本文關鍵詞：動態(tài)環(huán)境下RFID標簽防碰撞協(xié)議研究和RFID應用

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【摘要】：2010年物聯(lián)網(wǎng)被列入國家發(fā)展戰(zhàn)略,物聯(lián)網(wǎng)相關研究工作得到大力支持并繼續(xù)穩(wěn)步、快速、深入推進,基于物聯(lián)網(wǎng)的各種應用系統(tǒng)不斷實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)與其它網(wǎng)絡系統(tǒng)相似,采用層次體系結構,包括感知層、網(wǎng)絡層、應用層。感知層主要采用RFID (Radio Frequency Identification)、無線傳感器網(wǎng)絡和紅外線等完成對物體有關數(shù)據(jù)采集,其中RFID技術是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的主要感知層技術。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層采用計算機網(wǎng)絡層技術,將感知層所接采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。應用層對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進行分析和處理,提供用戶所需要的信息。RFID系統(tǒng)由閱讀器和眾多標簽組成,標簽被動響應閱讀器的盤查命令。當多個標簽同時向閱讀器傳送其所依附的物體身份數(shù)據(jù)時,在閱讀器處會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突而導致其無法接收任何一個標簽數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)沖突降低了閱讀器識別標簽速度,即標簽碰撞問題,在動態(tài)環(huán)境中還會引起標簽漏讀問題�？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^研究標簽防碰撞協(xié)議來降低標簽在閱讀器處的碰撞率來解決這些問題,標簽防碰撞協(xié)議是RFID技術的三個關鍵技術之一。針對標簽碰撞問題已有不少標簽防碰撞協(xié)議方面研究成果,但這些防碰撞協(xié)議的識別效率仍然較低,無法滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的動態(tài)環(huán)境下快速可靠地大規(guī)模識別標簽的需要,研究適用于動態(tài)環(huán)境的高性能標簽防碰撞協(xié)議也就成為當前一項緊迫課題�，F(xiàn)有標簽防碰撞協(xié)議假定識別標簽過程中沒有新標簽到達閱讀器識別區(qū)域,因此可以通過前一識別階段標簽識別情況來有效地估計當前階段中的待識別標簽數(shù),得到防碰撞協(xié)議最優(yōu)運行參數(shù)。在動態(tài)環(huán)境下,識別過程的每個識別階段可能有新的標簽到達,故現(xiàn)有標簽防碰撞協(xié)議的標簽數(shù)估計方法無法有效地估計當前階段待識別標簽數(shù),從而這些協(xié)議也就無法在動態(tài)環(huán)境下最優(yōu)運行,標簽識別性能必然下降,并產(chǎn)生嚴重的標簽漏讀問題。歸納這些并進一步分析可知,現(xiàn)有標簽防碰撞協(xié)議不適應動態(tài)環(huán)境所引起的標簽漏讀問題的主要原因包括協(xié)議在確定其參數(shù)時沒有考慮新到達標簽以及它們的識別效率較低。本論文基于這兩個原因,一方面從動態(tài)環(huán)境下標簽估計角度,基于識別過程模型提出兩個動態(tài)幀時隙標簽防碰撞協(xié)議(算法),另一方面,提出了兩個基于預約機制高效率標簽防碰撞協(xié)議讓閱讀器在每個識別階段識別絕大部分標簽。此外,通過布置多閱讀器RFID系統(tǒng)來擴大標簽識別覆蓋范圍以進一步有效地降低標簽漏讀率。為此從上述三方面開展了系列研究工作,相應研究成果如下：(1)針對經(jīng)典動態(tài)幀時隙Aloha協(xié)議沒有考慮新到達標簽所引起的動態(tài)環(huán)境下識別效率下降問題,提出了一種支持標簽持續(xù)到達的動態(tài)幀時隙防碰撞協(xié)議CDFSA (Continuous arrival Dynamic Framed Slotted Aloha)。為此,建立了持續(xù)到達條件下標簽識別過程模型,基于該模型運用泊松過程疊加原理和幀效率優(yōu)化方法來確定幀長,實現(xiàn)了識別過程的高效性。此外,運用隨機服務系統(tǒng)理論得到滿足協(xié)議平穩(wěn)工作條件的標簽到達率上限,為協(xié)議穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)。(2)研究目前廣泛應用的EPCglobal Class 1 Generation 2 (EPC-C1G2)系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下識別性能下降問題,提出了一種計算復雜性低的標簽到達率預測算法對標簽到達率進行估計,以及基于效率優(yōu)化方法來確定協(xié)議參數(shù)。在此基礎上,論文提出了適用于EPC-C1G2系統(tǒng)的新型標簽防碰撞算法G2-CDFSA (Continuous arrival Dynamic Framed Slotted Alogorithm for the EPC-ClG2)。(3)提出采用預約機制的防碰撞協(xié)議RSMBA (Reservation Slot with Multi-Bits Aloha),它能夠為標簽按需分配識別時隙。該協(xié)議采用預約機制將標簽識別過程分為預約幀時隙和幀時隙識別兩個階段,以極低預約時間開銷換來了幀時隙識別階段碰撞幀時隙數(shù)顯著減少和空閑幀時隙消除。建立了用于效率優(yōu)化的協(xié)議數(shù)學模型,并采用數(shù)值計算方法得到了協(xié)議最優(yōu)參數(shù),從而將標簽識別性能大幅提升,效率達到91.28%,故RSMBA協(xié)議適用于動態(tài)環(huán)境下高識別性能需求。進一步地提出該協(xié)議的標簽數(shù)估計方法,基于該估計方法對協(xié)議性能進行了評估。此外,復雜性分析表明該協(xié)議標簽復雜比EPC-C1G2系統(tǒng)標簽更低。(4)提出了基于捕獲效應的預約機制防碰撞協(xié)議SARCE (Slot Assignment based on Reservation with Capture Effect)。建立了該協(xié)議數(shù)學分析模型,基于該分析模型得到了協(xié)議運行的最優(yōu)參數(shù)。性能評估表明,該協(xié)議的識別性能顯著高于現(xiàn)有協(xié)議,效率達到92.6%。此外,研制了基于預約機制協(xié)議的RFID原型系統(tǒng),驗證了RSMBA和SARCE的有效性。(5)考慮動態(tài)環(huán)境下多閱讀器系統(tǒng)布置需求,提出了RFID數(shù)據(jù)集成中間件作為進一步研究基礎,以實現(xiàn)在動態(tài)環(huán)境下快速可靠地大規(guī)模識別標簽目的,該中間件也是標簽防碰撞協(xié)議應用方案。此外,考慮RFID經(jīng)典應用場景,研制采用RFID身份識別的基于層次體系結構的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.44

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本文編號：1205005