An Adaptive Memoryless Protocol for RFID Tag Collision Arbitration

1. An Adaptive Memoryless Protocol forRFID Tag Collision Arbitration IEEE TRANSACTIONS ON MULTIMEDIA,VOL.8,NO.5,OCTOBER 2006 Jihoon Myung,Wonjun Lee,and Timothy K.Shih

2. Abstract—A radio frequency identification(RFID)reader recognizes objects through wireless communications with RFID tags.Tag collision arbitration for passive tags is a significant issue for fast tag identification due to communication over a shared wireless channel. This paper presents an adaptive memoryless protocol, which is an improvement on the query tree protocol. Memoryless means that tags need not have additional memory except ID for identification. To reduce collisions and identify tags promptly, we use information obtained from the last process of tag identification at a reader .Our performance evaluation shows that the adaptive memoryless protocol causes fewer collisions and takes shorter delay for recognizing all tags while preserving lower communication overhead than other tree based tag anticollision protocols. • Index Terms—Collision resolution , RFID, tag anticollision , tag identification. • 一个RFID读卡器通过和标签的无线通信识别目标。无源标签碰撞仲裁是快速标签识别的一个重要问题，因为通信是共享一个无线信道的。本文介绍了一个自适应无记忆协议，这是查询树协议的一个改进。无记忆是指标签除了识别用的ID无增加memory。为了减少碰撞和快速识别标签，在读卡器使用来自最近标签识别过程的信息。性能评测显示，自适应无记忆协议碰撞更少，识别所有标签的时延更短，且相比其它基于树的防碰撞协议通信开销更少。

3. INTRODUCTION • RFID系统是一个自动识别机制。读卡器通过和标签的无线通信识别目标，标签和目标联系在一起并有唯一的ID。读卡器应能尽快识别标签。然而，读卡器或标签同时发送的信号，由于共享无线信道通信发生碰撞。碰撞干扰了快速的标签识别且使得读卡器不能识别所有标签。因此防碰撞协议是必须的。 • 碰撞分为读卡器碰撞和标签碰撞。当相邻读卡器同时查询一个标签时读卡器碰撞发生了。当多个标签同时尝试发生ID到同一个读卡器且阻止读卡器识别其它标签时标签碰撞发生了。。读卡器碰撞是可以解决的，因为读卡器可以检测出冲突并和其它读卡器通信。另一方面，低功能的无源标签，发送ID到读卡器，既不能计算出相邻标签也不能检测碰撞。因此，与CSMA相关的方法不能实际应用与无源标签的碰撞仲裁，无源标签的防碰撞协议是重要的。 • 标签防碰撞协议可分成两大类，基于aloha和基于树的协议。ALOHA协议减少了标签碰撞发生的概率，因为标签在离散时隙发生（ID）。然而，基于ALOHA的协议不能完全防止碰撞。另外，该机制有一个严重的问题，一个特定的标签可能长时间都识别不了，导致了所谓的tag starvation problem。基于树协议使用分裂机制。当碰撞发生，把一组碰撞标签分成两个子集。读卡器尝试一个一个的识别子集。为分裂出标签集合，二叉树协议使用随机二进制数。查询树协议使用标签ID。尽管基于树的协议并未导致tag starvation problem，但是有较长的识别时延，该时延是由开始分裂包含所有标签的集合引起的。 • 基于上述分析，一个好的无源标签防碰撞协议应具有以下特点。1、读卡器应能识别范围内的所有标签。2、读卡器应能快速识别标签。3、消耗较少的资源就能识别出标签。 • 我们针对快速标签识别提出自适应无记忆协议。无记忆是指标签除了识别用的ID无增加memory。为了减少碰撞和快速识别标签，在读卡器使用来自最近标签识别过程的信息。性能评测显示，自适应无记忆协议碰撞更少，识别所有标签的时延更短，且相比其它基于树的防碰撞协议通信开销更少。

