万方数据２００８年第１期信息技术中图分类号：ＴＰ３９１．４文献标识码：Ａ文章编号：１００９一２５５２（２００８）０１－ ０００９一０３多读写器环境下的ＲＦＩＤ系统的抗干扰研究张闽军，戎蒙恬（上海交通大学电子工程系，上海２００２４０）摘要：针对ＲＦＩＤ系统的多读写器环境提出了一种分时和色波算法相结合的抗干扰方法，解决了多读写器环境下的两种主要干扰：读写器对标签的干扰和读写器对读写器的干扰。仿真结果表明，该方法对于降低网络的重传指数有较好的性能。关键词：射频识别；分时；色波算法Ｃｏｌ ｌｏｓｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ＲＦＩＤ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｕｌｔｉｒｅａｄｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭＡＮＧ Ｍｉｎ－ｊｕｎ， ＲＯＮＧ Ｍｅｎｇ－ｔｉａｎ（ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｎｏｗ ｔｈｅ ａｎｔｉｃｏｌｉｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｎ ＲＦＩＤ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｏｅｓｎ＇ｔ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｄｅｒ－ｔｏ－ｔａｇｃｏｌｌｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｅａｄｅｒ－ｔｏ－ｒｅａｄｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ． Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ａｎｄ ｃｏｌｏｒｗａｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｅ ｗａｎｔｉｃｏｌｉｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓｇｏｏｄ ｉｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎｄｅｘ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＦＩＤ； ｔｉｍｅ－ｓｈａｒｅｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ； ｃｏｌｏｒｗａｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ１多读写器环境下干扰的分类（ＴＤＭＡ ），频分复用（ＦＤＭＡ ），码分复用（ＣＤＭＡ） ［ｚ］ ｏ 近年来射频识别（ＲＦＩＤ）系统在物流、超市、仓储、码分复用要求电路上更为复杂的标签电路，标签的门禁等很多领域得到了广泛的应用。在实际的ＲＥＤ使用数量往往非常大，考虑到成本因素标签电路应系统中，常常会有多读写器环境（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｔｅｒｏｒｇａｔｏｒ该尽量简单，所以一般不会采用码分复用。频分复Ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ）是指在一个场景中，同时工作的读写器用使用多个信道传输，一般读写器用的下行通路（从的数量小于可能提供的最大信道数目川，多读写器环读写器到标签）使用固定频率，而上行通路（从标签境下的干扰问题也就是本文所要研究的重点。到读写器）采用不同的副载波频率通信，频分复用的多读写器环境下的干扰按照其产生的原因主要 缺点是读写器的成本较高，因为每一个信道都需要分为两种，一种是读写器对读写器的干扰，另外一种一个单独的接收机。