??? 摘 要： 在OPNET平臺上建立了通用的RFID網(wǎng)絡(luò)模型，并對UHF頻段的RFID主要標準ISO18000-6中的ALOHA類防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法進行仿真，得到了一組最優(yōu)化設(shè)置曲線供工程應(yīng)用參考，同時給出具體執(zhí)行方法。仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后算法可使標簽識別速率接近最優(yōu)值。
??? 關(guān)鍵詞： RFID? ALOHA? OPNET? 防碰撞算法? ISO18000-6???

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??? 當(dāng)前，無線射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)發(fā)展迅速。在RFID技術(shù)中，防碰撞算法直接影響電子標簽的識別速率，成為當(dāng)前研究熱點之一。主流RFID防碰撞算法包括ALOHA和二進制樹型搜索兩類，其中以ALOHA類防碰撞算法在工程中應(yīng)用最廣。對此類算法，較多文獻提出了改進，典型的有標簽數(shù)目估計法^[1]，EDFSA^[2]（改進的動態(tài)幀時隙" title="時隙">時隙ALOHA算法）等。但這些改進均是基于算法理論的修改，而非針對工程中現(xiàn)行RFID標準的研究，未給出工程中參考依據(jù)和具體執(zhí)行方法。同時這些文獻并未提出一個可執(zhí)行的RFID仿真模型，對其他多協(xié)議多標準的防碰撞算法、讀寫器" title="讀寫器">讀寫器之間的防碰撞研究等可參考性不強。
??? 本文以UHF頻段RFID技術(shù)主要行業(yè)標準ISO18000-6[3-4]中的ALOHA類防碰撞算法為研究對象。ISO18000-6 標準是《信息技術(shù)——針對物品管理的射頻識別（RFID）》的第六部分，針對頻率為860MHz～930MHz的無接觸空氣通信接口參數(shù)的定義，包含Type A、Type B和Type C三類協(xié)議。Type A和Type C中的防碰撞算法屬于ALOHA類，Type B屬于二進制樹型搜索類。本文在OPNET平臺上建立了RFID網(wǎng)絡(luò)模型，可用于RFID各種算法的仿真研究。在此基礎(chǔ)上對ISO18000-6 標準中的ALOHA類防碰撞算法進行優(yōu)化，得到一組最優(yōu)化設(shè)置曲線，對工程應(yīng)用有一定的參考價值。
1 ALOHA類防碰撞算法
??? ISO18000-6標準中Type A協(xié)議[3]的防碰撞算法是基于時隙ALOHA原理的。Type A協(xié)議的標簽?zāi)軌蜻M入下列狀態(tài)的任何一種：離場掉電、準備、靜默、選中、識別、掛起。進入識別狀態(tài)的標簽將進行沖突檢測，此時防碰撞算法開始工作。
??? 讀寫器發(fā)送Init_round（開始識別）命令，設(shè)定Round_size參數(shù)（長度3bit）。該參數(shù)規(guī)定：單次識讀循環(huán)的時隙總數(shù)為1、8、16、32、64、128和256中任一值，即單次識讀循環(huán)最多可識別256個標簽。處于準備態(tài)的標簽接收此命令后進入識別態(tài)，標簽隨機數(shù)發(fā)生器隨機選擇時隙數(shù)，并將時隙計數(shù)器置1。如果標簽隨機選擇的時隙數(shù)等于時隙計數(shù)器數(shù)，標簽將回發(fā)ID數(shù)據(jù)包。讀寫器發(fā)送完命令后，若沒有標簽回答，則發(fā)送Close_slot（結(jié)束時隙）命令，處于識別態(tài)而未回答的標簽收到此命令其時隙計數(shù)器加1；若讀寫器檢測到多個標簽回答沖突或CRC碼錯誤，則發(fā)送Close_slot命令，處于識別態(tài)而未回答的標簽收到此命令后時隙計數(shù)器加1；若讀寫器接收到一個標簽的正確回答，則發(fā)送Next_slot（下一時隙）命令，該命令包含剛讀到的標簽ID，處于識別態(tài)的所有標簽收到此命令后時隙計數(shù)器都加1，剛回發(fā)過ID的標簽確認命令中的ID與自己一致后進入靜默狀態(tài)，否則標簽將繼續(xù)停留在識別狀態(tài)。一組命令過后，若讀寫器檢測到時隙數(shù)等于最初設(shè)定的Round_size，則本次循環(huán)結(jié)束。讀寫器可以通過發(fā)送Init_round命令或New_round（新識別）命令開始新的循環(huán)，新循環(huán)中的Round_size可以固定使用原值，也可以根據(jù)碰撞次數(shù)動態(tài)調(diào)整，或者由用戶設(shè)置。
??? Type C協(xié)議^[4]來源于EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID標準[5]（第1類第2代UHF RFID射頻識別協(xié)議通訊協(xié)議），其防碰撞算法也是基于時隙ALOHA原理，主要過程與Type A類似。讀寫器發(fā)送Query（查詢）命令開始識別循環(huán)，該命令里有一個參數(shù)Q（長度4bit，取值范圍為0～15），規(guī)定單次識讀循環(huán)的時隙總數(shù)為0～2Q-1，即單次識讀循環(huán)最多可以識別65 536個標簽。Q值的作用相當(dāng)于Type A協(xié)議中的Round_size，新循環(huán)中的Q值可以固定使用原值、動態(tài)調(diào)整或用戶設(shè)置。
??? ALOHA類防碰撞算法中一個很重要的參數(shù)就是單次識讀循環(huán)的時隙總數(shù)，協(xié)議中由Round_size和Q值規(guī)定。實際工程中往往固定該參數(shù)或者根據(jù)碰撞次數(shù)由自適應(yīng)算法自動調(diào)整該參數(shù)。前者的缺陷在于標簽數(shù)量過小或者過大時，固定的參數(shù)會減慢識別速率。后者的缺陷在于自適應(yīng)算法的調(diào)整速率很慢，而且標準中并未給出Round_size和Q值的設(shè)置依據(jù)。在工程應(yīng)用中需要尋求單次識讀循環(huán)時隙總數(shù)的最優(yōu)化取值，盡可能提高標簽識別速率。下文將針對這個目標進行建模和測試。
2 OPNET建模
??? OPNET（Optimized Network Engineering Tools）使用有限狀態(tài)機對協(xié)議和其他過程建模，提供核心庫函數(shù)全面支持協(xié)議編程，采用基于數(shù)據(jù)包的通信機制、離散事件驅(qū)動機制和面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ǎ窍到y(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)算法仿真的理想工具^[6]。采用OPNET來仿真RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以直觀地模擬標簽與讀寫器的通信過程，準確地建立符合協(xié)議標準的模型，同時OPNET提供了豐富的測試和參數(shù)統(tǒng)計工具。OPNET建立的每種仿真模型都包括Network（網(wǎng)絡(luò)級）、Node（節(jié)點級）和Process（進程級）三個層次，分別使用Project編輯器" title="編輯器">編輯器、Node編輯器和Process編輯器進行編輯。
2.1 創(chuàng)建RFID網(wǎng)絡(luò)模型
??? 首先在Project編輯器中建立RFID網(wǎng)絡(luò)級模型。圖1為一個RFID網(wǎng)絡(luò)級模型，它包含兩類節(jié)點，中心節(jié)點是讀寫器（reader），周圍節(jié)點（tag_0～tag_14）是標簽節(jié)點，標簽節(jié)點處于讀寫器節(jié)點射頻場范圍內(nèi)，采用無線信道。讀寫器節(jié)點和標簽節(jié)點分別用于模擬實際系統(tǒng)中的讀寫器和電子標簽。通過調(diào)整讀寫器節(jié)點天線模塊的方向角和發(fā)射功率來設(shè)定讀寫器射頻場范圍，用于模擬實際應(yīng)用中標簽進入射頻場的情況，如超市、門禁等場合。