4. II.PROBLEM DESCRIPTION • 基于标签防碰撞协议的标签识别与查找要么一个标签发送或没有标签发送的节点的树搜索是一致的。树上每个节点与一个阅读周期相联合，周期中读卡器发送一个查询或反馈然后标签响应。二叉树协议和查询树协议在树的根开始标签的识别，如图1 • 假设一个读卡器重复的执行标签识别处理，跟踪和监控目标。对于读卡器r，Ai是第i个识别周期停留在r识别范围内标签的集合。考虑标签的移动性，把标签分为停留标签，到达标签和离开标签。如果 ，则as是读卡器r第i个过程的停留标签；若 ，则aa是读卡器r第i个过程的到达标签； ，则al是读卡器r第i个过程的离开标签。标签识别应能迅速的识别停留和到达标签。停留标签已经在最近的识别过程识别出来，读卡器将在当前识别过程重新识别它。因为读卡器已经知道停留标签的信息，标签碰撞仲裁可以防止当前过程中停留标签发送的信号碰撞。然而，现有的基于树的标签防碰撞协议引起停留标签的冲突和导致较长的延时，因为它们没有考虑到停留标签。在识别过程的开始，二叉树和查询树协议设定一个集合，它包括了读卡器识别范围的所有标签开始分裂过程。

5. 当在基于树协议标签识别的标签碰撞发生，碰撞的标签需要重发其ID。碰撞的解决消耗了标签有效的能量和额外时间。因此消除停留标签之间的碰撞可以减少标签识别总的延时和降低标签通信开销。自适应无记忆协议通过利用最近识别过程的标签识别信息，自适应地和有效地决定搜索树的开始点，跳过最近过程引起碰撞的节点。所以，通过在一些标签集合开始的分裂程序，自适应无记忆协议防止停留标签之间的碰撞；每个集合至多有一个停留节点。协议还是简单的，并快速识别所有标签。当在基于树协议标签识别的标签碰撞发生，碰撞的标签需要重发其ID。碰撞的解决消耗了标签有效的能量和额外时间。因此消除停留标签之间的碰撞可以减少标签识别总的延时和降低标签通信开销。自适应无记忆协议通过利用最近识别过程的标签识别信息，自适应地和有效地决定搜索树的开始点，跳过最近过程引起碰撞的节点。所以，通过在一些标签集合开始的分裂程序，自适应无记忆协议防止停留标签之间的碰撞；每个集合至多有一个停留节点。协议还是简单的，并快速识别所有标签。

6. III.ADAPTIVE MEMORYLESS PROTOCOL • 类似于查询树协议，标签发生是由读卡器的查询控制的。标签是无记忆的因为它们除了保留ID外不保留任何信息。为消除停留标签之间的碰撞，读卡器并不发送查询多个标签在最近识别过程的响应。我们提议方法背后的一个关键情况是大多数采用无源RFID的应用中，the set of objects encountered in successive readings from a particular reader does not change substantially and information from one reading can be used for the next.来自一个特定的读卡器的连续读取遇到的目标集合并未完全改变，一个读取的信息可用于下一个过程。 • A Basic Operation • 读卡器发送一个查询，标签响应其ID。The query includes a bit string。允许标签响应，如果r1r2...rx=q1q2...qx，标签ID是r1r2...rb（ri是二进制值，b是ID位数），查询是q1q2...qx(qi is • a binary value,1≤x≤b)。 • 读卡器有队列Q和候选队列CQ。Q保留当前识别过程的查询；CQ汇编下个识别过程的查询。过程的开始，读卡器利用CQ的查询初始化Q。/当CQ没有任何查询（如读卡器复位），Q用两个一位的查询初始化，0和1，象查询树协议一样。/读卡器从Q出列一个查询并发送。标签识别过程继续着直到Q为空队列。

