应急物资管理射频标签优化编址技术与仿真

文/李竞

应急物资管理射频标签优化编址技术与仿真

文/李竞1,2

射频标签 (RFID tag)又称电子标签，在跟踪、物流、应急物资管理等领域已得到广泛应用。其中，用于解决射频读写器作用范围内多标签识别的射频标签防碰撞方法是该领域的重要研究点。目前学术界对射频标签防碰撞问题集中于对算法本身的研究，一般没有考虑射频标签编码策略的因素。本文对采用经典的QT射频标签防碰撞算法情况下，分别使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略的射频标签识别吞吐率进行比较研究。本文进一步提出，在射频标识系统设计和射频标签编址策略的具体选择过程中，需要综合考虑射频标签识别吞吐率、数据库访问瓶颈等多种关键因素，全面优化射频标识系统的性能。本文的研究成果具有较高的现实指导意义。

射频标签 防碰撞 编址策略 应急物资管理 计算机仿真

1 研究背景和概述

射频标签 (RFID tag)又称电子标签，在跟踪、物流、物资管理等领域已得到广泛应用，例如:图书馆门禁系统，交通收费，仓储管理、货架管理以、应急物资管理及食品安全溯源等。其中，用于解决读写器作用范围内多标签识别情景下的射频标签识别防碰撞方法已成为该领域的重要研究点。

射频标签的防碰撞方法主要是为了解决在射频标签识别设备的有效通信区域内，当多个射频标签同时与识别设备进行通信时产生的地址冲突问题。目前学术界对射频标签防碰撞问题集中于对算法本身的研究，一般没有考虑射频标签编码策略的因素。本文对采用经典的QT射频标签防碰撞算法情况下，分别使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略的射频标签识别吞吐率进行比较研究。通过模拟仿真可以得出结论，利用“随机编址”策略可以获得比“层次化编址”策略更高的射频标签识别吞吐率。而“层次化编址”策略也有其优势，一是现有的商用射频标签产品，大多采用了高位地址相同，低位地址连续增加的“层次化编址”策略；二是“层次化编址”本身可以直接提供商品厂家、类型等信息。因此，研究针对“层次化编址”策略的射频标签防碰撞算法、以及研究“层次化编址”策略的应用场景是下一步的研究方向。

图1：EPC-64定义的三种物品编址方法

2 射频标签编码策略分析

2.1 射频标签国际标准协议采用的射频标签编码协议

在较早版本的射频标签国际标准协议（如ISO 18000-6 Type B）中，射频标签的地址是固定的。而在较新的射频标签国际标准（如ISO 18000-6 Type C）集中，用户可以根据需要优化定制射频标签编址策略。随着RFID技术的发展，在许多应用领域中，需要更加灵活的射频标签国际标准，因此本文研究采用经典的QT射频标签防碰撞算法情况下，分别对射频标签使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略时，对射频标签识别吞吐率的影响，为射频识别系统优化设计和新的射频标识标准科学制定提供参考。

2.2 层次化编址策略与随机编址策略

作为“层次化编址”策略的一个例子，EPC（Electronic Product Code）即电子产品编码，是一种编码系统。它建立在EAN.UCC（即全球统一标识系统）条型编码的基础之上，并对该条形编码系统做了一些扩充，用以实现对单品进行标志。 EPC编码由版本号、产品域名管理、产品分类部分和序列号四个字段组成。 EPC编码根据地址长度的不同又分为EPC-64,EPC-96等多种编码方法，如图1所示。EPC-64是目前得到行业支持较广泛的一种EPC编码方法，又分为TYPE-I,TYPEII,TYPE-III三种实现方案。较新的射频标签国际标准ISO 18000-6 Type C也在协议的层面上对EPC提供了支持。

“随机编址”策略，顾名思义，就是对每一个射频标签随机生成和分配一个地址。随机生成的地址仅做标签识别，没有具体的意义，可以在后台数据库中与产品类型、厂商品牌等其他信息进行关联。

3 基于计算机仿真的射频标签编码策略比较研究

3.1 射频标签编码策略计算机仿真

本文开发了射频标签识别防碰撞算法计算机仿真软件，分别对射频标签使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略的射频标签识别吞吐率进行计算机模拟。在仿真过程中，射频标签防碰撞算法采用经典的QT算法。射频标签地址长度为64bit。对于“层次化编址”策略，采用EPC-64 TYPY-I规范，对“随机编址”策略，采用随机生成的方式生成射频标签地址。