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2.2 創(chuàng)建節(jié)點模型
??? RFID網(wǎng)絡(luò)對象的節(jié)點內(nèi)部模型是在Node編輯器中創(chuàng)建的。圖2是標簽節(jié)點內(nèi)部模型。讀寫器節(jié)點與之相同。讀寫器和標簽節(jié)點都包含幾個處理器模塊，一個無線發(fā)送機模塊，一個無線接收機模塊，一個天線模塊。其中sink處理器模塊從無線接收機模塊接收對方節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包并產(chǎn)生響應(yīng)代碼發(fā)送給proc處理器，proc處理器根據(jù)相應(yīng)代碼產(chǎn)生命令或者ID數(shù)據(jù)包并發(fā)送給無線發(fā)送機模塊。?

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??? 對于讀寫器節(jié)點和標簽節(jié)點之間的無線信道建模，根據(jù)Type A協(xié)議無線通信物理接口參數(shù)的定義，進行無線信道屬性設(shè)置。OPNET無線仿真用14個首尾相接的管道階段（Pipeline Stage）來盡量真實地模仿數(shù)據(jù)幀在信道中的傳輸^[6]。天線模塊采用isotropic模型，理想全向天線。讀寫器和標簽節(jié)點內(nèi)部的無線發(fā)送機和接收機模塊的屬性設(shè)置為:數(shù)據(jù)傳輸速率標簽到讀寫器40kb/s，讀寫器到標簽33kb/s，頻率范圍860MHz～930MHz，采用高斯信道。
2.3 創(chuàng)建進程模型
??? 讀寫器和標簽的處理器模塊都需要Process編輯器創(chuàng)建進程模型。讀寫器節(jié)點的proc處理器進程模型如圖3所示，其作用是根據(jù)標簽回答情況產(chǎn)生Init_round、Close_slot、Next_slot、New_round命令數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包傳給無線發(fā)送模塊，發(fā)送給標簽。標簽節(jié)點的處理器進程模型主要是產(chǎn)生和發(fā)送ID數(shù)據(jù)包，并讓本標簽進入靜默狀態(tài)。

