密集移动环境中的有源RFID防碰撞算法的研究

吕 军 ，吴海建 ，鄢团军 ，杨登辉 ，刘 凯

（1.中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州 310012；2.中电海康集团有限公司，杭州 310012）

当前由标签、阅读器和应用平台组成的有源RFID系统应用发展迅速。有源RFID越来越多地应用于标签密集而且移动的环境中。在大部分的应用场合，要求阅读器在较短时间内识别系统内所有有源RFID标签，但是由于成本、寿命等因素限制，阅读器和其范围内的标签都工作在相同的无线信道，使得标签的无线信号可能发生数据冲撞，导致阅读器不能正确识别标签。作为关键技术问题的标签碰撞制约有源RFID系统大规模投入实际应用。RFID系统通过防碰撞算法处理该问题。

随机性防碰撞ALOHA算法因实现容易、成本低，被广泛应用于有源RFID的系统中。然而随机性防碰撞的研究热点大多集中在时隙ALOHA，帧时隙ALOHA与动态帧时隙ALOHA等算法以及基于上述算法的各种改进和优化算法[1-4]。针对有源RFID“标签只发”的系统中[5]，文献[6]统计了各种退避时间下的识别时间和重发次数。文献[7]采用主从双阅读器，用于解决阅读器处理能力不足的问题。通过加入从阅读器，降低主阅读器的处理负载，从而降低通信延迟、冲撞率和标签能耗，提高了有源RFID标签读取数量，但是没有针对标签发送时间展开研究。针对目前的研究现状，在有源RFID“标签只发”的系统，本文分析了处在密集移动环境中放的标签工作模式，建立了标签的移动模型，提出了一种确定最优的电子标签的发送周期，提高有源RFID标签寿命的防碰撞算法。同时搭建了原型模型验证防碰撞算法的有效性和实用性。

1 标签移动模型

为研究标签移动状态下的有源RFID系统，建立了如图1所示的载有标签的电动车穿过城市道路的模型。标签安装在电动车上，电动车平均占地面积s，每辆电动车的安装标签数量为N，电动车以车速V行进在宽为d的道路上。阅读器的阅读范围为Rmax，安装在位置A或者位置B，安装的垂直高度为h，调整阅读器上的天线方向，使得阅读器信号范围最大。

图1 载有标签的电动车穿过城市道路的模型Fig.1 Mode of motor-pedal with tags running on the road

某个时刻t0，对于安装位置A，可得道路上的电动车保有量：

当h≪Rmax时，Rmax≈r，则式（1）可简化为

同理，对于安装位置点B，可得道路上的电动车保有量：

不失一般性，以安装位置点A作为研究对象，则道路上的标签数量：

当标签穿过道路上的阅读器的信号范围时，共发送的次数近似为

式中：V为电动车上的标签移动速度（km/h）；T为有源RFID标签的发送周期（s）。

2 ALOHA算法

在所有的防冲撞算法中，ALOHA算法是对硬件要求较低、较容易实现的一种，属于识别结果不确定性防冲撞算法。该算法适合于低通信负载的系统中，在有源RFID领域得到了应用。

采取“标签只发”的方式，即标签在其整个生命周期内随机的发送数据包，一进入读写器的作用区域，读写器采集该标签的发送信息。对同一个标签来说它的发送数据包的时间是随机的。当发生数据冲撞时，因标签不能接收阅读器的信息，标签不知道已经发生碰撞，仍会按照随机等待的一段时间进行发送。

考虑到有源RFID标签的寿命，标签发送模式如图2所示。对某一个标签，在约定的发送时间T的情况下随机发送一个数据包，数据包的长度为τ。所有标签发送完数据包后，在其各自的休眠周期T-τ内处在休眠状态。每个标签发送完数据包后，因采用只发的通信模式，仍会按照预先设定的发送周期持续随机发送数据包，直到寿命的终止期。

