Adaptive Scheduling Mechanisms toward Intelligent Services

in Mobile and Wireless RFID Environments Ching-Hsien Hsu,Jong Hyuk Parkand Chia-Hao Yu978-0-7695-3096-3/08 ) 2008 IEEETOOT 10.1109/WAINA.2008.202

Abstract

With the emergence of wireless RFID technologies, the problem of scheduling transmissions in dynamic RFID systems has been arousing attention. In this paper, we present a method of Two Phase Dynamic Modulation (TPDM), which consists of regional scheduling and hidden terminal scheduling phases, aims to efficiently perform communications between readers and tags in high density and mobile RFID networks. TPDM is a simple mechanism for coordinating simultaneous transmissions among multiple readers and hidden terminals. A significant improvement of this approach is that TPDM can prevent reader collisions by using a distributed self-scheduling scheme. The second advantage of the proposed technique is that TPDM is adaptive in both static and dynamic RFID environments. Experimental results show that the TPDM scheduling techniques provide superior and stable performance in both static and dynamic circumstance, especially in mobile and dense environment. The TPDM is shown to be effective in terms of throughput, system efficiency and easy to implement.

随着 RFID技术的出现，动态 RFID系统中的调度发送引起了关注。本文我们介绍了一个二相动态调制方法 Two Phase Dynamic Modulation (TPDM)，方法包括区域调度和隐藏终端调度阶段，目标是在高密度和移动的 RFID网络中有效的执行读卡器和标签之间的通信。 TPDM是一个调整多个读卡器和隐藏终端之间同步发送的简单机制。该方法的一个明显改进是， TPDM采用一个分布的自调度计划来防止读卡器碰撞。方法的第二个优点是在静态和动态的 RFID环境中， TPDM是自适应的。实验结果表明，在静态和动态环境中，尤其是在移动和密布的环境， TPDM调度技术提供了优秀和稳定的性能。结果显示 TPDM在吞吐量、系统效率和易于实现方面是有效的。

1.Introduction RFID技术的广泛应用及其技术优势。 在这些环境中，有必要把读卡器安置在合适的距离防止相互干扰。当频道由潜在的用户共享时，干扰是有可能引起的。读卡器是接收来自标签的微弱信号的。实际上同一时间来自其它读卡器任何相关功率发送将引起波动，通常这会称之为读卡器碰撞问题。

为了防止读卡器之间共同的干扰，有一些可能的对策；分布式控制模型是指读卡器通过自我调度转换相互间的通信状态。中心控制模型是指由一个带头的读卡器作适当的协调处理。本文介绍了一种针对无线和动态 RFID网络中的自由竞争通信的 two-phase scheduling technique。 TPDM调度技术是由区域调度和隐藏终端调度阶段组成。

第一个阶段， RFID读卡器通过控制信道竞争相互通信。区域的候选读卡器处理全区的 RFID标签。第二个阶段，读卡器基于隐藏终端调度与标签在数据信道上进行通信。方法的一个明显改进是， TPDM可防止由邻近读卡器同时发送或隐藏终端引起的读卡器碰撞。在静态和动态 RFID环境中 TPDM都是自适应和可以应用的。算法的简单性使得 TPDM易于实现。

2.Related Work

前期相关工作技术的一些优点和不足。

3.Hidden Terminal in RFID Network 先介绍一些术语。图一显示隐藏终端的一个例子。标签 T1在两个

读卡器附近。网络中每个读卡器在另外那个读卡器的感应范围之外。因此两个不能相互通信，读卡器碰撞可能发生。这种情况称之为隐藏终端问题，具有以下特点：

1. 不在相互感应范围内的读卡器可能干扰标签引起载荷感应的低效。2. 在一个标签上来自多个标签的查询或转播发生碰撞，信号可能被扭曲查询可能不正确。3. 由于是被动元件，只有当被读卡器激活时标签才可以通信。因此，标签是不能预激活

与读卡器通信来避免碰撞的。RFID系统的干扰通常分为：读卡器到读卡器的频率干扰和读卡器到标签的干扰。

3.1Reader Frequency Interference

读卡器到读卡器的频率干扰发生在当和标签通信时受到其它读卡器的干扰。图 2显示读卡器 R2在 R1的频率干扰范围内， R1有更宽的干扰信号范围。（圆点线）随着标签 T1 响应 R2，有可能受到 R1干扰信号的扰动。这种隐藏终端问题发生了，即使是在两个读卡器的范围没有重叠时。