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??? 網(wǎng)絡(luò)級、節(jié)點級和進程級模型建立好，逐層將這些模型封裝起來成為最終的符合ISO18000-6標準的RFID網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。上文所建的是Type A協(xié)議模型，建立符合Type B或Type C協(xié)議的模型只需將處理器進程模型、無線發(fā)送機和無線接收機模塊的設(shè)置根據(jù)不同標準做相應(yīng)調(diào)整即可。同理，建立符合其他協(xié)議和標準的模型，只需要按照標準調(diào)整天線、無線發(fā)送機和接收機模塊的屬性設(shè)置以及改動進程模型即可。
??? 采用圖1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)驗證建模的準確性。驗證過程采用ODB調(diào)試和VC聯(lián)調(diào)相結(jié)合的方法。ODB調(diào)試用于追蹤顯示整個通信過程，VC聯(lián)合調(diào)試用于觀察內(nèi)部關(guān)鍵變量的變化情況。本文所建RFID網(wǎng)絡(luò)模型調(diào)試結(jié)果符合ISO18000-6標準的防碰撞機制，驗證了建模的準確性。
3 算法優(yōu)化與分析
??? ALOHA算法使用吞吐量衡量系統(tǒng)性能，吞吐量定義為一幀的發(fā)送時間內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)。定義S為吞吐量，G為網(wǎng)絡(luò)負載即一幀的發(fā)送時間內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)，則時隙ALOHA算法的吞吐量公式為：
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??? 而RFID防碰撞算法優(yōu)劣的主要判別依據(jù)是標簽識別速率。與吞吐量類似，在RFID系統(tǒng)中，定義標簽識別速率為V, T為成功識別的標簽總數(shù)，N為成功識別這些標簽所用的時間,則標簽識別速率的公式為:
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例如工程中某款讀寫器的標簽識別速率為300個標簽/秒，是指它每秒能成功識別300個標簽。為簡化測試，定義t為單位時隙，即讀寫器連續(xù)兩條命令之間的時間間隔，n為成功識別所有標簽所用的時隙總數(shù)，則式(2)可推導(dǎo)為:

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??? 由于單位時隙t在同等硬件條件下可近似為固定的，故仿真測試用的標簽識別速率可近一步簡化為式(4)，即單位時隙內(nèi)成功識別的標簽數(shù)目。
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??? 利用OPNET仿真參數(shù)統(tǒng)計工具對所建模型進行測試，收集不同Round_size設(shè)置下的標簽識別速率。測試時在讀寫器射頻場內(nèi)放入的標簽依次為2、4、8、20、30、60、100、300個，運行500次取均值，得到表1測試結(jié)果。表1中識別速率為0是指所用識讀時隙總數(shù)過大，在運行過程中幾乎無法識別一個標簽。
??? 分析表1得到，對應(yīng)每種標簽數(shù)目，存在著一個最優(yōu)的Round_size設(shè)置使得標簽識別速率最快，而且這種最優(yōu)的Round_size值是隨著標簽數(shù)目變化而變化的。表1中可以看到，標簽數(shù)目為2時，Round_size取8的標簽識別速率最快；標簽數(shù)目為300時，Round_size取128的識別速率最快。如果采用固定的Round_size，則標簽數(shù)目過大或過小時都會造成識別速率降低：如固定Round_size＝8，標簽數(shù)目超過60時識別速率為0；固定Round_size＝256，標簽數(shù)目較小時識別速率接近0。
為測試出不同標簽數(shù)目下的最優(yōu)化的Round_size或者Q值，減小放入讀寫器射頻場內(nèi)的標簽數(shù)目間隔，并增加仿真運行次數(shù)，得到圖4和圖" title="和圖">和圖5兩條參數(shù)優(yōu)化設(shè)置曲線。圖4和圖5分別針對Type A協(xié)議和Type C協(xié)議。這兩條曲線為調(diào)整Round_size和Q值提供了依據(jù)。

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??? 本文在OPNET平臺上建立的仿真和測試模型具有建模直觀、測試方便的優(yōu)點，可移植于其他防碰撞算法、RFID標準和協(xié)議、RFID數(shù)據(jù)加密算法、多讀寫器防沖撞技術(shù)等方面的研究，具有較高的通用性。
參考文獻
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