Estudio de mecanismos de convivencia de lectores en sistemas

Estudio de mecanismos de convivencia de lectores en sistemas

Estudio de mecanismos de convivencia de lectores en
sistemas RFID pasivos
M.Victoria Bueno-Delgado, Javier Vales-Alonso
Área de Ingeniería Telemática. E.T.S. Ingeniería de Telecomunicación,
Universidad Politécnica de Cartagena, Plaza del Hospital nº 1, 30202, Cartagena,
Murcia. {mvictoria.bueno, javier.vales }@upct.es
Abstract. Los sistemas RFID pasivos con dos o más lectores presentan
problemas de colisiones caracterizados por dos tipos de interferencias:
interferencias lector-lector e interferencias lector-tag. Ambas afectan
negativamente al rendimiento de los sistemas RFID, sobre todo, en aquellos
donde existe un flujo continuo de tags entrando y saliendo de la zona de
cobertura de los lectores, donde las interferencias pueden provocar que los tags
salgan de la zona de cobertura de los lectores sin identificarse. En este trabajo
se estudian los efectos de estas interferencias y se discuten las alternativas que
proponen los estándares así como los mecanismos más destacados de la
literatura científica, resaltando los requisitos hardware e incompatibilidades con
los actuales estándares. Por último se describe a grandes rasgos lo que, desde el
punto de vista de los autores, se debería tener en cuenta para diseñar de un
mecanismo de convivencia de lectores capaz de minimizar las interferencias
que se producen en los sistemas RFID pasivos.
Keywords: interferencias lector-lector, lector-tag, FDMA, TDMA
1
Introducción
RFID (Radio Frequency Identification) es una tecnología cada vez más extendida
en el mundo de la logística y la trazabilidad. En estos escenarios los ítems a identificar
se mueven por grandes naves industriales en cintas transportadoras, pallets, camiones,
etc. En estos entornos se utilizan sistemas RFID con varios lectores, que se instalan en
zonas estratégicas (p.ej. entrada/salida de camiones y pallets) y crean distintas zonas de
cobertura que permiten identificar a los tags y realizar la trazabilidad de los productos.
En los sistemas RFID con varios lectores se producen problemas de colisiones que
reducen el throughput del sistema, definido como el número de tags identificados por
lector. Estos problemas se caracterizan por dos tipos de interferencias:
-
Interferencias lector-tag (RTI): se producen cuando en un sistema RFID las
áreas de cobertura de dos o más lectores se solapan, independientemente de si
trabajan en la misma o distinta frecuencia. Como ejemplo, se observa la
figura 1, donde los lectores R y R’ intentan leer el tag A simultáneamente. Las
ondas electromagnéticas de ambos lectores inciden en A pero el tag, al ser
pasivo, no incorpora el hardware específico que le permite seleccionar un
lector/frecuencia en particular para transmitir sus datos.
-
Interferencias lector-lector (RRI): se suceden cuando dos o más lectores de un
sistema RFID trabajan a la misma frecuencia y las señales de al menos uno de
ellos alcanza a uno o varios lectores. En este caso, si un lector está leyendo a
un tag que tiene en cobertura y, al mismo tiempo percibe las señales
electromagnéticas de un lector, éstas interferirán en la débil señal de respuesta
del tag. En la figura 1, el lector R está leyendo los datos que le llegan del tag
B y, al mismo tiempo, las señales electromagnéticas del R’ inciden en el lector
R, interfiriendo así la comunicación entre R y B.
dRR
B
R
dRT
C
A
dRR
R’
dRT
Reader
Tag
dRR Reader‐Reader read range
dRT Reader‐Tag read range
Figura 1. Problemas de colisión de lectores
RTI y RRI dependen directamente del rango de lectura de los lectores, que a su vez
depende de la potencia de transmisión configurada. En la mayoría de los sistemas
RFID, los lectores se configuran a la máxima potencia permitida por el estándar y las
regulaciones del país. En Europa, esta potencia alcanza los 2 W. Este valor garantiza el
rango de cobertura máximo lector-tag (dRT), pudiendo identificar tags situados a 10m
de distancia del lector. Sin embargo, la potencia de transmisión también afecta al rango
de cobertura lector-lector (dRR), por lo que, a 2 W, los lectores interfieren entre ellos
hasta una distancia de aproximadamente 1000m [2].
