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RFID防碰撞调查与指导协议
Dheeraj K. Klair, Kwan-Wu Chin, and Raad Raad
抽象RFID技术已经彻底改变了资产跟踪行业，应用范围从自动化检查监测老年人的药物摄取量。在所有这些应用，快速，在某些情况下节能，标签阅读是理想的，特别是随着标签数量的增加。实际上，标签阅读协议面临许多问题。一个关键的是标签冲突，当多个标签回复simul-抄写给读者。结果，RFID阅读器体验很低标签阅读表现，浪费宝贵的精力。因此，RFID应用程序开发人员很重要当前标签阅读协议。为此，本文进行了调查，分类和比较最先进的标签阅读协议。此外，它介绍了现有和未来的研究方向标签阅读协议。
索引术语 - RFID系统，防冲突协议，树形变体，Aloha变体，标签估计功能。
- 引言。
RFID系统将无处不在。 2005年，产生了超过13亿张RFID标签，到2010年将达到330亿张[1]。 推动RFID发展的关键因素之一就是能够无视地识别物体。 因此，使得RFID对于零售，库存管理和供应链管理中的应用特别有吸引力。 最近，为了减少后勤，成本和产品损失，沃尔玛和国防部都要求其各自的供应商使用RFID标签[2] [3] [4]。
RFID系统由称为读取器的读取装置和一个或多个标签组成。 读者通常是具有充足的记忆和计算资源的强大的设备。 另一方面，标签的计算能力差异很大。 它们的范围从无与伦比的无源标签（仅针对读取器命令）到具有板载微控制器，收发器，存储器和电源的智能有源标签[5]。 在标签类型中，由于低成本，被动型被广泛应用于大规模部署的流行选择[6] [7] [8]。
同时标签响应的碰撞是RFID系统的关键问题之一[7]。 这会导致带宽，能量的浪费，并增加识别延迟。 为了减少碰撞，RFID读取器必须使用防碰撞协议。 为此，本文回顾了最先进的标签读取或防冲突协议，并对用于最小化冲突的不同方法进行了详细比较，从而有助于减少识别延迟。 这样的审查对于正在建立涉及具有不同标签密度的询问区的RFID系统的研究人员和设计者将是非常重要的 - 例如，随着客户通过自动结账，快速阅读购物车中的标签物品。 除此之外，本文还介绍了使用无线传感器检测标签的RFID系统的研究方向，挑战和问题。
迄今为止，还有两项关于防撞协议的调查：[9]和[10]。 这些作品的一个关键限制是他们只是调查2004年以前发布的协议。除此之外，它们缺乏全面性。 例如，第一项工作，即[9]，仅审查了Aloha变种。 此外，它缺乏对动态FSA（DFSA）协议的覆盖，特别是2004年以后发布的协议。另外，[9]没有覆盖DFSA协议使用标签估计功能来导出每轮最佳帧大小。 在第二项工作中，[10]只涵盖四种阿洛哈和九种树种。
相比之下，本文研究了31种变体树型方案和42种Aloha变体。 此外，我们是第一个演示使用相同标签集的树协议的操作。 除此之外，我们还调查了五种混合协议。 最后，本文采用综合方法，首先在各种防冲突方案进行深入比较之前首先确定各协议的优缺点。 具体来说，我们根据线程原理，系统成本，协议复杂度，识别延迟，带宽要求，读卡器或标签硬件要求，整体性能和可扩展性来比较这些方案。
本文的其余部分安排如下。 我们首先回顾RFID技术，并根据第二部分的操作原理进行比较。 之后，我们分别在第III-A和III-B部分中对Aloha和基于树的协议进行了全面的调查和比较。 在第III-C节，我们调查了五个混合标签阅读协议。 接下来是第四部分对现行RFID标准的回顾。 接下来，在第五节中，我们提出了涉及无线传感器的新兴RFID系统中的问题。 第六节结束本文。
II。 背景
在研究防冲突或标签阅读协议之前，我们首先介绍RFID系统的运行方式及其分类。
- 沟通原则
RFID系统使用磁耦合或电磁耦合进行通信。 这两个系统之间的区别在于其操作区域，即近场或远场。 远场通信的一个关键特性是与近场系统相比具有更长的读取范围。 表I [11] [7] [5] [8]提供了在这些领域中操作的标签的比较。
1）磁耦合系统：磁性或电感耦合系统在LF或HF频段中被动地进行操作。 这些系统的行为与变压器系统类似。 图1示出了产生时变磁场的读取器，其在标签处引起AC电压。 然后将AC电压整流为直流电压，为标签的微芯片供电[7]。 而且，天线线圈都在两个读取器和标签是LC电路，其具有当调谐到正确频率时最大化从读取器到标签的能量传递的效果。 具体地说，更高的频率转换成天线线圈中较少的匝数[12] [11]。
