Contribución a los protocolos anticolisión y técnicas de dimensionamiento para sistemas de identificación por radiofrecuencia

[SPA] Desde la aprobación en el año 2005 del estándar EPC Global Class 1 Gen 2, la tecnología RFID ha experimentado un gran auge, sustituyendo, en ciertos sectores, a otros sistemas de identificación automática como el código de barras. Asimismo, se ha despertado un mayor interés de investigadores y...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Bueno Delgado, María Victoria
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2010
País:España
Institución:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
Repositorio:Repositorio Digital UPCT
OAI Identifier:oai:repositorio.upct.es:10317/1269
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10317/1269
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Radiofrecuencia
Sistemas RFID
Colisión lector-etiqueta
Colisión lector-lector
Radio frequency
RFID system
Protocolo anticolisión
Anticollision protocol
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Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
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description [SPA] Desde la aprobación en el año 2005 del estándar EPC Global Class 1 Gen 2, la tecnología RFID ha experimentado un gran auge, sustituyendo, en ciertos sectores, a otros sistemas de identificación automática como el código de barras. Asimismo, se ha despertado un mayor interés de investigadores y de la comunidad científica en la tecnología RFID. El futuro es prometedor, con un amplio abanico de ámbitos de uso, por ejemplo, en domótica, sistemas de control y pago, sanidad, transporte publico, etc. Actualmente se están llevando a cabo desarrollos en diversas áreas de RFID: diseño físico, desarrollo de middleware, algoritmos anti-colisión, planificación óptima de la red, etc. Estas investigaciones persiguen mejorar el desempeño de RFID y reducir los costes de despliegue y operación. Esta tesis aporta contribuciones en dos campos de la tecnología RFID. En primer lugar, los mecanismos de control de acceso al medio han sido estudiados en profundidad,proponiendo nuevas soluciones tanto en RFID activa como pasiva. En segundo lugar, la coexistencia de varios lectores en un entorno es también abordada en este trabajo. A continuación se describen en mayor detalle los resultados fundamentales obtenidos. Uno de los principales objetivos de esta tesis ha sido analizar el funcionamiento de los mecanismos anti-colisión en sistemas RFID pasivos. Éstos, tanto en el estándar como en las propuestas afines, se basan en Frame Slotted Aloha (FSA) y se pueden modelar mediante cadenas de Markov de tiempo discreto (Discrete Time Markov Chain, DTMC). A partir de estos modelos se calculan las métricas de rendimiento más importantes del proceso de identificación. A saber, el tiempo medio de identificación (y el throughput) en los escenarios estáticos, y el ratio de pérdida de etiquetas para escenaros semi-estáticos y dinámicos. En base a dichos resultados, se proporcionan criterios de configuración óptima. Por otra parte, los algoritmos FSA no son eficientes si el número de etiquetas en el proceso de lectura varía. En este caso los sistemas FSA dinámicos (DFSA) son considerados como una buena solución para hacer frente a este problema. En este trabajo presentamos un estudio detallado de los mecanismos DFSA existentes, incluyendo una caracterización mediante DTMC del mecanismo de DFSA óptimo, y una comparativa de las propuestas actuales realizada mediante simulación. Además, se propone un nuevo algoritmo anticolisión DFSA llamado Multi-Frame Maximum-Likelihood (MFML-DFSA), que supera a los anteriores y tiene un coste computacional reducido. Por tanto su implementación en los lectores actuales es viable. En el ámbito del RFID activo, el objetivo de reducir al mínimo el consumo de energía se añade a las restricciones de diseño de los protocolos anti-colisión. En RFID activo se ha empleado FSA convencional hasta la fecha, a pesar de que las capacidades de las etiquetas activas son mucho mayores. Dado que los dispositivos activos ya integran mecanismos de detección de portadora, se han propuesto en este trabajo dos nuevos algoritmos anticolisión. El primero está basado en Carrier Sense Multiple Access (CSMA) no persistente unido a la distribución quasi-óptima Sift. Así, se consigue minimizar el tiempo de identificación y reducir los períodos de actividad de las etiquetas. El segundo mecanismo es un CSMA p-persistente, que es capaz de reducir al mínimo el gasto de energía apagando la mayoría de las etiquetas en las ranuras de contienda. Por último, los entornos con múltiples lectores de RFID son estudiados en esta tesis doctoral. En algunas instalaciones un único lector no es suficiente para cubrir una gran área de identificación, o es posible que existan varias puertas de identificación. Por lo tanto, varios lectores pueden ser necesarios, y el rendimiento global del sistema se ve afectado negativamente al aparecer dos nuevos tipos de colisiones: colisiones Lector-Etiqueta (Reader to Tag Collisions, RTC) y Lector-Lector (Reader to Reader Collisions, RRC). Las soluciones destinadas a minimizar estos tipos de colisiones han sido revisadas, y su rendimiento se ha comparado en términos de eficacia y de uso de la red. De este estudio se han extraido las características claves que ha de tener un planificador eficiente.
