1 多讀寫器環(huán)境下干擾的分類 

近年來(lái)射頻識(shí)別( 1lD)系統(tǒng)在物流、超市、倉(cāng)儲(chǔ)、門禁等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的RFID系統(tǒng)中，常常會(huì)有多讀寫器環(huán)境(Multiple—Interrogator Envimnr~nt)是指在一個(gè)場(chǎng)景中，同時(shí)工作的讀寫器 的數(shù)量小于可能提供的最大信道數(shù)目，多讀寫器環(huán)境下的干擾問(wèn)題也就是本文所要研究的重點(diǎn)。 

多讀寫器環(huán)境下的干擾按照其產(chǎn)生的原因主要分為兩種，一種是讀寫器對(duì)讀寫器的干擾，另外一種是讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾 。 

(1)讀寫器對(duì)讀寫器的干擾：如圖1所示，讀寫器R 工作時(shí)發(fā)出的射頻到達(dá)讀寫器R ，并對(duì)R 所讀寫的標(biāo)簽T反射回來(lái)的信號(hào)形成了干擾。 

(2)讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾：如圖2所示，標(biāo)簽T同時(shí)在讀寫器R 1和R 2的讀寫區(qū)間內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)讀寫器同時(shí)讀寫標(biāo)簽T時(shí)會(huì)發(fā)生干擾，兩個(gè)讀寫器可能 都不能準(zhǔn)確的瀆寫該標(biāo)簽，該種情況類似于移動(dòng)通信中的隱藏終端問(wèn)題。 

2 多讀寫器環(huán)境下干擾的解決方法 

傳統(tǒng)的解決干擾的方法主要有三種：時(shí)分復(fù)用(TDMA)，頻分復(fù)用(FDMA)，碼分復(fù)用(CDMA)。 碼分復(fù)用要求電路上更為復(fù)雜的標(biāo)簽電路，標(biāo)簽的使用數(shù)量往往非常大，考慮到成本因素標(biāo)簽電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，所以一一般不會(huì)采用碼分復(fù)用。頻分復(fù)用使用多個(gè)信道傳輸，一般讀寫器用的下行通路(從讀寫器到標(biāo)簽)使用固定頻率，而上行通路(從標(biāo)簽到讀寫器)采用不同的副載波頻率通信，頻分復(fù)用的缺點(diǎn)是讀寫器的成本較高，因?yàn)槊恳粋€(gè)信道都需要一個(gè)單獨(dú)的接收機(jī)。時(shí)分復(fù)用是把可使用的信道按 時(shí)間分配給各個(gè)讀寫器，這種技術(shù)構(gòu)成了防碰撞算法最大的一族。 

2．1 ETSI的Listen before talk 
制定RFID歐洲標(biāo)準(zhǔn)的ErlSI提出了一種多讀寫器協(xié)同工作方法，叫做“先偵聽再通信”(1isten before talk)，它的偵聽機(jī)制有點(diǎn)類似于以網(wǎng)中的CSMA技術(shù)，在一個(gè)讀寫器試圖和它周圍的標(biāo)簽通信之前，讀寫器必須先確定它所使用的信道是空閑狀態(tài)的，確保信道為空閑之后，讀寫器才能發(fā)起對(duì)標(biāo)簽的查詢， 否則必須等待信道空閑。“Listen before talk”方法可 
以有效地解決讀寫器對(duì)讀寫器的干擾問(wèn)題，但是對(duì)于讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾并沒(méi)有良好地解決，因?yàn)榧词拱l(fā)現(xiàn)信道是空閑的，有可能發(fā)生類似于移動(dòng)通信中的隱藏終端問(wèn)題。 

2．2 分時(shí)和色波算法相結(jié)合的方法 
為了更加有效地解決讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾，本文提出了一種分時(shí)和色波算法相結(jié)合的整體干擾解決方案。采用分時(shí)對(duì)標(biāo)簽和讀寫器的成本要求都不是很高，而實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^大，采用色波算法這樣一種分布式的在線算法，可以靈活有效地適應(yīng)各種不同地應(yīng)用場(chǎng)景。考慮到現(xiàn)實(shí)生活中RHD系統(tǒng)組網(wǎng)廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理，本文將采用倉(cāng)庫(kù)作為目標(biāo)場(chǎng)景，進(jìn)行建模和算法仿真。 