图2 考虑标签寿命的数据包发送模式Fig.2 Tags data transmission mode

由概率论可知，标签每秒钟发送的数据包的数目服从泊松分布，因此t秒钟发送n个数据包的概率为

式中：λ为每秒钟平均发送的总的数据包数。

阅读器范围内的Ntotal个标签单次发送被识别的概率：

式中：S为吞吐率，表示有效传输的实际总数据率，即τ时长内标签成功完成通信的平均次数；G为输入负载，表示发送的总数据率，即τ时长内标签的平均到达次数。

在有源RFID系统，关心的是系统中的全部RFID标签的被识别读取的概率PNtotal。文献[8]给出的定理2表明：不论数据包的随机时延D分布是固定长时间，还是其它形式的分布，如果需要多次发送，其平均到达数据包可以看成是由两个泊松流组合而成，其中一个泊松流是由另一个沿时间轴向后推迟一段长为D的时间形成。因此可简化分析，每次发送的数据包符合泊松流，阅读器范围内的所有标签均被识别的概率可由下式表示：

式中：PNk表示Ntotal个标签第k次发送被识别的概率；

将式（5）代入式（8），可得：

3 标签寿命

目前，大部分有源标签为降低功耗采用以下2种工作模式[9-10]：周期性地向外发送ID号；利用低频唤醒高频。上述2种方式在低功耗控制方面能取得不错的效果。第1种方式为单向通信方式，读写器无法对标签进行任何指令操作。第2种工作方式要求电子标签的硬件结构比较复杂，成本高、体积大。因此，为保证标签寿命，采用硬件结构较简单，功耗最小的第1种工作模式，同时也从软件入手降低系统功耗，设定合理的发送参数，从而达到降低功耗，延长标签的使用寿命。

有源标签的工作方式采用标签只发模式，则其射频模块中能耗由射频发送能耗和标签休眠能耗两部分组成。在一个发送周期内的平均电流为

其中标签的发送时间占空比D：

电动车在阅读器阅读范围内的发送周期内的平均电流为

根据对射频电路的分析，其休眠模式中消耗的能量非常低，Isleep为2～3 μA，因此有源电子标签的能耗由其工作在发送模式中消耗的能量决定。标签的寿命如式（13）确定。

式中：η为有源标签的经验评估系数，取0.8；

将式（11）、式（12）代入式（13），则：

式（14）表明，为了延长电池的寿命，尽量小的发送电流和比较小的发送时间占空比D有利于系统的寿命。对标签只发的情况下，由于标签的数据包包含了必要的唯一标签码，数据包的内容已经是最简的必要内容，发送时间τ是个常量。Itrans认为是一个恒定值，因此尽量延长标签的发送周期T。

标签只发的RFID系统，必须同时满足下式：

在满足标签寿命的要求下，尽量使得PNtotal最大。

4 仿真

利用Matlab仿真软件进行防碰撞算法的仿真分析。仿真参数具体设置如下：城市环境中的阅读器的平均有效信号范围Rmax=50 m，电动车的速度为V=40 km/h，每辆电动车上设置2张标签，电动车的平均占地面积为s=1.5 m2，城市电动车道路的宽度为d=5 m。从而计算出阅读器有效范围内的标签数量Ntotal=700，标签的数据包发送时间τ＝0.0003 s。

4.1 标签的发送次数M与发送周期T之间的关系

电动车在阅读器的阅读范围内的行驶时间和标签的发送周期共同决定了电动车上搭载的标签在这段行驶的时间内，向阅读器发送的数据包总次数。如图3所示，是标签总发送次数与数据包的发送周期之间的关系。当电动车的行驶速度较快时，停留在阅读器范围内的时间短，发送的数据包总次数也少，这在一定程度上会影响阅读器的接收标签的数量。

图3 发送周期T和标签移动速度V对标签发送次数的影响Fig.3 Relationships among the active tags transmitting cycle，the tags speed and the number of retries allowed after a transmission