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El futuro es prometedor, con un amplio abanico de ámbitos de uso, por ejemplo, en domótica, sistemas de control y pago, sanidad, transporte publico, etc. Actualmente se están llevando a cabo desarrollos en diversas áreas de RFID: diseño físico, desarrollo de middleware, algoritmos anti-colisión, planificación óptima de la red, etc. Estas investigaciones persiguen mejorar el desempeño de RFID y reducir los costes de despliegue y operación. Esta tesis aporta contribuciones en dos campos de la tecnología RFID. En primer lugar, los mecanismos de control de acceso al medio han sido estudiados en profundidad,proponiendo nuevas soluciones tanto en RFID activa como pasiva. En segundo lugar, la coexistencia de varios lectores en un entorno es también abordada en este trabajo. A continuación se describen en mayor detalle los resultados fundamentales obtenidos. Uno de los principales objetivos de esta tesis ha sido analizar el funcionamiento de los mecanismos anti-colisión en sistemas RFID pasivos. Éstos, tanto en el estándar como en las propuestas afines, se basan en Frame Slotted Aloha (FSA) y se pueden modelar mediante cadenas de Markov de tiempo discreto (Discrete Time Markov Chain, DTMC). A partir de estos modelos se calculan las métricas de rendimiento más importantes del proceso de identificación. A saber, el tiempo medio de identificación (y el throughput) en los escenarios estáticos, y el ratio de pérdida de etiquetas para escenaros semi-estáticos y dinámicos. En base a dichos resultados, se proporcionan criterios de configuración óptima. Por otra parte, los algoritmos FSA no son eficientes si el número de etiquetas en el proceso de lectura varía. En este caso los sistemas FSA dinámicos (DFSA) son considerados como una buena solución para hacer frente a este problema. En este trabajo presentamos un estudio detallado de los mecanismos DFSA existentes, incluyendo una caracterización mediante DTMC del mecanismo de DFSA óptimo, y una comparativa de las propuestas actuales realizada mediante simulación. Además, se propone un nuevo algoritmo anticolisión DFSA llamado Multi-Frame Maximum-Likelihood (MFML-DFSA), que supera a los anteriores y tiene un coste computacional reducido. Por tanto su implementación en los lectores actuales es viable. En el ámbito del RFID activo, el objetivo de reducir al mínimo el consumo de energía se añade a las restricciones de diseño de los protocolos anti-colisión. En RFID activo se ha empleado FSA convencional hasta la fecha, a pesar de que las capacidades de las etiquetas activas son mucho mayores. Dado que los dispositivos activos ya integran mecanismos de detección de portadora, se han propuesto en este trabajo dos nuevos algoritmos anticolisión. El primero está basado en Carrier Sense Multiple Access (CSMA) no persistente unido a la distribución quasi-óptima Sift. Así, se consigue minimizar el tiempo de identificación y reducir los períodos de actividad de las etiquetas. El segundo mecanismo es un CSMA p-persistente, que es capaz de reducir al mínimo el gasto de energía apagando la mayoría de las etiquetas en las ranuras de contienda. Por último, los entornos con múltiples lectores de RFID son estudiados en esta tesis doctoral. En algunas instalaciones un único lector no es suficiente para cubrir una gran área de identificación, o es posible que existan varias puertas de identificación. Por lo tanto, varios lectores pueden ser necesarios, y el rendimiento global del sistema se ve afectado negativamente al aparecer dos nuevos tipos de colisiones: colisiones Lector-Etiqueta (Reader to Tag Collisions, RTC) y Lector-Lector (Reader to Reader Collisions, RRC). Las soluciones destinadas a minimizar estos tipos de colisiones han sido revisadas, y su rendimiento se ha comparado en términos de eficacia y de uso de la red. De este estudio se han extraido las características claves que ha de tener un planificador eficiente.