时分复用是把可使用的信道按是读写器对标签的干扰［［２）０时间分配给各个读写器，这种技术构成了防碰撞算（１ ）读写器对读写器的干扰：如图Ｉ所示，读写法最大的一族。器Ｒ２工作时发出的射频到达读写器Ｒ，，并对Ｒ：所２．１ ＥＴＳＩ的Ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ＂＇读写的标签Ｔ，反射回来的信号形成了干扰。 制定ＲＦＩＤ欧洲标准的ＥＴＳＩ提出了一种多读写（ ２）读写器对标签的干扰：如图２所示，标签Ｔ，器协同工作方法，叫做“先侦听再通信”（ ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ同时在读写器Ｒ，和Ｒ：的读写区间内，当两个读写ｔａｌｋ），它的侦听机制有点类似于以网中的ＣＳＭＡ技器同时读写标签Ｔ，时会发生干扰，两个读写器可能都不能准确的读写该标签，该种情况类似于移动通收稿日期：２００７一０７一２７蓦金项目：国家自然科学基金委创新研究群体基金项目（６０５２１００２）资信中的隐藏终端问题。助；国家科技部科技攻关项目（２００５Ｂｎ９０ＢＢ０２），上海市科学２多读写器环境下干扰的解决方法技术发展基金项目（Ｘ０５８０２）作者简介：传统的解决干扰的方法主要有三种： 时分复用张闽军（１９８２一），上海交通大学通信与信息系统硕士研究生．，研究方向为射频识别系统。＿沪尹沪一、、、、、、 首先通过距离判断， 如果两个读写器之间的距离小于他们的读写半径之和，那么他们就可能产生＼＼ 万方数据尺ｒｅａｄ 、、 ，、、 、 ！ ｉ ｊ 声了＼、＼、」，．‘口Ｔａｇ、、、、一 一一尸洲产ＯＲｅａｄｅｒ图１读写器对读写器的干扰Ｒ， ｒｅａｄ ｒａｎｇｅ Ｒ， ｒｅａｄ ｒａｎｇｅ口ＴａｇＯＲｅａｄｅｒ图２读写器对标签的干扰术，在一个读写器试图和它周围的标签通信之前，读写器必须先确定它所使用的信道是空闲状态的，确保信道为空闲之后，读写器才能发起对标签的查询，否则必须等待信道空闲。＂Ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ＂方法可以有效地解决读写器对读写器的干扰问题，但是对于读写器对标签的干扰并没有良好地解决，因为即使发现信道是空闲的，有可能发生类似于移动通信中的隐藏终端间题。２．２分时和色波算法相结合的方法为了更加有效地解决读写器对标签的干扰， 本文提出了一种分时和色波算法相结合的整体干扰解决方案。采用分时对标签和读写器的成本要求都不是很高，而实际应用场景中的读写器网络拓扑变化较大，采用色波算法这样一种分布式的在线算法，可以灵活有效地适应各种不同地应用场景。考虑到现实生活中ＲＦＩＤ系统组网广泛应用于仓储管理，本文将采用仓库作为目标场景，进行建模和算法仿真。２．２．１利用分时解决读写器对标签的干扰读写器对标签的干扰，主要是因为相邻的读写 器读写范围发生了交叠，而处于这部分相交的读写范围内的标签有可能同时被两边的读写器读到，从而造成读写器对标签的干扰。假设我们能够得到工作区域内所有的读写器的位置分布，那么通过分组规划然后再对各组进行分时可以有效地避免读写器对标签的干扰问题。一 １０一读写器对标签的干扰，解决这种类似隐藏终端间题的最好办法是让他们分时工作。按照这样的原则，将所有的读写器分成Ｎ组（Ｎ）２），因为不同组的读写器工作在不同的ｔｉｍｅ ｓｌｏｔ，这样就最大程度的消除了同组中的读写器发生读写器对标签的干扰的可能，分组时尽量使得同组内的读写器均匀分布在工作区域内，并且各组内的读写器数目近似相等。假设总的工作周期为Ｔ，将Ｔ平均分成Ｎ个ｓｌｏｔ，每组读写器都工作在其中的一个ｓｌｏｔ内。２．２．２利用色波算法解决同组内读写器对读写器的干扰 对于组内的多个读写器，虽然间隔较大，但是因为读写器的干扰范围远大于他的读写范围，所以如果相邻的读写器同时工作的话很有可能发生读写器对读写器的干扰［］’，色波算法作为一种分布式的在线算法，不但容易实现，而且可以有效地减少读写器对读写器的干扰，在高节点传输概率的情况下，色波算法具有比其他退避算法更好的性能１５１。