煤矿人员定位无线标签并发碰撞概率的研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 中国中国科技论文在线科技论文在线 煤矿人员定位无线标签并发碰撞概率的研究煤矿人员定位无线标签并发碰撞概率的研究 姬雨初，徐钊，封钦柱，桑媛 中国矿业大学信电学院，江苏徐州（221008） E-mailjiyuchu 摘摘 要要本文根据煤矿井下人员定位系统的基本要求和有源 RFID 标签的工作特点，通过理 论分析和计算， 研究了系统中无线标签并发产生碰撞的原因和被读卡器漏读的概率。 结果表 明， 随着标签个数的增加， 无线碰撞概率接近线性增大， 延长工作周期， 可以减小碰撞概率， 使用退避算法后， 能有效减少漏读率。 实际应用中可以根据项目需求设计不同的标签工作方 式。 关键字关键字人员定位；RFID；无线标签并发碰撞概率 0 引言引言 矿井危险性事故时有发生， 建立一套井下人员定位系统， 以便及时掌握井下人员的分布 情况，对于抢险救灾，减少灾害损失和人员伤亡具有十分重大的意义。目前，国内煤矿人员 定位系统大多采用国际上流行的有源RFIDRadio Frequency Identification，射频识别技术完 成系统中人员位置信息的采集[1]。其工作原理是给每个矿工配带一个无线射频标签，这些标 签定时发送具有唯一标识号的无线信号， 在煤矿巷道里每隔一段距离安装一个读卡器， 读卡 器接收无线标签发出的标识号， 并加上各自的位置编号， 一起经有线通信网络传送给监控中 心[2-3]。井下人员定位信息采集系统如图1所示。 图1 井下人员定位信息采集系统 在实际工作时， 经常会出现多个矿工同时通过一个读卡器有效接收区域的情况， 这就要 求读卡器具有在限定时间内完成多个标签读取的并发识别能力。 考虑到数十名矿工乘坐一列 矿用小火车经过读卡器的极限状况，行业标准规定读卡器并发识别标签的数量不少于 80 只，标签最大位移速度不小于 9m/s，标签漏读率不大于 10-4。根据这一基本要求，系统设计 时， 就要保证在列车通过读卡器有效接收区域的过程中， 所有标签至少被读卡器成功接收一 次[4]。但是，当两个或多个标签同时发送时，读卡器往往不能识别出两个标签的信息，会造 成数据的丢失，这就是人员定位系统中的并发碰撞问题[5]。为了解决并发碰撞问题，就要对 无线并发碰撞的概率进行研究。 1 系统模型和工作流程系统模型和工作流程 由图 1 可以看出，对于单一读卡器，是一个接收源对多个发送源的星形网络模型。当两 个以上发送源同时发送时，为解决无线碰撞问题，减少漏读率，标签通常使用载波侦听多路 访问/冲突避免CSMA/CA，Carrier Sense Multi-Access/Collision Avoidance技术[6]。即先听后 发，若侦听无线信道空闲就发射，信道忙碌就延时后重发。在使用 CSMA/CA 技术时，需要 -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 给标签规定最大重发次数，即退避次数。 与此同时， 为了让标签能在井下工作更长的时间， 标签发送完无线信号之后进入休眠状 态，待醒来后再发，休眠时间通常为秒级，发送时间通常在一个毫秒左右，休眠时间加发送 时间，就是标签的工作周期。标签的工作流程如图2所示。 图 2 标签发送流程图 下面将分析计算人员定位系统的无线并发碰撞概率。 2 并发碰撞概率计算并发碰撞概率计算 2.1 标签不退避的碰撞概率标签不退避的碰撞概率 2.1.1 两个标签碰撞概率两个标签碰撞概率 设标签的工作周期为T，标签的CSMA/CA侦听时间为tL，文献7中提出判断信道忙碌通 常通过信道中载波信号能量的大小作为侦听依据[7]， 标签必须听满tL时间才能确认信道忙碌。 标签的发送时间为tS,休眠时间为tW，两个标签分别为C1和C2，它们的发送时间点处于不同位 置时的工作状况如图3所示。 图 3 两个标签的发送时间点处于不同位置时的工作状况 图3中， C21、C22、C23和C24表示标签C2四个不同的发送时间的状态。C1’和C24’分别表 示C1和C24检测到信道忙碌退避发送的状态。