En este trabajo se discuten las soluciones propuestas en los estándares, así como los
trabajos más destacados de la literatura científica. Éstos últimos proponen mecanismos
que redistribuyen los recursos de la red para minimizar las interferencias, a costa de
hardware extra en los dispositivos o incluso poniendo en jaque la compatibilidad con
los estándares actuales. Los mecanismos estudiados se comparan para comprobar el
rendimiento de los mismos, en términos de eficiencia. Por último se describen a
grandes rasgos, y desde el punto de vista de los autores, que requisitos debería cumplir
un mecanismo de distribución de recursos de red para maximizar la eficiencia del
sistema minimizando las interferencias antes descritas.
El resto del artículo está organizado en: la Sección 2 se realiza una descripción de
los estándares y regulaciones actuales en RFID. En la Sección 3 se describen los
mecanismos anti-colisión para múltiples lectores más destacados de la literatura
científica. En la Sección 4 se comparan los mecanismos estudiados. En la Sección 5
se describen los requisitos que, desde el punto de vista de los autores, se deberían
cumplir para mejorar la distribución de recursos en un sistema RFID con múltiples
lectores. La Sección 5resume las conclusiones del trabajo realizado.
2
Estándares y regulaciones
Durante los últimos años se han desarrollado diversos estándares que proponen
soluciones para resolver los problemas asociados a RRI, pero olvidando las RTI. Estas
soluciones se basan en FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), asignando a
cada lector una frecuencia para trabajar. ETSI EN 302 208 [3] es el estándar más
extendido basado en FDMA. El estándar propone dividir la frecuencia de trabajo en 15
sub-bandas (10 en Europa). Cada lector escucha en una sub-banda determinada durante
un tiempo. Siguiendo el esquema CSMA (Carrier Sense Multiple Access), el lector
accede a la transmisión si encuentra el canal libre. En caso contrario el lector sigue
escuchando el canal. Cada 4 s los lectores dejan libre el canal durante, al menos,
100ms. EPC global Class-1 Gen-2 [1], también basado en FDMA, utiliza la técnica de
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) para dividir el espectro en sub-bandas.
Al contrario que en [3], los lectores cambian de sub-banda de forma aleatoria,
reduciendo la probabilidad de colisión. Los lectores no utilizan CSMA y transmiten en
los canales impares, mientras que las respuestas de los tags se alojan en los canales
pares. Hay diez sub-bandas, de las cuales solo 5 están disponibles para los lectores.
3
Estado del arte
Los mecanismos relacionados con la minimización de los Problemas de Colisión
de Lectores se pueden clasificar siguiendo diversos criterios. En la literatura científica
se clasifican según el modo de operación en centralizados y distribuidos. En este
trabajo se ha seguido ese mismo criterio para introducir los más relevantes (Tabla 1).
3.1 Mecanismos centralizados
Los mecanismos centralizados proponen una entidad centralizada (master) que
coordina y sincroniza los lectores a través de una conexión de cable o inalámbrica. El
master reparte los recursos disponibles en la red entre los lectores operativos.
En [4] se propone un dispositivo centralizado que reparte los recursos entre los
lectores y coordina la comunicación entre ellos y los tags a través de una técnica de
multiplexación de peticiones de lector. Los autores asumen que las RRI no suceden.
Además, los lectores deben ser capaces, no solo de almacenar toda la información
referente a los tags identificados, sino también deben comunicarse con sus lectores
vecinos para compartir información. El mecanismo requiere hardware extra en los
lectores y un hardware específico, no comercial, en el master. En [5], las RRI se
reducen utilizando FDMA. El mecanismo propuesto distribuye las frecuencias entre
los lectores en función de la distancia entre ellos, cuanto más cerca estén, las
frecuencias se asignan lo más separadas posibles. Los autores también recomiendan
reducir la potencia de transmisión de los lectores para reducir las interferencias, pero
esto implica disminuir el rango de cobertura lector-tag, con lo que disminuye la
probabilidad de identificar tags. En [6], los lectores trabajan en la misma frecuencia y
el mecanismo propuesto controla en tiempo real los lectores que solapan sus áreas de
cobertura y decide si desconectarlos o no para reducir las RRI.