[ENG] The RFID technology has reached a peak since the adoption in 2005 of the EPCglobal Class 1 Gen 2 standard (EPC-C1G2). RFID has replaced other automatic identification systems like barcodes in some sectors. Besides, it has attracted the attention of scholars in RFID technology. The future of RFID looks promising, with a wide range of application fields, such as home automation, checkout systems, healthcare, public transport, and so forth. Currently, developments are underway in various areas of RFID: physical design, development of middleware, anti-collision algorithms, optimal network planning, etc. These investigations seek to improve RFID performance and reduce costs of deployment and operation. The contribution of this thesis is twofold. First, the anti-collision mechanisms are studied in depth, and new solutions are suggested both for active and passive RFID systems. Second, the co-existence of several readers in dense reader environments is also investigated in this work. The major outcomes are described next. One of the main goals of this thesis has been to analyze the performance of the anticollision mechanisms in passive RFID. Standards as well as relevant proposals based on Frame Slotted Aloha (FSA) have been modeled using Discrete Time Markov Chains (DTMC). From these models the most relevant performance metrics in the identification process are computed. Namely, the Mean Identification Time (and throughput) in static scenarios, and the Tag Loss Ratio for semi-static and dynamic cases. Based on these results, optimal configuration criteria are provided. Moreover, since FSA algorithms are inefficient under variable populations of tags, Dynamic FSA (DFSA) are regarded as an efficient solution to cope with this issue. A comprehensive survey of DFSA mechanism is developed in this work, including a DTMC characterization of the optimal DFSA mechanism, and a comparative analysis of current proposals performed via simulation. In addition, we propose a new anti-collision algorithm, the Multi-Frame Maximum-Likelihood DFSA algorithm (MFML-DFSA), which outperforms the previous ones, and has a lower computational cost which enables a feasible implementation in current readers. On the other hand, for active tags, the goal of minimizing power consumption is added to the design constraints of anti-collision protocols. Despite the increased capabilities of these equipments, conventional FSA approaches have been the most extended so far. Since active devices already integrate carrier sensing, two new anti-collision algorithms are suggested based on this observation. A non-persistent Carrier Sense Multiple Access (CSMA) mechanism based upon the quasi-optimal Sift distribution, which is indented to minimize the mean identification time and to reduce the activity periods of the tags. And a p-persistent CSMA, which is able to minimize energy waste switching off a majority of tags during contention slots. Finally, dense RFID reader environments are studied in this doctoral thesis. In some installations, a single reader is not enough to cover a large identification area, or several identification gates may be present. Hence, several readers are required, and the overall performance is negatively affected by two types of collisions: Reader to Tag Collisions (RTC) and Reader to Reader Collisions (RRC). Our focus was on the review of the scheduling solutions aimed at minimizing these types of collisions. The performance of the different mechanisms is studied in order to provide comparative results of efficiency and network usability. The drawbacks extracted are used to suggest the key design properties of an efficient scheduler.Universidad Politécnica de CartagenaVales Alonso, JavierTecnologías de la Información y las Comunicaciones2010201020102010info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10317/1269reponame:Repositorio Digital UPCTinstname:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)InglésAtribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 Españahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:repositorio.upct.es:10317/12692026-05-15T06:39:02Z
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