关键词：
射频识别技术
布隆过滤器
未知标签
值域分类查询
摘要：
带传感器的RFID标签可以感知周围的环境数据。RFID读写器可以发送查询命令与附近的RFID标签通信,并接收标签回复的信息,如标签ID或感知信息等。标签信息收集的目的是从大量RFID标签中获取标签感知的环境状态信息。传统的标签信息收集协议如SIC(Single-Hash Information Collection Protocol)、MIC(MultiHash Information Collection Protocol)等协议都是基于ALOHA协议来完成这一功能,但其没有考虑未知标签对信息收集的干扰。在一些实际应用中,有时只需要根据标签感知信息在值域空间的分布范围对标签进行分类,而不需要收集完整的标签感知信息,因此就需要设计标签值域分类查询协议。针对RFID值域分类查询协议已经有部分研究工作,比如RQ(Range Query)、ERQ(Efficient Range Query)协议,通过对标签信息在值域空间的分布范围进行编码,能够从冲突时隙中收集信息,从而提高标签分类的效率。另一方面,考虑到未知标签的影响,使用类似布隆过滤器的机制对未知标签进行过滤可以提高标签值域分类查询协议的运行效率。因此,本文针对RFID值域分类查询协议与分层移位布隆过滤器进行研究和设计。
本文的主要贡献和创新点如下:
1.对RQ(Range Query)协议进行了改进,设计了RQF(Range Query protocol based on Filtering)协议。RQ协议只需要让标签向读写器报告其状态值所属的区间信息即可,并对标签发送的区间信息进行编码,以便从冲突时隙中提取有用信息。但是空时隙会被RQ协议当作零向量进行传输,同时,未知标签也可以参与RQ协议,这些都会影响RQ协议的运行效率。因此RQF协议通过过滤空时隙,从而让标签的响应能够连续发送,并且通过预期的空时隙生成过滤向量对未知标签进行过滤。仿真结果表明,在系统中存在未知标签的情形下,相较于RQ等协议,RQF协议的时间性能有一定的优势,识别时间减少了近15%。
2.提出了改进的RQSF(Range Query protocol based on Singleton slots and Filtering)和RQSFP(RQSF with the Polling phase)算法以进一步改进效率。当感知信息的值域被分为M个子区间时,RQ协议需要让标签发送M比特的范围标识符。当M值较大时,范围标识符的传输时间开销也会增大。因此本文提出RQSF协议,其核心是挑选单时隙接收响应并让标签发送2log M位而不是M位的范围标识符,从而提高范围标识符的传输效率,同时利用编码机制检测来自未知标签的干扰。随着执行轮数的增加,系统中未被分类的已知标签数目在减少,未知标签所占的比例将会上升,这就意味着未知标签的干扰不断增强。因此本文后续提出了RQSFP算法,其核心思路是执行若干轮RQSF协议后,通过轮询协议收集未被分类的已知标签的范围标识符。仿真结果表明,RQSFP方案能够完全地收集所有已知标签的范围标识符,在时间成本上有着优势,RQSFP与RQF相比,识别时间进一步减少了近11%。
3.提出了分层的移位布隆过滤器算法。布隆过滤器在RFID领域也有着广泛的应用,比如过滤未知标签。传统的布隆过滤器只能判断某个元素是否存在于集合中,而移位布隆过滤器算法还能同时编码元素的整数状态值信息。但移位布隆过滤器在误正率和分类错误率等方面还有改进空间。因此本文提出了分层的移位布隆过滤器算法,在移位布隆过滤器的基础上采用了分层的结构进行优化。仿真结果表明,分层的结构有助于提高布隆过滤器的运行效率,并且与标准移位布隆过滤器相比,分层移位布隆过滤器的误正率降低了近45%。
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