Tabla 1. Tabla comparativa de mecanismos de minimización de RRI y RTI.
Mecanismo
CC
Harr
Array
Leo
Pulse
Kim
Dica
Color
HiQ
MM
Criterio
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Lector-Tag
9
9
9
9
9
9
9
9
9
Lector-Lector
Centralizado
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
Canal Control
9
FDMA
9
9
9
9
9
9
9
9
TDMA
Lectores fijos
9
9
Lectores móviles
Hardware extra
9
9
Distribuido
Canal Datos
9
9
9
9
9
9
Comp. estándar
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
3.2 Mecanismos distribuidos
Los mecanismos distribuidos no trabajan con una entidad central. En su lugar, los
lectores se comunican entre ellos mediante comunicación inalámbrica con el fin de
distribuir los recursos de la red. Estos mecanismos requieren que los lectores
mantengan y controlen la sincronización de la red, lo que incrementa su complejidad.
Leo [7] es un mecanismo donde cada lector detecta el máximo número de lectores
vecinos que solapan coberturas y cada lector decide si alguno de sus vecinos debe
desconectarse para disminuir las RTI sin degradar la funcionalidad de la red. Una vez
realizadas las desconexiones oportunas, los lectores comienzan la identificación. Este
mecanismo no es eficiente en entornos con lectores móviles ya que éstos pueden
aparecer o desaparecer del área de trabajo sin que la red se reconfigure para tenerlos en
cuenta. Pulse [8] es un mecanismo basado en CSMA. Utiliza un canal de control y otro
de datos. Los lectores pueden recibir de ambos canales a la vez, pero no transmitir
simultáneamente en ambos. Los lectores, escuchan el canal de control para conocer si
el canal de datos está libre. El lector que utiliza el canal de datos transmite
periódicamente un paquete en el canal de control para avisar a los lectores que el canal
sigue ocupado. En [9] se propone un mecanismo similar a [8], donde el canal de
control se realiza mediante una red de sensores, lo que implica hardware extra. DiCa
[10] es un mecanismo energéticamente eficiente también basado en CSMA que
9
9
minimiza las RRI ajustando el rango del canal de control. Este ajuste disminuye el
consumo de energía. Colorwave [11] es un mecanismo basado en TDMA (Time
Division Multiplexing Access). Cada lector elige un slot para transmitir. Si dos o más
lectores eligen el mismo slot, habrá colisión, y los lectores implicados deberán elegir
un slot de nuevo. Si vuelven a colisionar, uno de ellos deberá elegir un nuevo slot y
transmitir un paquete de control indicando lo sucedido. El mecanismo solo reduce las
RTI. HiQ [12] reduce las RTI utilizando patrones de colisión. Los lectores, se
comunican entre ellos a través de un canal de control y se intercambian información las
colisiones que han tenido de acuerdo a la frecuencia y al slot que han elegido. También
hay una entidad centralizada que tiene información de todo lo que sucede en la red, y
es capaz de asignar recursos a los lectores. El principal problema de este mecanismo es
la gran cantidad de información que deben manejar los lectores. MCMAC [13] es un
mecanismo basado en FDMA que proporciona R-1 canales de transmisión de lectores,
siendo R el número de lectores en el sistema. También utiliza un canal de control para
distribuir las frecuencias entre los lectores. Aunque este mecanismo puede mitigar las
RRI, no soluciona las RTI. Además, cuando R es mayor que el numero de frecuencias
disponibles en el lugar de operación (Europa 10 canales), el mecanismo no es eficiente.
4
Comparativa de los mecanismos estudiados
En esta sección se ha realizado una comparativa sobre el rendimiento de los
mecanismos estudiados en términos de eficiencia de los mecanismos, es decir, el ratio
de los recursos libres de RTI y RRI frente al total de recursos en el sistema.