3.2 Multiple Readers to Tag Interference

为简化论述标签干扰，当转播区域内两个或以上读卡器尝试同时与一个标签通信时干扰发生。这种情况下，每个读卡器执行与标签的一对一通信。然而，读卡器不知道标签要同时响应多个读卡器。读卡器碰撞发生了。图 3 描述了三个读卡器的重叠。读卡器 R1R2R3同时与标签 T1通信时不能相互检测。图 3b显示两个读卡器相互干扰，然而它们的读取范围并没有重叠。

4.Two-Phase Scheduling Techniques

在移动 RFID环境中，读卡器可能动态的加入或离开，引起隐藏终端的问题和当同步处理发生，与已经存在的读卡器发生通信碰撞。为解决这个问题，我们提出 TPDM协议，目的是减轻读卡器碰撞问题，在高移动性的 RFID网络中有效的进行通信以期更好的系统吞吐量。 APDM包括两个调度阶段，区域调度和隐藏终端阶段。第一个阶段，一尝试与标签通信的读卡器将首先通过控制信道中发送查询信标检测邻近的？？密度。基于相邻密度信息，一个合适的退避时间将适当提出以自我调度。第二个阶段，为了读卡器和标签通过数据信道进行实际的通信，将执行隐藏终端调度。以上的几何特征，揭示了至多 5个隐藏终端得自第一个阶段结果，第二阶段的处理可以以一个有效的方式处理。，将介绍区域调度和隐藏终端调度。

4.1 Region Scheduling

二阶段调度技术是一个基于 TDMA分布式设计以协调读卡器间的同步发送。区域调度的主要概念是参照相邻区域密度动态调节读卡器的退避时间。采用合适的退避时间来重激活，结果将使控制信道的读卡器碰撞明显改善。先解释一些概念。

l_range and r_range是两个变量，表示一个读卡器一个可能的退避时间。随着读卡器尝试与标签通信，将首先参照以下方程决定其退避时间（ x ）

开始 l_range=0 and r_range是由以上一个读卡器邻近区域密度所决定的。 在退避时间后，读卡器将广播信标消息，通知其它读卡器他将进入数据信道以执行与标签的通信。如果信标信息是无冲突的，将开始与标签的通信。相反，若信标信息冲突，退避时间将调整， new_l=x

上述退避时间的调整与环境密度密切相关。结果，新的退避时间应该增加。万一，碰撞数不变是即使 x接近 r_range，这意味着外部读卡器加入到网络中；使得原来的网络环境密度更高。上述退避时间达到 r_range，间隔将按以下方程调整：

是读卡器退避时间内信标碰撞数。

我们使用一个例子阐述上述描述。图 4 描述 4个读卡器 R1R2R3R5 存在与原来的网络并尝试和标签通信。读卡器 R4是新增的，并有同样的传感范围。 R1R3和 R5是在 R4的控制信道范围内，而 R2是相对其它读卡器的隐藏终端。由于 R4 也尝试与标签通信，应用上述区域调度计划，假设 R3的初始 r_range=4， l_range=0 和 x=2，如果其它任何一个读卡器有相同的退避时间，它有可能和其它读卡器碰撞，也就是两个时间槽。万一 R3的信标消息冲突了，退避时间 (x)将参照方程 2 重置为 3. 若当 x 增加到 r_range=4碰撞依然存在，退避时间将重新调整。参照方程 3，若采用 和 ， r_range将重置为

6.

4.2 Hidden Terminal Scheduling

一旦读卡器继续执行数据信道的处理，将继续广播信标以和标签通信。对于给定的通信标签，上述几何特征证明，最多五个隐藏终端可以同时存在。因此， TPDM 初始化 l_range=1 和 r_range=5。为了和标签通信，读卡器将从区间 [l_range,r_range]随机选择退避时间。假设若 packet_size=1，一个退避时间后读卡器能够完成和标签的通信。如果 packet_size>1，将引出一个新的退避时间以进行第二次的通信。这是因为该执行第二次通信读卡器可能和现存的其它读卡器发生碰撞。若相同的情况连续的发生， either starvation or deadlock could be raised.。例如图 5显示三个读卡器 R1R2R3是三个隐藏的终端尝试和标签通信。 R1R2提出一个退避时间为 3，而 R3的是 2.显然， R3将先执行通信，接着是 R1R2. 假设 R3的通信耗去一个时间槽，在时间槽 t ＝ 4 继续发生，同时R1R2将广播信标消息知会其它尝试和标签通信的读卡器；碰撞发生了。上述示范证明，需要有一个 RFID 阅读器发出一个新的退避时间，如果处理的大小大于一个包。

