论文部分内容阅读
2010年物联网被列入国家发展战略,物联网相关研究工作得到大力支持并继续稳步、快速、深入推进,基于物联网的各种应用系统不断实现。物联网与其它网络系统相似,采用层次体系结构,包括感知层、网络层、应用层。感知层主要采用RFID (Radio Frequency Identification)、无线传感器网络和红外线等完成对物体有关数据采集,其中RFID技术是物联网体系结构的主要感知层技术。物联网的网络层采用计算机网络层技术,将感知层所接采集的数据传送到数据中心。应用层对数据中心的数据进行分析和处理,提供用户所需要的信息。RFID系统由阅读器和众多标签组成,标签被动响应阅读器的盘查命令。当多个标签同时向阅读器传送其所依附的物体身份数据时,在阅读器处会发生数据冲突而导致其无法接收任何一个标签数据。这种数据冲突降低了阅读器识别标签速度,即标签碰撞问题,在动态环境中还会引起标签漏读问题。科研工作者通过研究标签防碰撞协议来降低标签在阅读器处的碰撞率来解决这些问题,标签防碰撞协议是RFID技术的三个关键技术之一。针对标签碰撞问题已有不少标签防碰撞协议方面研究成果,但这些防碰撞协议的识别效率仍然较低,无法满足物联网发展所面临的动态环境下快速可靠地大规模识别标签的需要,研究适用于动态环境的高性能标签防碰撞协议也就成为当前一项紧迫课题。现有标签防碰撞协议假定识别标签过程中没有新标签到达阅读器识别区域,因此可以通过前一识别阶段标签识别情况来有效地估计当前阶段中的待识别标签数,得到防碰撞协议最优运行参数。在动态环境下,识别过程的每个识别阶段可能有新的标签到达,故现有标签防碰撞协议的标签数估计方法无法有效地估计当前阶段待识别标签数,从而这些协议也就无法在动态环境下最优运行,标签识别性能必然下降,并产生严重的标签漏读问题。归纳这些并进一步分析可知,现有标签防碰撞协议不适应动态环境所引起的标签漏读问题的主要原因包括协议在确定其参数时没有考虑新到达标签以及它们的识别效率较低。本论文基于这两个原因,一方面从动态环境下标签估计角度,基于识别过程模型提出两个动态帧时隙标签防碰撞协议(算法),另一方面,提出了两个基于预约机制高效率标签防碰撞协议让阅读器在每个识别阶段识别绝大部分标签。此外,通过布置多阅读器RFID系统来扩大标签识别覆盖范围以进一步有效地降低标签漏读率。为此从上述三方面开展了系列研究工作,相应研究成果如下：(1)针对经典动态帧时隙Aloha协议没有考虑新到达标签所引起的动态环境下识别效率下降问题,提出了一种支持标签持续到达的动态帧时隙防碰撞协议CDFSA (Continuous arrival Dynamic Framed Slotted Aloha)。为此,建立了持续到达条件下标签识别过程模型,基于该模型运用泊松过程叠加原理和帧效率优化方法来确定帧长,实现了识别过程的高效性。此外,运用随机服务系统理论得到满足协议平稳工作条件的标签到达率上限,为协议稳定运行提供理论依据。(2)研究目前广泛应用的EPCglobal Class 1 Generation 2 (EPC-C1G2)系统在动态环境下识别性能下降问题,提出了一种计算复杂性低的标签到达率预测算法对标签到达率进行估计,以及基于效率优化方法来确定协议参数。在此基础上,论文提出了适用于EPC-C1G2系统的新型标签防碰撞算法G2-CDFSA (Continuous arrival Dynamic Framed Slotted Alogorithm for the EPC-ClG2)。(3)提出采用预约机制的防碰撞协议RSMBA (Reservation Slot with Multi-Bits Aloha),它能够为标签按需分配识别时隙。该协议采用预约机制将标签识别过程分为预约帧时隙和帧时隙识别两个阶段,以极低预约时间开销换来了帧时隙识别阶段碰撞帧时隙数显著减少和空闲帧时隙消除。建立了用于效率优化的协议数学模型,并采用数值计算方法得到了协议最优参数,从而将标签识别性能大幅提升,效率达到91.28%,故RSMBA协议适用于动态环境下高识别性能需求。进一步地提出该协议的标签数估计方法,基于该估计方法对协议性能进行了评估。此外,复杂性分析表明该协议标签复杂比EPC-C1G2系统标签更低。(4)提出了基于捕获效应的预约机制防碰撞协议SARCE (Slot Assignment based on Reservation with Capture Effect)。建立了该协议数学分析模型,基于该分析模型得到了协议运行的最优参数。性能评估表明,该协议的识别性能显著高于现有协议,效率达到92.6%。此外,研制了基于预约机制协议的RFID原型系统,验证了RSMBA和SARCE的有效性。(5)考虑动态环境下多阅读器系统布置需求,提出了RFID数据集成中间件作为进一步研究基础,以实现在动态环境下快速可靠地大规模识别标签目的,该中间件也是标签防碰撞协议应用方案。此外,考虑RFID经典应用场景,研制采用RFID身份识别的基于层次体系结构的嵌入式监控系统。