4.1
Descripción del escenario
El escenario a evaluar se compone de un sistema RFID con R lectores, situados de
forma arbitraria, como el mostrado en la figura 2. Las distancias relativas de los
lectores se muestran en la matriz D. Siguiendo el estándar de [1], se configura la
potencia de transmisión en los lectores a la máxima permitida, 2 W. La potencia
define los límites de RRI y RTI. Por tanto, se producirán RTI entre los lectores
situados a menos de 20m y RRI entre los situados a menos de 1000m. Se asume que
todos los lectores necesitan acceder al medio para realizar el proceso de identificación
de los tags detectados, es decir, necesitan σ recursos del sistema. Por tanto,
suponemos que en el sistema hay F frecuencias disponibles y S slots por frecuencia,
es decir, los recursos de los que dispone el sistema son α=F·S, si todos los lectores
están distan menos de 1000 m entre ellos y α=S·(F+ Rd>dRRI -1)1 en caso contrario.
4.2
Simulaciones y resultados
Se ha simulado el escenario descrito en la sección anterior para, R=[5,…,50]2 ,
F=[5, 10] y S=1600 slots. El valor de S se ha calculado asumiendo que el sistema se
reconfigura cada 4s y que un slot tiene una duración de 2.5ms3. Se asume que cada
1
Rd>dRRI es el número de lectores situados a más de 1000 metros de otro lector en el sistema.
Cada nuevo lector en el escenario está situado a distancia tal que solo provoca interferencias RRI.
3 Valor calculado tomando los valores típicos del estándar EPCglobal Class-1 Gen-2.
2
lector necesita σ=S recursos (es decir, una frecuencia entera). Los mecanismos
escogidos para simulación han sido aquellos que, hoy en día, podrían implementarse
en un lector actual sin un coste hardware excesivo y siendo compatibles con los
actuales estándares. Los mecanismos se han dividido en 5 grandes grupos:
Mecanismos que desconectan lectores interferentes (switch-off) [7], mecanismos
basados en TDMA [11] [4] y mecanismos basados en FDMA [13], estándar
EPCglobal [1] y regulación ETSI [2]. Tanto el estándar como la regulación funcionan
con su propio valor de F, independientemente del establecido en las simulaciones. Las
simulaciones se han realizado con la herramienta Matlab.
Lector 2
d2,4 = d4,2 = 28 m
d1,2 = d21 = 15 m
d2,5 = d5,2 = 22 m
Lector 4
d2,3 = d3,2 = 24 m
d4,1 = d1,4 = 40 m
Lector 1
d1,5 = d5,1 = 22 m
d4,3 = d3,4 = 35 m
d1,3 = d3,1 = 15 m
d4,5 = d5,4 = 25 m
Lector 5
d5,3 = d3,5 = 9.9 m
di,j < 20 m Interferencias Lector‐Tag
0 m < di,j < 1000 m
Interferencias Lector‐Lector
 0

 15
DRxR  15

 40

 22
Lector 3
15
15
40
0
24
24
0
28
35
28
35
0
22
9.9
25
22 

22 
9.9 

25 

0 
Figura 2. Escenario en estudio: sistema RFID con 5 lectores
Las figuras 3 y 4 muestran los resultados en términos de eficiencia del sistema γ.
La figura 3 muestra los resultados para F=5. Se observa que el mecanismo más
eficiente es [3], solo superado por FDMA [13] y switch-off [7] cuando R es menor
que 8 y 7, respectivamente. La peor eficiencia se observa en TDMA. La razón de esto
es que TDMA solo utiliza 1 frecuencia, alojando todos los lectores en distintos
instantes temporales. Como en el caso estudiado los lectores necesitan S slots (una
frecuencia entera), se observan los resultados para el peor caso de TDMA. Ante
menos petición de recursos, TDMA presenta una mejor respuesta. En la figura 4 se
muestran los resultados para F=10. En este caso, no solo FDMA, sino también
switch-off, presentan una mejor eficiencia con valores de R menores de 11 y 12
respectivamente. Sin embargo, la eficiencia es menor que la obtenida con F=5. Como
en el escenario anterior, [3] presenta los mejores resultados.
EPCglobal
ETSI-EN
TDMA
FDMA
Switch-off
0.8
0.7
0.6
γ
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
R
Figura 3. Eficiencia de los mecanismos estudiados, F=5.
0.8
EPCglobal
ETSI-EN
TDMA
FDMA
Switch-off
0.7
0.6
γ
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
R
Figura 4. Eficiencia de los mecanismos estudiados, F=10.