在色波算法中，用图来表示读写器网络，图‘＝（Ｖ，Ｅ）是一对有限集合的组合，集合Ｖ是图中所有端点的集合，集合Ｅ是图中端点对的集合，端点。；，ｖ；如果满足（。‘，ｖ；）ＥＥ，那么就说他们是相邻的。使用色波算法对一个图的着色就是给端点赋予不同的颜色号码，尽量使得两个相邻端点的颜色没有相同的，而每个端点都只能在其对应的颜色ｓｌｏｔ内通信。３仿真和结果３．１仿真场景设置仿真的场景是一个大仓库， 里面整齐的排放着一列列货架，仓库的长宽为８０ｍ ｘ ４０ｍ，其中总共布置了７８个读写器，每个读写器的读写半径是４ｍ，间隔是６ｍ。所有读写器的总体读写范围覆盖了整个仓库平面。仿真时随机产生各节点的起始颜色号，仿真过程中有４个参数：最大颜色数，传输概率，仿真周期和读写器扫描方式。最大颜色数范围从３到１０，传输概率是指读写器和周围的标签通信的概率，选取这样的几组数值：２５％，５０％ａ，７５％，仿真周期是一个常数，表示仿真过程中读写器网络的扫描总次数，读写器扫描方式共有两种，分别为行扫描和列扫描。这样仿真总共有８ｘ３ｘ２二４８组。为了尽量减少不同的起始值对仿真结果的影响，仿真周期选取尽量大，本文把他选为１００，０００。仿真程序用Ｃ一编写，程序运行的环境是Ｌｉｎｕｘ ２．６．１１ １３８６ ５１２Ｍ内存。仿真运行完成后观察总的节点成功传输次数和 万方数据总的节点失败重传次数，计算出重传指数，重传指数的定义如下：重传指数＝节点重传总物（ 节点成功传输总数十节点重传总数）对读写器网络进行扫描时， 采取两字顺序进行扫描，行扫描和列扫描，分别计算两种扫描方式下的重传指数。３．２读写器分组把所有的读写器分为两组，每组３９个， 经过分组之后的读写器的拓扑图如图３０图中Ａ， Ｂ两组的读写器数目相同，拓扑结构相似，相邻节点的最小距离是８．４８４ｍ，大于相邻节点的读写距离之和４十４二８ｍ，满足防止读写器对标签干扰的距离要求。８０ ｍ直口卫ＯＯ．ｏ ＂％ ０ ８，４８１ｏ．Ｏ．Ｏ．Ｏ．．１．．．．Ｏ．Ｏ．Ｏ．Ｏ．Ｏ．ｅｓＪ０．０．０．０．０．０．Ｏ ４０ 日 ．０．０．０．０．０．Ｏ．Ｊ ０．０．０．０．０．Ｏ．Ｏ ｌ ．０．０．０．０．０．Ｏ． ｅｓｆ甲 ．Ａ组读写器ＯＢ组读写器 图３仓库场景中的分组读写器拓扑图 让这两组读写器分时工作， 如图４所示，假设工作周期是Ｔ，把Ｔ分为两个ｓｌｏｔ，两组读写器分别工作在ｓｌｏｔ Ａ和ｓｌｏｔ Ｂ ｏ！Ｓｌｏｔ Ａ｛Ｓｌｏｔ。｝Ｓｌｏｔ Ａ｝Ｓ１ｏＶＨＢ｝Ｓｌｏｔ Ａ！Ｓｌｏｔ Ｂ｛司日卜－－－一一一－－￣￣门卜Ｔ 图４读写器分组工作时隙图 因为两组读写器有着相同的拓扑，读写器数目也相等，所以在接下去的讨论中，只需对其中任意的一组进行ＤＣＳ色波算法的仿真，来观察其性能。以Ａ组读写器为例，图５是Ａ组读写器的色波图。８０ ｍ司奋一一一－一，，，户户－－一一一州，，‘．丁．．．十一 ４０ ｍ ｌ ｅｓ卫 ，． ．１ １ 图５ Ａ组读写器的色波图 ３． ３ ＤＣＳ色波算法仿真本文使用的ＤＣ Ｓ色波算：法主要包括三个子程序ＤＣＳ子程序１ 一传输子程序ｍａｉｎ 如果有通信请求发生：一 如果（时序号％最大颜色号）＝＝当前颜色号那么传输开始 否则闲置直至（时序号％最大颜色号） 二二当前颜色号ＤＣＳ子程序２一冲撞检测子程序Ｃｏｌ ｌｏｓｉｏｎ如果试图通信但是检测发现有冲撞产生： 一 当前颜色号二随机产生的新的不同的颜色号一 将新产生的颜色号广播给周围的邻居节点ＤＣＳ子程序３一“ 踢”子程序Ｋｉｃｋ：如果邻居节点收到包含颜色信息的ｋｉ ｃｋ信号一 随机的改变到一个新的不同颜色３．４仿真结果分析把８Ｘ３Ｘ２组仿真结果绘成曲线， 按照扫描方式的不同绘成图６，图７。从图６和图７中可以看出，传输概率为７５％的曲线总是在这三条曲线的最上方，传输概率为２５％的曲线总是在最下方。这是因为仓库模型中读写器数量多，而且分布密集，当节点负载越重时，需要同时工作的相邻节点数越多，网络的重传指数也就越高。对于两种不同的扫描方式，仿真得到的结果也有所不同，因为仓库区域是一个长方形平面，长宽比例为８０４０，当采用行扫描（长边扫描优先）时，读写器的重传指数比采用列扫描（短边扫描优先）略低，这是因为采用列扫描时，因为列扫描是短边扫描优先，所以先扫描到的节点发送ｋｉｃｋ信号之后，可能在不久的将来又再接收到邻近的后扫描到的节点发出的ｋｉｃｋ信号，造成一定程度的“颠簸”。