應(yīng)急物資管理射頻標(biāo)簽優(yōu)化技術(shù)及仿真

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摘要:射頻標(biāo)簽(RFIDtag)又稱(chēng)電子標(biāo)簽，在跟蹤、物流、應(yīng)急物資管理等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。其中，用于解決射頻讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)多標(biāo)簽識(shí)別的射頻標(biāo)簽防碰撞方法是該領(lǐng)域的重要研究點(diǎn)。目前學(xué)術(shù)界對(duì)射頻標(biāo)簽防碰撞問(wèn)題集中于對(duì)算法本身的研究，一般沒(méi)有考慮射頻標(biāo)簽編碼策略的因素。本文對(duì)采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率進(jìn)行比較研究。本文進(jìn)一步提出，在射頻標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和射頻標(biāo)簽編址策略的具體選擇過(guò)程中，需要綜合考慮射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)瓶頸等多種關(guān)鍵因素，全面優(yōu)化射頻標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的性能。本文的研究成果具有較高的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞:射頻標(biāo)簽;防碰撞;編址策略;應(yīng)急;物資管理;計(jì)算機(jī)仿真

1研究背景和概述

射頻標(biāo)簽(RFIDtag)又稱(chēng)電子標(biāo)簽，在跟蹤、物流、物資管理等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，例如:圖書(shū)館門(mén)禁系統(tǒng)，交通收費(fèi)，倉(cāng)儲(chǔ)管理、貨架管理以、應(yīng)急物資管理及食品安全溯源等。其中，用于解決讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)多標(biāo)簽識(shí)別情景下的射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞方法已成為該領(lǐng)域的重要研究點(diǎn)。射頻標(biāo)簽的防碰撞方法主要是為了解決在射頻標(biāo)簽識(shí)別設(shè)備的有效通信區(qū)域內(nèi)，當(dāng)多個(gè)射頻標(biāo)簽同時(shí)與識(shí)別設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)產(chǎn)生的地址沖突問(wèn)題。目前學(xué)術(shù)界對(duì)射頻標(biāo)簽防碰撞問(wèn)題集中于對(duì)算法本身的研究，一般沒(méi)有考慮射頻標(biāo)簽編碼策略的因素。本文對(duì)采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率進(jìn)行比較研究。通過(guò)模擬仿真可以得出結(jié)論，利用“隨機(jī)編址”策略可以獲得比“層次化編址”策略更高的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率。而“層次化編址”策略也有其優(yōu)勢(shì)，一是現(xiàn)有的商用射頻標(biāo)簽產(chǎn)品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續(xù)增加的“層次化編址”策略；二是“層次化編址”本身可以直接提供商品廠家、類(lèi)型等信息。因此，研究針對(duì)“層次化編址”策略的射頻標(biāo)簽防碰撞算法、以及研究“層次化編址”策略的應(yīng)用場(chǎng)景是下一步的研究方向。

2射頻標(biāo)簽編碼策略分析

2.1射頻標(biāo)簽國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用的射頻標(biāo)簽編碼協(xié)議

在較早版本的射頻標(biāo)簽國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如ISO18000-6TypeB）中，射頻標(biāo)簽的地址是固定的。而在較新的射頻標(biāo)簽國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO18000-6TypeC）集中，用戶(hù)可以根據(jù)需要優(yōu)化定制射頻標(biāo)簽編址策略。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，需要更加靈活的射頻標(biāo)簽國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此本文研究采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法情況下，分別對(duì)射頻標(biāo)簽使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略時(shí)，對(duì)射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率的影響，為射頻識(shí)別系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新的射頻標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)制定提供參考。

2.2層次化編址策略與隨機(jī)編址策略

作為“層次化編址”策略的一個(gè)例子，EPC（ElectronicProductCode）即電子產(chǎn)品編碼，是一種編碼系統(tǒng)。它建立在EAN.UCC（即全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)）條型編碼的基礎(chǔ)之上，并對(duì)該條形編碼系統(tǒng)做了一些擴(kuò)充，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)單品進(jìn)行標(biāo)志。EPC編碼由版本號(hào)、產(chǎn)品域名管理、產(chǎn)品分類(lèi)部分和序列號(hào)四個(gè)字段組成。EPC編碼根據(jù)地址長(zhǎng)度的不同又分為EPC-64,EPC-96等多種編碼方法，如圖1所示。EPC-64是目前得到行業(yè)支持較廣泛的一種EPC編碼方法，又分為T(mén)YPE-I,TYPE-II,TYPE-III三種實(shí)現(xiàn)方案。較新的射頻標(biāo)簽國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO18000-6TypeC也在協(xié)議的層面上對(duì)EPC提供了支持?！半S機(jī)編址”策略，顧名思義，就是對(duì)每一個(gè)射頻標(biāo)簽隨機(jī)生成和分配一個(gè)地址。隨機(jī)生成的地址僅做標(biāo)簽識(shí)別，沒(méi)有具體的意義，可以在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中與產(chǎn)品類(lèi)型、廠商品牌等其他信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3基于計(jì)算機(jī)仿真的射頻標(biāo)簽編碼策略比較研究

