量。

由下式给出：

（2）
其中

是传输功率，而

是传输数据包所花费的时间，这些参数也用于计算

，因此用于接收数据包所消耗的能量如下：

（3）

                           （4）
        Ereading表示阅读器用来阅读标签所消耗的能量；Preading和treading分别代表标签读取的功率以及读取时间。系统的总能耗是根据每个阅读器消耗之和计算而来的。

                            （5）
        最后，评估每个防碰撞协议的能量效率。我们根据以下公式计算能效：

                     （6）
        能量效率定义为每个协议进行一次查询过程所需的能量。因此，能量效率最低的防碰撞协议效率最高。
        4 仿真实验
        本节通过仿真试验将邻域友好阅读器防碰撞协议（NFRA）、几何分布阅读器防碰撞协议（GDRA）和基于距离的阅读器防碰撞协议（DRCA）进行能效比较。仿真参数设定如表1所示。阅读器的型号和输出功率被视为sky mini Module M1-mini模式[14]。它们可以是固定的也可以是移动的，并且设定所有标签都是无源标签。阅读器通过使用帧时隙Aloha算法与标签进行通信，设定阅读器平均在0.46s内查询100个标签，因此所有协议参考的阅读器与标签通信时段为0.46s。阅读器的数目范围为25~100，随机分布在正方形区域内，模拟重复10次，仿真结果如图所示。
        表1 三种防碰撞协议仿真参数设定

从图1可以看出在密集阅读器环境中GDRA与DRCA协议吞吐量远大于NFRA协议，并且根据图2可以看出NFRA协议虽然具有相对较低的吞吐量，但是协议消耗能量却远大于GDRA与DRCA协议，因此NFRA协议能量效率最高。通过图3对GDRA协议与DRCA协议能量效率进行比较，可以看出，当阅读器数目较少时，DRCA协议能量效率略高于GDRA协议，当阅读器数目较多时DRCA协议能量效率低于GDRA协议，因此在密集阅读器环境中DRCA协议能量效率最低，防碰撞协议效率最高。

图1 阅读器防碰撞协议的吞吐量比较

图2 阅读器防碰撞协议的传输消耗能量比较

        图3 GDRA协议与DCRA协议的能量效率比较
        5 结束语
        对三种集中式阅读器防碰撞协议的能量效率进行比较，用以选择出在RFID无线传感网络中具有较高吞吐量，较低能效的阅读器防碰撞协议来实现阅读器与标签的高效通信。仿真结果表明，在密集阅读器环境中DRCA防碰撞协议吞吐量最大，能量效率最低，防碰撞效率最高，是在密集阅读器环境下RFID无线传感网络中解决阅读器碰撞问题的最优方案。
        参考文献：
        [1]Jia X L，Feng Q Y.An improved anti-collision protocol for radio frequency identification tag [J].International Journal of Communication Systems（S1074-5351），2015，28（3）：401-413.
        [2]张光山，张烁，张有光.基于随机时隙的 RFID 读写器防冲突方法 [J].北京航空航天大学学报，2013，39（6）：782-786.
        [3]R.Ferrero，F.Gandino，L.Zhang，B.Montrucchio and M.Rebaudengo，"Simulating Reader-to-Reader Interference in RFID Systems，" 2013 27th International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops，Barcelona，2013，pp.1063-1069.
        [4]C.Meguerditchian，H.Safa and W.El-Hajj，"New reader anti-collision algorithm for dense RFID environments，" 2011 18th IEEE International Conference on Electronics，Circuits，and Systems，Beirut，2011，pp.85-88.