7. B Query Insertion • q1q2...qx是发送的查询。根据标签响应数，查询的分类如下： • Idle: No tag responds. The idle query does not make the reader fail to recognize a tag, but it is a source of unnecessary increment of identification delay. The reader en-queues(i.e., adds to queue) q1q2...qx into CQ. • 空闲：没有标签响应。空闲查询并不使得识别标签失败，但是使得识别时延不必要的延长。读卡器把q1q2...qx插入到CQ • Readable: Only one tag responds to the query, and it is recognized by the reader successfully. To recognize all tags, the number of readable queries transmitted in an identification process should be equal to the number of tags. The reader en-queues q1q2...qx into CQ. • 可读：只有一个标签响应查询，并成功的被读卡器识别。为识别所有标签，一个识别过程发送的可读查询数应等于标签数。读卡器插入q1q2...qx到CQ。 • Collision: Multiple tags respond and the tag-to-reader signals collide. The reader is unable to recognize any tag. The collision query defers tag identification and the tag’s communication is pure overhead. The reader en-queues q1q2...qx0 and q1q2...qx1 into Q. • 碰撞：多个标签响应，标签到读卡器的信号冲突。读卡器不能识别任何标签。碰撞查询推迟了标签识别，标签通信是纯开销pure overhead。读卡器插入q1q2...qx0 和 q1q2...qx1到Q • 为把冲突标签分成两个子集，读卡器插入比碰撞查询长1位的两个查询到Q。扩展查询使得读卡器能识别所有的标签。CQ存储了可读和空闲查询。通过可读查询，消除停留标签之间的碰撞在下个过程完成。由于读卡器不能事先知道到达标签的ID，空闲查询是用于在下个过程识别到达标签。

8. 图2显示当读卡器复位时的标签识别过程（CQ中没有查询）。有三个标签，ID分别为0100,0111, 1010。在一个节点的A bit string表示一个读卡器查询。识别三个标签导致两个碰撞，CQ存储1,00,010,和011。考虑读卡器重试识别相同的标签的情况。换句话说，所有的标签都是停留标签，没有到达和离开标签。如图3所示没有碰撞。 • C Query Deletion • 在执行查询插入过程，标签识别的开始点向下到树的子节点。查询删除使得开始点向上到树的根。 • 因为一个碰撞查询超过一个响应，只有一个碰撞查询的树节点有两个子节点，其是一对如下的节点类型：1、两个碰撞查询；2、一个碰撞查询和一个可读查询；3、一个碰撞查询和一个空闲查询；4、两个可读查询。了；离开标签使得反常的查询如下： • A readable query and an idle query:Only a tag responds to q1q2...qx without collision if one of q1q2...qx0 and q1q2...qx1 corresponds to the readable query and the other corresponds to the idle query.q1q2...qx is the reader query. • Two idle queries:No tag responds to q1q2...qx if q1q2...qx0 and q1q2...qx1 correspond to idle queries.Therefore,q1q2...qx is also idle. • 一个可读查询和一个空闲查询： • 两个空闲查询：如果q1q2...qx0和 q1q2...qx1符合空闲查询，没有标签响应q1q2...qx。因此q1q2...qx也是空闲的。 • q1q2...qx0 和 q1q2...qx1是反常的查询，读卡器从CQ删除q1q2...qx0 and q1q2...qx1，插入q1q2...qx到CQ。一个过程后，读卡器递归的删除来自CQ的发送查询。在CQ包含树的所有分支的情况下，随着所有的查询删除完成，所有标签快速识别。 • 图4显示了查询删除进程的操作，标签0111在如图3所示的标签识别后成为了离开标签。查询011从可读查询变为空闲查询。通过查询删除过程，读卡器用两个查询0和1成功识别标签0100和1010.