3.1射頻標(biāo)簽編碼策略計(jì)算機(jī)仿真

本文開(kāi)發(fā)了射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法計(jì)算機(jī)仿真軟件，分別對(duì)射頻標(biāo)簽使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。在仿真過(guò)程中，射頻標(biāo)簽防碰撞算法采用經(jīng)典的QT算法。射頻標(biāo)簽地址長(zhǎng)度為64bit。對(duì)于“層次化編址”策略，采用EPC-64TYPY-I規(guī)范，對(duì)“隨機(jī)編址”策略，采用隨機(jī)生成的方式生成射頻標(biāo)簽地址。射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)的選擇基于現(xiàn)實(shí)的射頻標(biāo)簽讀取場(chǎng)景，包括超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景和大型倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景。這兩種場(chǎng)景的共同點(diǎn)是每種場(chǎng)景下系統(tǒng)都需要考慮兩個(gè)數(shù)量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已經(jīng)入庫(kù)且分配了射頻標(biāo)簽的物品總數(shù)量，Nlocal表示射頻標(biāo)簽閱讀器某一次讀取操作中需要讀取的射頻標(biāo)簽數(shù)量。在超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景下Nlocal大約在數(shù)十個(gè)的數(shù)量級(jí)，在大型倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景場(chǎng)景下Nlocal大約在數(shù)百個(gè)的數(shù)量級(jí)。而Ntotal可能在幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)的數(shù)量級(jí)。在本文的模擬過(guò)程中，Ntotal取值為10000至100000，每隔10000計(jì)算一個(gè)模擬數(shù)值。而Ntotal取20和200兩個(gè)數(shù)值，分別模擬超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景和大型倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景。

3.2不同射頻標(biāo)簽編址策略仿真結(jié)果

可以看出在射頻標(biāo)簽閱讀器一次需要讀取20個(gè)射頻標(biāo)簽的情景下，采用隨機(jī)編址策略時(shí)，射頻標(biāo)簽閱讀器只需發(fā)起50次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發(fā)起400次左右前綴匹配。由圖3右側(cè)圖表可以看出在射頻標(biāo)簽閱讀器一次需要讀取200個(gè)射頻標(biāo)簽的情景下，采用隨機(jī)編址策略情況下，射頻標(biāo)簽閱讀器只需發(fā)起不到600次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發(fā)起800至1500次前綴匹配。

3.3仿真結(jié)果分析與進(jìn)一步的研究方向

通過(guò)上文的仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論：采用隨機(jī)編址策略，射頻標(biāo)簽閱讀器可以通過(guò)發(fā)起更少的射頻標(biāo)簽前綴匹配操作，完成射頻標(biāo)簽匹配讀取任務(wù)，射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率由于“層次化編址”策略。出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)?，在使用隨機(jī)編碼編址情況下，射頻標(biāo)簽間的地址是低相關(guān)性的，標(biāo)簽地址沖突只會(huì)出現(xiàn)在射頻標(biāo)簽地址前幾位。而采用層次化編址策略情況下，射頻標(biāo)簽間的地址是高相關(guān)性的，在不同策標(biāo)簽地址層次分段上，都有可能產(chǎn)生射頻標(biāo)簽地址讀取沖突。雖然從射頻標(biāo)簽讀取效率的角度講，“隨機(jī)編址”策略，優(yōu)于“層次化編址”策略，然而簡(jiǎn)單放棄“層次化編址”策略并非最終的解決方案。第一個(gè)原因是而現(xiàn)有的射頻標(biāo)簽產(chǎn)品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續(xù)增加的“層次化編址”策略；第二個(gè)原因是“層次化編址”策略本身比“隨機(jī)編址”策略直接提供了關(guān)于產(chǎn)品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面幾個(gè)方面：一是對(duì)基本的QT算法進(jìn)行優(yōu)化，研究在采用層次化射頻標(biāo)簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標(biāo)簽讀取算法。二是從系統(tǒng)優(yōu)化的觀點(diǎn)選取適合的射頻標(biāo)簽編址策略。例如某應(yīng)用需要通過(guò)掃描射頻標(biāo)簽獲得產(chǎn)品信息，就需要從系統(tǒng)的角度考慮是直接采用包含產(chǎn)品信息的“層次化編址策略”更加優(yōu)化，還是采用“隨機(jī)編址”策略，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取產(chǎn)品信息更加優(yōu)化。

4結(jié)論

射頻標(biāo)簽又稱(chēng)電子標(biāo)簽，是一種得到廣泛應(yīng)用的物品單元自動(dòng)識(shí)別通信技術(shù)。本文根據(jù)射頻標(biāo)識(shí)技術(shù)的最新發(fā)展，在射頻標(biāo)簽地址優(yōu)化編碼技術(shù)方向上開(kāi)展研究與仿真。模擬結(jié)果表明采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法，利用“隨機(jī)編址”策略可以獲得比“層次化編址”更高的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率。下一步的研究方向包括：一是對(duì)基本的QT算法進(jìn)行優(yōu)化，研究在采用層次化射頻標(biāo)簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標(biāo)簽讀取算法；二是面向應(yīng)用，綜合考慮射頻標(biāo)簽識(shí)別算法吞吐率、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)瓶頸等多種關(guān)鍵影響因素，從系統(tǒng)優(yōu)化的觀點(diǎn)選取適合的射頻標(biāo)簽編址策略。本文的研究成果具有較高的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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作者:李競(jìng) 單位:中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院