开题报告--移动标签在动态RFID系统中的防碰撞研究--2013级---杨林

西南石油大学研究生学位论文开题报告论文题目移动标签在动态RFID系统中的防碰撞研究院系计算机科学学院专业计算机技术年级2013级姓名杨林导师梅大成教授填表时间2015年06月30日一、目的意义和国内外研究概况近年来物联网的大力发展，物联网的相关技术在国内掀起一片热潮，作为物联网识别层核心技术的RFID技术也是得到我们的重视。中国人口众多，经济规模庞大，是全球的制造中心，RFID技术应用有着广阔的市场。所以，研究RFID的核心技术和开发自己的RFID产品具有战略的意义。而RFID防碰撞一直是RFID的核心技术和研究方向。而物联网技术在物流、交通、流水线上得到了广泛的应用，所以动态的防碰撞技术更是在实际应用中应该解决的难题。本文最终会将动态标签防碰撞应用到应急演练系统中，使应急演练系统采集的数据跟加精确，达到更好的演练目的。RFID的发展历程和研究现状：1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1990-2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID技术在国外的发展非常早，相关技术非常成熟，尤其是在美、英、俄、日、韩、瑞士、瑞典扥国家，已经有较完备的RFID系统。发达国家在核心技术，特别是芯片技术上以开发出相对完备的产品线，并且由于技术进步和电子标签工艺的发展，加之成本的降低，应用的推广也进入了良性的循环阶段。而在国内RFID技术的研究尚不及发达国家，特别是芯片设计方面，能提供的RFID芯片的商家还较少。然而，自2005年国家科技部863计划间RFID列入重点项目，且随着国家“十二五”规划中物联网上升为国家战略，RFID发展中的共性技术和前瞻性技术受到了更大的关注，包括电子标签芯片设计、天线设计、RFID系统测试技术及开放式平台建设等方面。防碰撞算法研究现状：RFID技术研究必须重点关注的就是防碰撞技术。通信碰撞是长久以来一直存在的问题，通信中数据的正确性和完整性是保证通信性能的关键。在RFID系统中，来自外界的干扰以及多阅读器多标签同时占用信道的情况均会产生通信碰撞，不能正确识别。当前国内外的防碰撞算法主要通过多址方式来实现，时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）。常见的算法主要是基于时分多址方式的ALOHA类防碰撞算法和二进制树防碰撞算法及其改进算法。在ISO/IEC4443标准中分别规定了基于ALOHA和基于二进制树的TypeA和TypeB两种算法：ISO18000-6标准中也规定了基于ALOHA和二进制的A、B、C三种防碰撞算法；在EPCglobal中也有Class1和Gen2标准防碰撞算法。国内外学者也大多基于这两种算法进行神域研究，以找到可以快速准确防碰撞的最优化算法，而在云顶状态下的RFID系统中，对标签发碰撞算法有着更高的要求。二、论文的理论依据、研究方法、研究内容1、理论依据一套完整的RFID系统，是由读写器与电子标签也就是所谓的应答器及中央管理系统三个部份所组成，其工作原理是读写器发射一特定频率的无线电波能量给电子标签，用以驱动电子标签电路将内部的数据送出，此时读写器便依序接收解读数据，将其送给应用程序做相应的处理。RFID系统的一个明显的优点就是可进行多目标非接触识别。在多目标识别过程中就会有多个读写器同时向一个电子标签发送命令，或多个不同的电子标签同时向一个读写器传送数据这两种情况，前一种情况要通过物理距离或是频率上严格分开，后一种情况则是在实际通信中常遇到的——标签的碰撞。在一个读写器与多个电子标签通信的系统中为双向通信，通常考虑电子标签为无源电子标签，先是读写器到标签的通信，读写器先通过射频信号向多个电子标签广播命令，标签接到命令获得能量再向读写器传送数据信息，在标签向读写器传送数据过程中，读写器要想正确的识别不同标签的信息，要用到多路存取方式。无线通信的多路存取防碰撞方式主要有时分多址、频分多址、码分多址和空分多址。