，１．一Ｂ ２５％洲．一Ｄ ５０％Ｆ １００％埃以０４８戴加份半忧侧州０４２０４０Ｄ３８２ ３ ４ ５ ８ ７ ８ ９ １０ １１最人颜色数图６列扫描下的仿真结果 ４结束语本文提出了一种结合分时和色波算法的ＲＦＩ Ｄ多读写器环境下的抗干扰方案，全面地解决了ＲＦＩＤ多读写器环境中的读写器对读写器干扰（下转第１４页）用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。③电视与音响的万用遥控器，无线键盘、 滑鼠、摇杆。 （８）工作频段灵活：使用频段为２ ． ４ＧＨｚ ， ８６８ＭＨｚ（欧洲）及９１５ＭＨｚ（美国），均为免执照频段。４结束语Ｚｉ ｇＢｅｅ技术在ＺｉｇＢｅｅ联盟和ＩＥＥＥ８０２． １５． ４的万方数据 （９）兼容性：ＺｉｇＢｅｅ技术与现有的控制网络标准推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网无缝集成［６－７１。通过网络协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）自动络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领建立网络，采用载波侦听／冲突检测（ＣＳＭＡ－ＣＡ）方式域具有巨大的运用价值，在未来其应用还可以涉及进行信道接人。为了可靠传递，还提供全握手协议。到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于３ ＺｉｇＢｅｅ的应用各方面的制约，ＺｉｇＢｅｅ技术的大规模商业应用还有Ｚｉ ｇＢｅ。的出发点是希望能发展一种易布建的低待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。维持６个月到数年的时间。在产品发展的初期，将但是，我们还应该清楚地认识到，基于ＺｉｇＢｅｅ技术以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投人力至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，度，推动整个行业的发展。就可以考虑采用ＺｉｇＢｅｅ技术：参考文献： （１）设备成本很低，传输的数据量很小。［１］金纯，蒋小宇，罗祖秋．ＺｉｇＢｅｅ与蓝牙的分析与比较〔Ｊ］．信息技（２） 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或术与标准化， ２００４，４５（６）：１７一２０．ｒ向ｌ者电源模块。Ｌ内乙７．ｉｇＢｅｅ ａｌｉｌａｎｅｃ． ＺｉｇＢｅｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ［ＥＢ／０Ｌ］卿：／／ｗｗｗ． ｚｉｇｂｅｅ． ｏｒｇ．２００落．（３）没有充足的电力支持， 只能使用一次性电池。ｒ．．Ｌ内ｊｌｅｓｅｓＪＰａｔｒｉｃｋ Ｋｉｎｎｅｙ．ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ Ｓｔａｔｕｓ［ ＥＢ／０Ｉ」ｈｔｔｐ： ／／％ｗｗ． ｚｉｇｂｅｃ（ ４）频繁地更换电池或者反复地充电无法做到ｏｒｇ．２００４．或者很困难。尸哥「Ｉ上４」ＪＶｅｎｋａｔ Ｂａｈｌ． ＺｉｇＢｅｅ ａｎｄ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ－ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｏｒ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｙｒ［ ＥＢ／（ ５）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非ＯＬ］．