2．2．1 利用分時(shí)解決讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾 
讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾，主要是因?yàn)橄噜彽淖x寫器讀寫范圍發(fā)生了交疊，而處于這部分相交的讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽有可能同時(shí)被兩邊的讀寫器讀到，從而造成讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾。假設(shè)我們能夠得到工作區(qū)域內(nèi)所有的讀寫器的位置分布，那么通過(guò)分組
規(guī)劃然后再對(duì)各組進(jìn)行分時(shí)可以有效地避免讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾問(wèn)題。 

首先通過(guò)距離判斷，如果兩個(gè)讀寫器之間的距離小于他們的讀寫半徑之和，那么他們就可能產(chǎn)生讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾，解決這種類似隱藏終端問(wèn)題的最好辦法是讓他們分時(shí)工作。按照這樣的原則，將所有的讀寫器分成J7v組(N≥2)，因?yàn)椴煌M的
讀寫器工作在不同的time slot，這樣就最大程度的消除了同組中的讀寫器發(fā)生讀寫器對(duì)標(biāo)簽的干擾的可能，分組時(shí)盡量使得同組內(nèi)的讀寫器均勻分布在工作區(qū)域內(nèi)，并且各組內(nèi)的讀寫器數(shù)目近似相等。假設(shè)總的工作周期為 ，將 平均分成N個(gè)slot，每組 讀寫器都工作在其中的一個(gè)slot內(nèi)。 

2．2．2 利用色波算法解決同組內(nèi)讀寫器對(duì)讀寫器的干擾
對(duì)于組內(nèi)的多個(gè)讀寫器，雖然間隔較大，但是因?yàn)樽x寫器的干擾范圍遠(yuǎn)大于他的讀寫范圍，所以如果相鄰的讀寫器同時(shí)工作的話很有可能發(fā)生讀寫器對(duì)讀寫器的干擾，色波算法作為一種分布式的在線算法，不但容易實(shí)現(xiàn)，而且可以有效地減少讀寫器對(duì)讀寫器的干擾，在高節(jié)點(diǎn)傳輸概率的情況下，色波算法具有比其他退避算法更好的性能 ]。在色波算法中，用圖來(lái)表示讀寫器網(wǎng)絡(luò)，圖G=(V，E)是一對(duì)有限集合的組合，集合 是圖中所有端點(diǎn)的集合，集合E是圖中端點(diǎn)對(duì)的集合，端點(diǎn) ， 如果滿足(V1，V1 )∈ E，那么就說(shuō)他們是相鄰的。使用色波算法對(duì)一個(gè)圖的著色就是給端點(diǎn)賦予不同的顏色號(hào)碼，盡量使得兩個(gè)相鄰端點(diǎn)的顏色沒(méi)有相同的，而每個(gè)端點(diǎn)都只能在其對(duì)應(yīng)的顏色slot內(nèi)通信。 

3 仿真和結(jié)果 

3．1 仿真場(chǎng)景設(shè)置 
仿真的場(chǎng)景是一個(gè)大倉(cāng)庫(kù)，里面整齊的排放著一列列貨架，倉(cāng)庫(kù)的長(zhǎng)寬為80m×40m，其中總共布置了78個(gè)讀寫器，每個(gè)讀寫器的讀寫半徑是4m，間隔是6m。所有讀寫器的總體讀寫范圍覆蓋了整個(gè)倉(cāng)庫(kù)平面。仿真時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生各節(jié)點(diǎn)的起始顏色號(hào)， 仿真過(guò)程中有4個(gè)參數(shù)：最大顏色數(shù)，傳輸概率，仿真周期和讀寫器掃描方式。最大顏色數(shù)范圍從3到l0，傳輸概率是指讀寫器和周圍的標(biāo)簽通信的概率， 選取這樣的幾組數(shù)值：25％，50％，75％，仿真周期是 一個(gè)常數(shù)，表示仿真過(guò)程中讀寫器網(wǎng)絡(luò)的掃描總次數(shù)，讀寫器掃描方式共有兩種，分別為行掃描和列掃描。這樣仿真總共有8×3×2=48組。為了盡量減少不同的起始值對(duì)仿真結(jié)果的影響，仿真周期選取盡量大，本文把他選為100，000。仿真程序用C++編寫，程序運(yùn)行的環(huán)境是Linux 2．6．11 i386 512M內(nèi)存。仿真運(yùn)行完成后觀察總的節(jié)點(diǎn)成功傳輸次數(shù)和總的節(jié)點(diǎn)失敗重傳次數(shù)，計(jì)算出重傳指數(shù)，重傳指數(shù)的定義如下： 

重傳指數(shù)=節(jié)點(diǎn)重傳總數(shù)／(節(jié)點(diǎn)成功傳輸總數(shù)+ 節(jié)點(diǎn)重傳總數(shù)) 