从图3可知，标签数据包发送周期在0.2～0.6 s之间，标签的总发送次数的增长速率较快。在0.8～2 s范围内，标签的总发送次数的增长速率较慢。

4.2 标签的发送周期T对标签寿命L的影响

有源RFID标签的寿命如图4所示。从图4中可看出标签寿命需要保持5年以上，必须使得标签的发送周期为0.75 s以上，才能保证标签寿命。

图4 标签寿命Fig.4 Active tag lifetime

仿真参数设定：纽扣电池C=600 mAH，Itrans＝25 mA。

4.3 最优标签发送周期

标签的发送周期和阅读器范围内的所有标签均被读取的概率如图5所示。应用ALOHA算法，仿真1000次，即仿真电动车1000次经过阅读器。取1000次的仿真结果作为PNtotal平均值。在电动车经过阅读器的范围内，发射周期T越大，发射的次数就越少。发射周期越长，标签的碰撞几率减少，所有标签均被读取的概率PNtotal变大，但是标签的发送次数也减少，所有标签均被读取的概率PNtotal变小。发射周期T越小，标签的碰撞几率大大增大，使得所有标签均被读取的概率PNtotal降低，同时标签的发送次数也增加了，这又使得所有标签均被读取的概率PNtotal变大。因此在发射周期和所有标签均被读取的概率PNtotal之间存在着非单调的关系。

图5 标签发送周期T对PNtotal的影响Fig.5 Relationships between PNtotal and the active tags transmitting cycle T

图5表示标签的发送周期T不能太大也不能太小。发送周期太小，标签在发送周期内因碰撞剧烈，导致阅读器无法全部读取。发送周期太长，导致发送次数太少，标签无法保证全部读取。因此在设置发送周期时不能使标签发送周期太小。

重点研究图5的0.5～1.5 s发送周期，并将其详细的展示在图6～图8中。

图6 Ntotal=400时，标签发送周期T对的影响Fig.6 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=400

图7 Ntotal=700时，标签发送周期T对的影响Fig.7 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=700

图8 Ntotal=1000时，标签发送周期T对的影响Fig.8 Relationships betweenand the active tags transmitting cycle T，Ntotal=1000

从图6～图8中可看出标签的发送周期T为0.9 s时，所有标签均被读取的概率PNtotal较大，综合考虑标签寿命，此发送周期为最优发射周期。

从图6～图8中也可得到，不同的标签数量，在相同的发送周期T，所有标签均被读取的概率PNtotal不同。标签数量越少，PNtotal要优于标签数量大的情况下被读取的概率。

实际应用中，最优的发送周期T与标签的总数Ntotal有关，因此需要预知整个系统会出现标签的总数。在一个RFID系统中对标签总数的估计是个难题。本算法的前提是通过电动车标签移动模型预估出了系统中可能出现的标签最大总数，从而根据标签寿命和识别概率，确定合适的发送周期。

5 原型模型验证

实际中搭建了一个原型模型，取样1000个外壳可拆卸的标签，每个标签的发送周期按照表1所示，某个发射周期测试完后，每个发送周期重复测试10次，取平均值。采用每辆电动车上携带100个标签模拟电动车通过城市道路，按照时速V=40 km/h穿过阅读器的阅读范围。测试结果如表1所示。

表1 实测时阅读器读取的标签数Tab.1 Number of tags under the field test

在有限的测试次数下，发送周期T为0.8～1.5 s之间，能够全部读取到标签。但是本算法作为一种不确定性算法，存在无法全部读取到标签的概率。

上述算法只研究了单个阅读器的情况，作为电动车应用场合，不仅仅只有一个阅读器能够读取到标签，在城市各个道路交叉口上设置了较多的阅读器，在多个阅读器形成的射频网覆盖下，在不同时空条件下能读取到标签，进而能够保证该算法的有效性。射频网覆盖下的标签防碰撞留待进一步研究。

6 结语

目前大量的有源RFID标签工作模式多为 “标签只发”模式，该模式能延长电子标签的寿命。在其整个生命周期中一直随机地向外发送数据包。阅读器采集密集移动的标签的信息。整个系统没有时间同步，各个标签工作在异步状态，发送数据包的时间点随机，存在碰撞的现象。同时针对标签只发的有源RFID系统，需要考虑尽量延长标签寿命。

本文针对该现象提出的一种确定防碰撞算法最优的电子标签的发送周期方法，提高了有源RFID标签寿命。仿真表明，采用该最优发送模式，700个标签在移动速度为V=40 km/h的情况下，所有标签均被读取的概率PNtotal概率为99.99%。原型模型也验证了最优的电子标签发送周期的有效性和实用性。