一旦标签通电，读取器就可以通过幅度调制（AM）实现标签通信，反之亦然。 读取器根据要发送到标签的数字信息或基带信号来调制其磁场幅度。 另一方面，标签通过根据其ID打开和关闭其负载电阻来发送其ID; 一种称为负载调制的现象。 读者感测到这些幅度变化，并解调发送的ID [7] [11]。
2) 电磁耦合系统：电磁耦合系统，也称为反向散射系统，在UHF和微波带中工作。 如图2所示，读取器的偶极天线向标签发送包含交流电源的连续电磁（EM）波[7]。 结果，在标签偶极子上产生了潜在的差异，从而激励了他们的微芯片[11]。 然后通过根据待发送的数字数据改变由标签天线反射的EM波的幅度来实现从标签到读取器的通信; 一种称为反向散射的现象[7] [8]。
远场反向散射系统提出了HF或LF系统中不存在的许多新问题。 一个关键的问题是读取器字段的反射是由于与所用波长具有相似尺寸的对象。 这些反射可能导致阻尼甚至取消[12] [8]。
- 工作频率
RFID系统采用行业，科学和医疗（ISM）频段，范围从100KHz到5.8GHz。 表II [12] [8] [11] [13] [14] [15]根据其工作频率总结了RFID系统的特点。
C. 标签是RFID系统的基本构建块。 标签由电子微芯片和耦合元件组成。 没有微芯片的RFID标签被称为无芯片标签，并且可以显着节省成本，因为它们可以直接打印在产品上[19] [7]。
有三种类型的标签：被动，主动和半无源[8] [18]。 被动标签具有有限的计算能力，没有检测信道的能力，检测冲突和相互通信。 半无源标签的行为类似于无源标签的方式，但具有可用于激励其微芯片的板上电源的优点。 与无源和半无源标签相比，有源标签是最昂贵的。 而且，他们可以感觉到通道并检测碰撞。 表III [7] [12] [8] [19] [18]根据标签类型总结了各种RFID系统。
- 防碰撞协议
防碰撞协议对于RFID系统的性能至关重要。 图3显示了八个标签和读卡器。没有防冲突协议，这些标签的回复将会相互冲突，从而延长其标识。 此外，碰撞造成带宽和能量浪费。图4分类存在的各种防冲突协议[7] [10] [20]。 一般来说，它们可以分为空分多址（SDMA），频分多址（FDMA），码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）。
简而言之，SDMA协议[7] [21]使用定向天线或多个读取器空间分离通道以识别标签。 然而，它们是昂贵的并且需要复杂的天线设计。 另一方面，FDMA [7]协议涉及到标签在几个预定频率通道之一中发射; 因此，需要一个复杂的接收器在读者。 最后，基于CDMA的系统[7] [21]要求标签在传输之前将其ID与伪随机序列（PN）进行乘法。不幸的是，基于CDMA的系统是昂贵的并且功耗较大。
TDMA协议构成了最大的一组防冲突协议[7]，因此重点放在本文中。 这些协议可以分为阅读器驱动和标签驱动。 前者和后者也分别称为阅读器通话首（RTF）和标签通话首（TTF）。 大多数应用程序使用RTF协议，可以进一步分类为Aloha和基于树的协议/算法。 注意，还有一个hy-brid类，它结合了Aloha和树协议。 RTF背后的基本思想是，标签保持安静，直到读者特别寻求或指示。 另一方面，TTF程序异步运行。 这意味着TTF标签通过在读卡器的存在下传送其ID来向读者发布自己的身份。 与RTF程序相比，标签驱动程序较慢[20]。
A．基于Aloha的协议
在讨论第三部分B中的树协议之前，我们首先回顾一下基于Aloha的标签阅读协议。 以下是存在的Aloha变体：
- 纯ALOHA(PA)
- 时隙ALOHA（SA）
- 帧的时隙ALOHA（FSA）
- 基本帧时隙ALOHA（BFSA）
- 动态帧时隙ALOHA（DFSA）
- 增强型动态帧时隙ALOHA（EDFSA）
1）纯Aloha（PA）：在基于PA的RFID系统中，标签在读取器通电后随机响应ID。 然后，等待读者回复，i）肯定确认（ACK），表示其ID已被正确接收，或ii）否定确认（NACK），意味着发生了冲突。 如果两个或更多个标签发送，则会发生完全或部分冲突[9]，然后在重新发送ID。
纯Aloha系统有几种变体[22] [9] [23]：
bull;带静音PA。 当使用静音时，每个成功的标签响应后，阅读器询问区中的标签数量会减少。 因此，在每次成功识别之后，静音具有减少向读取器提供的负载的效果。 图5显示PA与静音的行为。 最初，标签1和3的传输冲突，导致他们等待一段时间，然后重新发送。 识别后，读取器使用“静音”命令使读取器静音。