图中时间段T为标签的正常工作周期。 当C2的发送时间在时间点t1和t2之间（即图中C21到C22）时，C2能够发送成功，C1会侦听 到信道忙碌，随机退避1到4个ts时长[8]，在如图C1’虚线位置发送无线信号；当C2从时间点t4 移动到t5（即图中C23到C24）时，C1能够发送成功，C2会侦听到信道忙碌退避，如图所示， -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 C2在C 24时间点侦听到信道忙碌，会延时至C24’发送。如果退避后信道空闲，C2可成功发送。 而当C2从时间点t2移动到t4时（即图中C22到C23），C1和C2会因为侦听的无线信号发送时 间不够长， 将忙碌的信道认为空闲， 两个标签同时发送数据， 造成无线并发碰撞， 产生误码。 此时，读卡器会将这两个标签产生的误码过滤掉。所以，在这个工作周期内，标签C1和C2 都不能被读卡器识别。 在标签一个工作周期时长内，设两个标签相撞的概率为 2P，若标签侦听信道忙碌时， 不退避发送， 直接进入休眠状态， 根据以上分析， C2在时间段C21到C24之间会和C1发生碰撞， 可以得出两个标签并发碰撞的概率为 T t P S 2 2 1 2.1.2 n 个标签碰撞概率个标签碰撞概率 将以上分析推广到 n 个标签的情况，设其中有 i 个标签同时碰撞的概率为 i P，则有 1 2 − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ i S i T t P 2 设 n 个标签并发的概率为 nP，则这些标签碰撞的概率 n n nnnn PCPCPCPCnP − −−−− 1 1 4 3 1 3 2 12 1 1 3 将 2 式代入 3 式并化简得一个工作周期时长内 n 个标签并发碰撞的概率 i ni i Si n S n T t C T t CnP ∑ −−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ 2 1 1 1 22 考虑实际系统中，工作周期 T 往往是秒级，而 tS是毫秒级， S tT， T tS2 的高次幂已小 于 10-5，可以忽略不计。 那么 n 个标签不退避的碰撞概率近似为 T t nnP S 2 1− 4 据此可以认为，碰撞概率随标签个数增加近似线性增大。 2.2 标签退避标签退避 i 次的漏读率次的漏读率 根据图 3 进一步分析，当标签并发碰撞的时候，存在两种情况，第一种情况是其中一个 标签侦听到信道忙碌退避发送，如图 3 C21到 C22，以及 C23到 C24时间段所示。该标签可能 发送成功，不会被漏读；第二种情况是标签同时发送，因无法侦听到信道忙碌不退避，无线 碰撞产生误码被读卡器过滤，造成两个标签都被漏读，如图 3 C22到 C23的时间段所示。 设 n 个标签，若有并发碰撞就退避发送，再发生碰撞则继续退避，直到 i 次为止，这时 的总的碰撞概率为inP,，上述两种情况的概率分别为inP, 1 和0 , 2 nP（第二种情况，标签不 会退避重发） ，那么有 0 ,,, 21 nPinPinP 5 根据 2.1 节中的讨论可以得到 ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ − − − T t nnP T tt nnP L LS 2 10 , 22 10 , 2 1 6 nP T t nnPnP S − 2 10 ,0 , 21 -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 即0 , 1 nP与0 , 2 nP两者之和等于标签不退避的碰撞概率。 当标签的最大退避次数为 i，根据 6 式，第一种情况下，可以计算出标签退避 i 次仍发 送失败的概率inP, 1 [] 1 1 11 22 10 ,, ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡− − i LS i T tt nnPinP 7 由于第二种情况， 每次碰撞会造成两个标签发送失败， 而第一种情况的标签发送失败不 会影响到其它标签工作，那么设一个工作周期内，退避 i 次漏读率为inQ,。