11. IV.PERFORMANCE ANALYSIS 在本节中，我们分析的性质和讨论最坏情况下的延时 引理1.所有标签按照树的所有叶节点识别。 定理1：自适应无记忆协议识别读卡器识别范围内所有的标签 定理2、保留CQ并不需要增加读卡器额外的内存 定义1：Ai是第i个过程识别标签的集合，识别Ai时延 是： • S(Ai)是识别Ai所需的查询集合。 是发送查询q的延时，dtag是发送标签ID的延时， 是一个阅读循环的平均时间周期，T（Ai）是识别Ai所需的查询数，总的延时是由T(Ai)所决定的。 • 对于时延定义的分析，我们考虑一个识别n个标签的读卡器，每个标签有唯一的b位ID号。Ai有n个标签。令 和 分别为第i个过程的到达标签和离开标签数目。 • 引理2： 表示由识别Ai的查询树协议引起的碰撞查询数。给定的 ，查询树协议的延时定义 是： • 引理3：对于任何n个标签的集合: • 引理4：令 是由识别完 识别Ai的无记忆协议发送的查询数。 • 引理5：当

12. · • 引理6：当 • 定理3：当

13. V.PERFORMANCE EVALUATION • 我们评测比较自适应无记忆协议，二叉树协议和查询树协议的性能。仿真区域是10×10m。读卡器在区域中间其读取范围是3m。标签移动遵循随机移动模型，最大速度2m/process。识别所有标签总延时由读取周期数评定，标签通信开销由每个标签发送的比特数测定。 A.Impact of the Number of Tags • 图5和表一给出改变标签数目的结果。每个标签有一个随机选择的96位的ID号。我们用100,200,300,400,500,和 600个标签仿真防碰撞协议，读卡器读取范围内的平均标签数分别是42.5,81.93,118.18,152.63,184,和 223.27。一个空闲周期是指没有标签响应的读取周期。随着标签数增加，识别延时更长和标签信号碰撞更频繁。二叉树协议和查询数协议对于识别延时和碰撞数显示了几乎相似的结果。二叉树协议加重了一个标签的开销，因为标签的发送是由标签的随机数发生器决定的，并没有读卡器的协作。对于要求低成本和功能简单的标签发生更多信号，这是其缺点。然而对于自适应无记忆协议，衰减很慢、具有识别所有标签最短的延时。标签也发送很少的比特数，因为它并不发送大多数的碰撞查询和不必要的空闲查询。 • Fig.5.Performance comparison with varying the number of tags:(a)identification delay and(b)tag communication overhead

14. B.Impact of the Similarity of Tag ID • 评测标签ID相似性的影响。查询树和自适应协议可能受到ID分布的影响，因为它们是利用ID分裂的。为了量化ID的相似性，定义一个识别位，r。ID由 表示，（xi是 二进制数， ），所有的标签有相同的 ，当每个标签有96位的ID号时。图6 给出不同识别位从0到80的仿真结果（ID号 完全随机选择）.为了精确评定ID分布的影响，通过除以识别的标签数规范测量值。随着相似ID增加，查询树协议快速衰减。其具有最高的通信开销，因为读卡器每个帧中发送所有碰撞查询。另一方面，自适应无记忆协议性能已经受到ID相似性影响。由于插入查询进程排除了碰撞查询，自适应无记忆协议只使用一个碰撞查询一次。然而，由于为保证识别所有标签必须的叶节点的增加，空闲周期数增加了。自适应无记忆协议明显优于其它基于树的协议，尽管它受到ID相似性的影响。 • Fig.6.Performance comparison with varying the number of tags:(a)collisions,(b)idle cycles,(c)identification delay,and(d)tag communication overhead.

16. VI.CONCLUSION • 本文提出并仿真了一个针对无源RFID标签的防碰撞协议——自适应无记忆协议。由标签同时发送信号引起的碰撞是延迟标签识别的一个主要因素。我们的贡献在于利用不引起碰撞的查询，开发了一个新颖的增强型的查询树协议以降低识别延时。方法背后的一个关键情况是，在大多数的RFID标签应用中，来自一个特定的读卡器的连续读取遇到的目标集合并未完全改变，一个读取的信息可用于下一个过程。对于标签读取过程，仿真显示自适应无记忆协议明显降低了延时和通信开销。