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ， ２００２．ｒ，．Ｉ常多，但仅仅用于监测或控制。根据ＺｉｇＢｅ。联盟的．ＬｌｊＪＪＪｏｎ Ａｄａｍｓ， Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ８０２．１５．４ ａｎｄ ＺｉｇＢｅｅ［ ＥＢ／ＯＬ］．［２００４－０３］观点，一般家庭可将ＺｉｇＢｅｅ应用于以下装置：ｈｔｔｐ： ／／ｗｗｗ． ｚｉｇｂｅｅ． ｏｒｇ．ｒＬ孟，Ｉ．ＬＵ，Ｊ实现无线嵌人式网络〔Ｎ］．网络世界，２００４．①空调系统的温度控制器，灯光、窗帘的自动 Ｌｅｓ１７门ＪｅｓＪ杜丰蓝牙技术面临挑战【Ｊ］．现代电子技术，２００４，２７（２０）：７４ －控制。７５，刀．②老年人与行动不便者的紧急呼叫器。 资任编辑：么丽苹 （上接第１１页）分复用和码分复用实现的成本更低，是当前采用的最多的抗干扰手段。色波算法作为一种分布式的在线０． ５４一０． ５２一：今立二：二算法可以灵活有效地适应各种读写器拓扑网络，两者一 ，办一．一．一０ ．５“一相结合可以有效地解决多读写器环境中的干扰问题。－ 气＼仁＼、・・，升、：４－０． ４８－．入‘：一：参考文献：０ ４｝ｒ ０［Ｉ」Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＲＦＩＤ ａｉｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ＥＰＣｇｌｏｂａｌ Ｃｌａｓｓ－１Ｃｅｎｅｒａｔｉ二一２ＵＨＦ ＲＦＩＤ Ｐｒｏｔｏ［２］ Ｄａｎｉｅｌ Ｗ Ｅｎｇｅｌｓ， Ｓａｎｊａｙ Ｅ Ｓａｍｎａ． Ｔｈｅ Ｒｅａｄｅｒ Ｃｏｌｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｂｌｅｍ，／火 林 冷 『 ￣ Ｓ ｙｓｔｅｍｓ， Ｍａｎ ａｎｄ Ｃｙｂｅｍｅｔｉｃｓ ［ Ｃ ］ ．２００２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ－ ０． ．４ｃｏｌ［ Ｚ］．２００４，１０９．４０一６２一：＿价 ：二了、二＿一李一，Ｆ ，．卞一众．一仗‘ｅｎｃｅ， ２００２，３．０． ３８一‘Ｊ“・［３１ ＥＩ＇ＳＩ ＥＮ ３００ ２２０－１ ｖ２．１．１（２００６－０１） Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｓｔａｎｄａｒｄ （Ｔｅｌｅｃｏｍｍｎｉ－２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ ｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｒｉｅｓ） ［Ｓ］．最大颜色数［４］ Ｋｌａｕｓ Ｆｉｎｋｅｎｚｅｌｌｅｒ． ＲＦＩＤ Ｈａｎｄｂｏｏｋ： Ｒａｄｉ－ｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ图７行扫描下的仿真结果 Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ， ｌｉｄ．， １９９９．和读写器对标签干扰。采用分时算法不要求读写器・［５］ Ｊａｍｅｓ Ｗａｌｄｏｒｐ， Ｄａｎｉｅｌ Ｗ Ｅｎｇｅｌｓ， Ｓａｎｊａｙ Ｅ Ｓａｍｎａ． Ｃｏｌｏｒｗａｖｅ： Ａｎ采用多套接收机，也不要求标签采用更为复杂的电Ａｎ ｔｉｃｏｌｉｓｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｒｅａｄｅｒ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｂｌｅｍ［Ｃ］．Ｃｏｍｍｕ－ｎｉ ｃａｔｉｏｎｓ， ２００３． ＩＣＣ＇０３． ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ２００３，２．路，相对于频责任编辑：肖滨