5.Performance Evaluation

为评估算法性能，我们实现了一个随机 RFID网络发生器。把 TPDM和 Colorwave和 the Pulse protocols. 比较。所有算法以 c 代码实现。每个测试执行 30 次。我们先在 5.1 节定义符号，术语和性能指标。 5.2和 5.3 节报告静态和动态 RFID环境的结果。

一些符号和术语在表 1定义。为研究读卡器布置对不同调度策略的性能影响，密度是用于表述 RFID网络中读卡器布置的位置。图 6 给出一个 RFID环境中密度是 60 ％的例子，定义如下：

|L| 最多读卡器区域的读卡器数目 |R|是网络中读卡器的总数。 术语 CDR， short for Control channel to Data channel Ratio, 短期内控制信道和数据信道的比例，用于评测读卡器发送范围和感应范围对 TPDM性能的影响。

是控制信道的感应范围， 数据信道的发送范围。

5.2 Static Circumstance

图 7显示了 Pulse,Colorwave 和 TPDM在静态环境下的仿真结果。参数初始化为 Rinit=40,packet_length=4,CDR=2 and=50%.由于是在静态环境中， Rjoin=0。仿真结果表明多数情况下对于吞吐量， TPDM有优越的性能。值得指出的是，当密度增加到 40 ％，三个方案有不同的反应。由于 colorwave 最初是为动态 RFID环境设计的，具有折中的但稳定的性能。 Pulse协议在两个信道应用以协调同步通信。算法调整随机退避时间是不考虑系统密度的动态改变的，因此，当读卡器数目越来越多，pulse协议不能适应的处理密集的通信。因此整个系统的吞吐量将剧烈的减少。另一方面，由于 TPDM 首先检测邻近区域密度，因此在系统初始阶段就有更好的性能。尽管系统改变其密度， TPDM可以相应的调整退避时间保持合理的吞吐量。

图 8显示另一实验的结果， Rinit=40,Packet_length=3 and=50%。实验基于不同的 CDR以检验读卡器感应和通信范围对算法性能的影响。由于 CDR定义为控制信道和数据信道的比值，当 CDR 变大，被每个读卡器覆盖的读卡器数目将增大。结果系统密度变大。与图 7 结果相似， TPDM机制在所有情况下性能比其它的要好。当 CDR 增加，除了Pulse，所有的算法的吞吐量都逐渐的减少。观察 CDR=2~4， Pulse的吞吐量剧烈的减少。这显示了在高密度的 RFID系统中， pulse不能自适应的迅速协调读卡器和标签的通信。相反，在不同的环境下， TPDM提供了稳定的和具竞争力的性能。

5.3 Dynamic Circumstance 讨论在动态 RFID环境中不同调度算法的性能。图 9对比三种算法的吞吐量。不同密度，实验由 Rinit=15,Packet_length=4 and CDR=2下进行。图 10显示不同 CDR下这些算法的吞吐量。由于动态环境下的移动性，方程 3的 (1-a)应能明显表现系统配置的改变。我们设 a ＝ 0.3，静态环境中为 0.5.每个时间槽新增外部读卡器的概率是 0.3.。实验结果如图 9、 10. 观察系统吞吐量 TPDM>Colorwave>Pulse.。由于 colorwave 最初是为动态 RFID环境设计的，具有折中的但稳定的性能。尽管密度低的静态环境， pulse性能优于 Colorwave。但是动态环境中其性能变差，因为 pulse 缺少动态的直接调节调度策略。对比静态环境 pulse具有一般但是稳定的性能，即使是 CDR或系统密度增加。这是因为读卡器初始数只有 Rinit=15，加入系统的读卡器基于概率 0.3，这将不会导致一个高密度的 RFID网络。因此 pulse的吞吐量不会剧烈的震荡。对于所有方法，它们在不同的网络密度和 CDR下保持了一个稳定的性能。由于调度策略的自适应性， TPDM性能优于其它两个。参照系统状态，读卡器可动态调节广播信标的周期。因此，在静态和动态环境中它都能保持很好的吞吐量。

6.Conclusions

本文提出一个 TPDM方法，目标是有效的在移动和高密度的 RFID网络中有效的执行读卡器和标签之间的通信。 TPDM.是协调多个读卡器和隐藏终端之间的同步通信。方法的一个明显改进是 TPDM可通过一个分布式的自我调度计划来防止读卡器碰撞。 TPDM的第二个优点是它能同时适用于静态和动态的 RFID环境。实验结果表明 TPDM两个环境中都能提供优越和稳定的性能。同时在系统吞吐量方面 TPDM是高效的，同时它易于实现。