bull;PA慢速下降。 可以使用“减速”命令来指示标签，以降低其传输速率，从而降低碰撞概率。 图6显示了读卡器在识别后如何减慢标签1，导致标签1适应其随机退避计数器以降低其传输速率。
bull;快速模式的PA。 一旦检测到标签传输的开始，读取器就会发送一个“静音”命令。 此命令具有停止其他标签传输的效果。 在读取器发送ACK命令或者等待定时器到期之后，标签被允许再次发送。 图7显示了具有快速模式的PA。 一旦阅读器检测到标签2的传输，标签1和标签3只有在标签2完成发送后才被静音并重新激活。
bull;其他变体。 最后，我们可以创建两个更多的变体，即具有快速模式和静音的PA，以及具有快速模式的PA和通过组合相应的功能而减慢的。 这些变体分别如图8和9所示。 在图8中，当标签2开始发送时，标签1和3被静音。 标签2被识别后，它被静音。 类似地，在图9中，在使用快速模式标识标签2之后，它被放慢速度以允许其他标签传输。
2）Slotted Aloha（SA）：在基于Aloha（SA）的RFID系统中，标签以同步时隙发送其ID。 如果发生冲突，则在随机延迟后重新发送标签。 碰撞发生在狭缝边界处，因此没有部分碰撞[24]。
Slotted Aloha也有很多变种[22] [9] [23]：
bull;SA静音/减速。 主要操作是类似于PA与静音/减速，但操作在a开槽方式
bull;SA早期。 如果在插槽开始时没有检测到传输，读卡器会提前关闭插槽。 使用两种命令：起始帧（SOF）和帧结束（EOF）。 前者用于开始阅读周期，后者由读者使用，以提前关闭空闲时隙。 图10描述了如何使用早期端来终止空闲时隙。
bull;SA与早期和静音。 只要成功识别标签，读取器就会发送静音命令; 从而减少响应标签的数量。 另一方面，如果读取器在一小段时间后检测不到传输，则使用EOF命令提前关闭插槽。
bull;SA与慢速和早期结合：这将减速与早期功能相结合。 总而言之，有四个关键特征被用于提高Pure和Slotted Aloha标签读取协议的性能：i）静音，ii）减慢，iii）早期，以及iv）快速模式。 要概述，快速模式仅与Pure Aloha变体结合使用以减少其脆弱性周期。 早期使用开槽的Aloha变体来减少空闲侦听，其中空闲时隙提前终止。 最后，静音和减速具有减少提供的负载的效果读者。
3）Framed Slotted Aloha（FSA）：在基于PA和SA的系统中，具有高响应率的标签将经常与来自其他标签的潜在有效响应相冲突。 因此，FSA协议要求每个标签每帧只响应一次。 以下部分描述了各种FSA变体。 基本框架Slotted Aloha（BFSA）：BFSA有四个变种。 它们是，1）BFSA非突变，2）BFSA突变，3）BFSA非突变早期，以及4）BFSA-突变 - 早期结束。 注意，术语“基本”是指在整个阅读过程中框架尺寸是固定的。 在BFSA非静音中，需要一个标签来在每个读取循环中传输其ID。 在非静音变体中，读取延迟取决于置信水平alpha;，其中alpha;= 0.99表示已成功读取99％的标签。 读取具有alpha;置信水平的标签集所需的读周期数R由[25]给出，
其中N是帧大小，n是标签的数量，并且（成功发送的概率是p1 =（1-1 / n）n-1.为了获得积分值，并且避免保守延迟值 ，等式1使用ceil功能。
对于BFSA-Muting，标签数量在每次读取后都会减少，因为标签在标识后会被静音。 读取循环无冲突时，读者得出结论，所有标签都已成功标识。 BFSA-non-muting-early-end和BFSA-muting-early-end变体结合了早期特征。具体来说，如果在一个插槽开始时没有检测到响应，读者可以提早关闭一个插槽。
当标签数量高于帧大小时，BFSA非静音的识别延迟呈指数增长[26]。 为了解决这个问题，Hwang等 [27]提出了限制响应标签数量的BFSA变体。 读者通过向标签发送一个bitstring来实现这一点。标签然后将它们的ID的一部分与所述的bitstring进行比较，以及那些具有较小值的答复。 一个关键的观察是，当标签的数量远小于帧大小时，限制标签响应增加了识别延迟。 因此，作者根据碰撞时隙的比例和帧大小定义阈值，以决定是否
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