射频标签识别防碰撞算法计算机仿真参数的选择基于现实的射频标签读取场景，包括超市个人结算场景和大型仓储区货架管理场景。这两种场景的共同点是每种场景下系统都需要考虑两个数量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已经入库且分配了射频标签的物品总数量，Nlocal表示射频标签阅读器某一次读取操作中需要读取的射频标签数量。在超市个人结算场景下Nlocal大约在数十个的数量级，在大型仓储区货架管理场景场景下Nlocal大约在数百个的数量级。而Ntotal可能在几万至几十万的数量级。在本文的模拟过程中，Ntotal取值为10000至100000，每隔10000计算一个模拟数值。而Ntotal取20和200两个数值，分别模拟超市个人结算场景和大型仓储区货架管理场景。

图2：不同编码策略下射频标签读取前缀匹配次数

3.2 不同射频标签编址策略仿真结果

由图2左侧图可以看出在射频标签阅读器一次需要读取20个射频标签的情景下，采用随机编址策略时，射频标签阅读器只需发起50次左右前缀匹配。而采用EPC-64 TYPY-I层次化编址策略，则大约需要发起400次左右前缀匹配。由图3右侧图表可以看出在射频标签阅读器一次需要读取200个射频标签的情景下，采用随机编址策略情况下，射频标签阅读器只需发起不到600次左右前缀匹配。而采用EPC-64 TYPY-I层次化编址策略，则大约需要发起800至1500次前缀匹配。

3.3 仿真结果分析与进一步的研究方向

通过上文的仿真结果，可以得出结论：采用随机编址策略，射频标签阅读器可以通过发起更少的射频标签前缀匹配操作，完成射频标签匹配读取任务，射频标签识别吞吐率由于“层次化编址”策略。出现这种情况的原因是因为，在使用随机编码编址情况下，射频标签间的地址是低相关性的，标签地址冲突只会出现在射频标签地址前几位。而采用层次化编址策略情况下，射频标签间的地址是高相关性的，在不同策标签地址层次分段上，都有可能产生射频标签地址读取冲突。

虽然从射频标签读取效率的角度讲，“随机编址”策略，优于“层次化编址”策略，然而简单放弃“层次化编址”策略并非最终的解决方案。第一个原因是而现有的射频标签产品，大多采用了高位地址相同，低位地址连续增加的“层次化编址”策略；第二个原因是“层次化编址”策略本身比“随机编址”策略直接提供了关于产品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面几个方面：一是对基本的QT算法进行优化，研究在采用层次化射频标签编址策略情况下，读取效率仍然较高的射频标签读取算法。二是从系统优化的观点选取适合的射频标签编址策略。例如某应用需要通过扫描射频标签获得产品信息，就需要从系统的角度考虑是直接采用包含产品信息的“层次化编址策略”更加优化，还是采用“随机编址”策略，然后从数据库读取产品信息更加优化。

4 结论

射频标签又称电子标签，是一种得到广泛应用的物品单元自动识别通信技术。本文根据射频标识技术的最新发展，在射频标签地址优化编码技术方向上开展研究与仿真。模拟结果表明采用经典的QT射频标签防碰撞算法，利用“随机编址”策略可以获得比“层次化编址”更高的射频标签识别吞吐率。下一步的研究方向包括：一是对基本的QT算法进行优化，研究在采用层次化射频标签编址策略情况下，读取效率仍然较高的射频标签读取算法；二是面向应用，综合考虑射频标签识别算法吞吐率、数据库访问瓶颈等多种关键影响因素，从系统优化的观点选取适合的射频标签编址策略。本文的研究成果具有较高的现实指导意义。

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[2]D.Klair,K.Chin & R.Raad,"A survey and tutorial of RFID anti-collision protocols",IEEE Communications Surveys & Tutorials,vol.12,(03)pp. 400-421,2010.

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[5]李竞.生活必需品现场保障数据系统的设计与实现[J].中国安全生产科学技术,2014(11)：94-100.

作者单位
1.中国安全生产科学研究院 北京市100012
2.重大危险源监控与事故应急技术国家安全监管总局安全生产重点实验室 北京市100012

李竞（1979-），男，河北省承德市人。硕士学位。现为高级工程师。主要研究方向为信息技术在应急指挥、应急救援与应急保障方向的应用。

●基金支持本研究受到下列基金支持： 1、国家科技支撑计划“城镇生命线系统安全运行与应急处置技术研究与示范”（2015BAK12B01-2）；2、中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项资金项目“区域安全生产重大事故情景构建及模拟演练系统研发”（2016JBKY02）。