根据 6 式和 7 式可以算出 T t n T tt nnPinPinQ L i LS 2 12 22 10 ,2,, 1 21 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡− − 8 3 应用实例应用实例 在笔者参与的“煤矿井下人员定位跟踪系统”项目中， 使用兼容IEEE 802.15.4规范的高性 能ZigBee无线射频芯片CC2430来做标签以及读卡器的无线收发模块。设计读卡器与标签之 间的无线传输距离不小于30m，那么读卡器有效接收区域应该不小于60m。根据80个标签以 9m/s的速度通过读卡器的覆盖区域这一标准，计算出读卡器读完80个标签的最大时间为6.7 秒，即在6.7秒内，每个标签至少发送一次。同时，还要考虑标签节能问题，要尽可能减少 发送次数。 根据CC2430芯片数据手册可知标签侦听时间、发送时间等参数如表1所示。 表1 CC2430参数 tL 发送字节数 发送速率 tS 128us 16 250kbps 512us 根据标签参数和公式8，80个标签并发识别时，分别计算标签不退避、退避1次、退避2 次、退避3次，休眠时间1秒、2秒、3秒、4秒时的漏读率如表2所示。 表2 不同休眠时间标签漏读率 休眠时间休眠时间 不退避不退避 退避退避1次次 退避退避2次次 退避退避3次次 休眠1秒 0.101120 0.044129 0.040671 0.040462 休眠2秒 0.050560 0.021143 0.020252 0.020225 休眠3秒 0.033767 0.013892 0.013491 0.013483 休眠4秒 0.025280 0.010342 0.010115 0.010112 由表2看出，在一个工作周期内，随着休眠时间的增大，标签并发漏读率会减小。采用 退避算法比不采用退避算法的漏读率小很多， 但是增加退避次数对减小漏读率的效果并不明 显，所以在实际应用中并不是退避次数越多越好。 考虑到项目中要求读卡器在6.7秒内读完标签，当标签的睡眠时间较短时，可在6.7秒内 发送多次无线信号。设标签在6.7秒内至少发送k次无线信号，标签一个工作周期的漏读率为 inQ,，6.7秒内标签的漏读率为inQk,，那么 []k k inQinQ,, 9 根据9式和表2可以算出6.7秒内标签并发的漏读率如表3所示 -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 表3 6.7秒标签漏读率 休眠时间休眠时间 不退避不退避 退避退避1次次 退避退避2次次 退避退避3次次 休眠1秒 1.0691*10-6 7.3849*10-9 4.5259*10-9 4.3882*10-9 休眠2秒 1.2924*10-4 9.4515*10-6 8.3062*10-6 8.2730*10-6 休眠3秒 1.1402*10-3 1.9299*10-4 1.8201*10-4 1.8719*10-4 休眠4秒 2.5280*10-2 1.0342*10-2 1.0115*10-2 1.0112*10-2 通过表3可以看出，为了使漏读率小于10-4，休眠时间可为2秒和1秒。考虑到系统的节能和无 线稳定性的要求，实际取休眠时间tW2秒，退避次数i1。 4 结语结语 本文根据煤矿井下人员定位系统项目对无线并发识别的具体要求，研究讨论了系统中 无线标签并发碰撞的原因和概率。研究表明，可以通过减少标签发送字节数、提高侦听灵敏 度、使用退避算法、适当延长睡眠时间等方法降低无线并发碰撞概率。针对采用有源 RFID 芯片 CC2430 的实际应用系统，经计算取休眠时间 tW2 秒，退避次数 i1，即可满足漏读率 小于 10-4的要求。 参考文献参考文献 [1] Raza N, Bradshaw V, Hague M. 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