對(duì)讀寫器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描時(shí)，采取兩字順序進(jìn)行掃描，行掃描和列掃描，分別計(jì)算兩種掃描方式下的重傳指數(shù)。 

3．2 讀寫器分組 
把所有的讀寫器分為兩組，每組39個(gè)，經(jīng)過(guò)分組之后的讀寫器的拓?fù)鋱D如圖3。圖中A，B兩組的讀寫器數(shù)目相同，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，相鄰節(jié)點(diǎn)的最小距離是8．484m，大于相鄰節(jié)點(diǎn)的讀寫距離之和4+4= 8m，滿足防止讀寫器對(duì)標(biāo)簽干擾的距離要求。 

讓這兩組讀寫器分時(shí)工作，如圖4所示，假設(shè)工作周期是T ，把T分為兩個(gè)slot，兩組讀寫器分別工作在slot A和slot B。 

因?yàn)閮山M讀寫器有著相同的拓?fù)洌x寫器數(shù)目也相等，所以在接下去的討論中，只需對(duì)其中任意的一組進(jìn)行DCS色波算法的仿真，來(lái)觀察其性能。以 A組讀寫器為例，圖5是A組讀寫器的色波圖。 

3．3 DCS色波算法仿真 
本文使用的DCS色波算法主要包括三個(gè)子程序 
子程序l一傳輸子程序main 
如果有通信請(qǐng)求發(fā)生： 
一如果(時(shí)序號(hào)％最大顏色號(hào))==當(dāng)前顏色號(hào) 
那么傳輸開始 
否則閑置直至(時(shí)序號(hào)％最大顏色號(hào)) 
= = 當(dāng)前顏色號(hào) 
DCS子程序2一沖撞檢測(cè)子程序Collosion 
如果試圖通信但是檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有沖撞產(chǎn)生： 
一當(dāng)前顏色號(hào)=隨機(jī)產(chǎn)生的新的不同的顏色號(hào) 
一將新產(chǎn)生的顏色號(hào)廣播給周圍的鄰居節(jié)點(diǎn) 
DCS子程序3一“踢”子程序Kick： 
如果鄰居節(jié)點(diǎn)收到包含顏色信息的kick信號(hào) 
一隨機(jī)的改變至0一個(gè)新的不同顏色 

3．4 仿真結(jié)果分析 
把8×3×2組仿真結(jié)果繪成曲線，按照掃描方式的不同繪成圖6，圖7。從圖6和圖7中可以看出，傳輸概率為75％的曲線總是在這三條曲線的最上方，傳輸概率為25％的曲線總是在最下方。這是 因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)模型中讀寫器數(shù)量多，而且分布密集，當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載越重時(shí)，需要同時(shí)工作的相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的重傳指數(shù)也就越高。對(duì)于兩種不同的掃描方式，仿真得到的結(jié)果也有所不同，因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)區(qū)域是一個(gè)長(zhǎng)方形平面，長(zhǎng)寬比例為80：40，當(dāng)采用行掃描(長(zhǎng)邊掃描優(yōu)先)時(shí)，讀寫器的重傳指數(shù)比采用列掃描(短邊掃描優(yōu)先)略低，這是因?yàn)椴捎昧袙呙钑r(shí)，因?yàn)榱袙呙枋嵌踢厭呙鑳?yōu)先，所以先掃描到的節(jié)點(diǎn)發(fā)送kick信號(hào)之后，可能在不久的將來(lái)又再接收到鄰近的后掃描到的節(jié)點(diǎn)發(fā)出的kick信號(hào)，造成一定程度的“顛簸”。

4 結(jié)束語(yǔ) 

本文提出了一種結(jié)合分時(shí)和色波算法的RFID 多讀寫器環(huán)境下的抗干擾方案，全面地解決了RFID 多讀寫器環(huán)境中的讀寫器對(duì)讀寫器干擾和讀寫器對(duì)標(biāo)簽干擾。采用分時(shí)算法不要求讀寫器· 采用多套接收機(jī)，也不要求標(biāo)簽采用更為復(fù)雜的電路，相對(duì)于頻分復(fù)用和碼分復(fù)用實(shí)現(xiàn)的成本更低，是當(dāng)前采用的最多的抗干擾手段。色波算法作為一種分布式的在線算法可以靈活有效地適應(yīng)各種讀寫器拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，兩者相結(jié)合可以有效地解決多讀寫器環(huán)境中的干擾問(wèn)題。