在RFID系统中，根据不同的读写器和电子标签特点及不同的应用场合采用四种多路方式中的其中一种，其中频分多址、码分多址和空分多址在应用中限制较多，只能在一定的场合使用，常用的主要是时分多址方式。ALOHA算法的基本思想是读写器检测标签的响应并判断是否发生碰撞,如果检测到碰撞,读写器发送命令让标签停止发送数据,各个标签随机延迟一段时间再发送,由于延迟的随机数不同,从而使再次发生碰撞的概率降低。如果没有发生碰撞,读写器在完成对标签识别后,发送一个应答信号给标签,使标签从此转入休眠状态,直到识别过程结束。该算法的缺点是当标签数量较多时,发生碰撞的概率急增,算法性能急剧下降,信道最高利用率只有18.4%。纯ALOHA算法是标签驱动的，方法简单，但效率低，信息最大吞吐率为18.4%。时隙ALOHA算法和帧时隙ALOHA算法都是将时间分割成时隙或是包含时隙的帧，信息量的最大吞吐率为36.8%,而且存在大量的时隙浪费。动态帧时隙ALOHA算法及其扩展算法，都是根据估算未识别的标签而分配下一帧的长度，当下一帧包含的时隙与未识别标签数相等时，有最大吞吐率，目前的估计算法并不能很好的适用于动态RFID系统。在ALOHA基础上发展的时隙ALOHA算法、帧时隙ALOHA算法、动态帧时隙ALOHA算法等ALOHA系列算法，都在效率上有所提高。2、研究方法a)首先对RFID系统结构及工作原理做简单分析，针对RFID系统中的标签碰撞问题，研究分析了基于ALOHA系列的防碰撞算法。b)其后，根据动态RFID系统的特征，拟改进一种标签识别协议，相对于现在识别协议有较好的系统吞吐率和系统识别率。并将该协议对比现有防碰撞算法，以验证其有效性和高效性。c)然后建立简单理想化的标签移动RFID系统模型，分析出在移动过程中标签进入识别范围的速度、在识别范围中停留的时间、及标签的密度对RFID系统识别率的影响。然后用仿真的手段求解达到系统动态平衡状态时候的标签识别率，并分析改进的协议在动态平衡系统中与原来协议的比较。d)最后分析实际的标签移动RFID系统的特点，在此基础上，提出解决或者弱化标签识别过程中出现问题的机制，然后结合改进的协议，提出适合实际动态环境中的协议，并分析各种协议在实际的动态RFID协议中的比较。3、研究内容a)RFID系统的结构及原理。b)当前主流的ALOHA系列的标签防碰撞算法和主流的标签估计法。c)在现有的协议基础上提出一种改进的适合动态环境中使用的协议。d)分析动态RFID系统达到动态平衡的标签识别率的影响因素，并将改进的协议用在动态平衡的时候和传统的识别协议做对比。e)根据实际的动态RFID系统特点，提出了其适用的算法，并将算法和其它算法做了对比。三、研究条件和可能存在的问题1、研究条件实验室环境：西南石油大学计算机科学学院明理楼B515实验室文献资源：西南石油大学图书馆已购买的中国知网、IEEE/IEEElectronicLibrary数据库硬件条件：处理器：英特尔第二代酷睿i5-2320@3.0GHz四核内存：4G硬盘：希捷ST500DM002-1BD142(500GB/7200转/分)显卡：NvidiaGeForce9500GT(128MB)显示器：LGGSM5705C222W(23英寸)操作系统：Windows7旗舰版64位SP1(DirectX11)开发环境：matlab7.02、可能存在的问题a)因为快速移动标签要求的特殊性，算法的设计指标更为复杂。b)标签在高速移动的情况下得到及时响应存在一定难度。c)动态下对阅读区范围类的未识别标签数目的估计更加困难。四、预期的结果a)通过该项研究，计算及Matlab模拟能够得到运动状态下RFID系统识别速度、作用区域长度以及标签密度对识别效率的影响。b)根据对当前主流防碰撞算法研究结果提出一种新的优化算法，提高系统效率，降低识别时间,达到应急演练系统的要求。五、进度安排2015年07月~2015年08月：文献调研2015年09月~2015年10月：研究准备2015年11月~2015年12月：具体研究2016年01月~2016年05月：撰写论文，答辩六、论证小组论证意见：论证小组签名：组长成员秘书年月日