De los escenarios estudiados se pueden concluir que los estándares no presentan
una buena eficiencia con un número elevado de lectores y en situaciones extremas,
donde todos los lectores necesitan recursos, el número de frecuencias y el acceso de
varios lectores a una misma frecuencia es clave para obtener una buena eficiencia, es
decir, la combinación de FDMA con TDMA.
5
Mejora de la distribución de recursos
Desde el punto de vista de los autores, los mecanismos de convivencia de lectores
deberían seguir ciertas pautas a para minimizar RTI y RRI y maximizando la eficiencia
de dichos sistemas. En los siguientes párrafos se enumeran algunas de las cuestiones
que surgen a la hora de diseñar estos mecanismos y el criterio que se debería de seguir:
¿Mecanismo centralizado o distribuido? Los sistemas RFID con varios lectores se
suelen instalar en entornos logísticos o industriales, sin seguir una topología específica.
Los lectores se conectan a una entidad central (o master) para recibir/transmitir
ordenes (p.ej. EPCglobalNetwork [14]). Dependiendo del entorno de trabajo, los
lectores estarán conectados al master a través de una red cableada o inalámbrica. Por
tanto, y aprovechando la instalación previa, es más lógico pensar en un mecanismo
centralizado, con un master que maneja y reparte los recursos. Potencia de
transmisión, límite de las interferencias. Con el fin de alcanzar el mayor rango de
cobertura posible los lectores se deben configurar a la máxima potencia permitida por
el estándar adoptado a nivel mundial, que en Europa alcanza los 2 W. De esta manera
se fijan los límites de las RRI y RTI. Control de interferencias-zonas de
solapamiento. Al definir un mecanismo centralizado y la potencia de transmisión se
puede tener en el master un conocimiento global de las zonas de solapamiento del
sistema, almacenando información sobre las coordenadas donde los lectores están
situados. Lectores fijos/móviles. El control de la entrada/salida de lectores móviles de
la zona de trabajo se realiza obteniendo periódicamente información sobre la posición
de todos los lectores del sistema, con el fin de recalcular las zonas de solapamiento.
¿FDMA, TDMA, CSMA…? Los sistemas RFID actuales funcionan siguiendo el
estándar actual EPCglobal Class-1 Gen-2, que se basa en FDMA. Por tanto, hay que
asumir que FDMA está implícito en el sistema. Como se comentó en la sección 4, hay
que utilizar algún mecanismo de multiplexación con el fin de repartir los recursos de
una manera eficiente, p.ej. TDMA. En el caso estudiado en este trabajo, los lectores
deberían alojarse en la misma o distinta frecuencia/slot, siguiendo la Tabla 2. Desde el
punto de vista de los autores, este problema de reparto de recursos se puede modelar
como un problema de optimización.
Tabla 2. Restricciones de distancia en los lectores para evitar RTI y RRI
slot =
slot ≠
Freq. =
d>1000m
Cualquier distancia
Freq. ≠
d>20m
Cualquier Distancia
6 Conclusiones
En este trabajo se ha demostrado como las soluciones propuestas por los estándares
actuales presentan una baja eficiencia en los sistemas RFID pasivos con múltiples
lectores, sobre todo cuando el número de lectores es elevado. Además, se ha
comprobado como la mayoría de los mecanismos propuestos en la literatura científica
redistribuyen los recursos de la red intentando minimizar solo un tipo de interferencia,
o ambas, pero a costa de hardware extra en los dispositivos o incluso poniendo en
jaque la compatibilidad con los estándares actuales. Del trabajo realizado se han
obtenido resultados que permiten aventurarnos a describir, a grandes rasgos, los
requisitos que debe cumplir un mecanismo de distribución de recursos de red para
maximizar la eficiencia de la red minimizando RRI y RTI.
Acknowledgments. Este trabajo ha sido financiado por los proyectos DEP2006-56158-C0303/EQUI, del Ministerio de Educación y Ciencia y TEC2007-67966-01/TCM (CON-PARTE1), del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Asimismo, se ha desarrollado en el
contexto del “Programa de Ayudas a Grupos de Excelencia de la Región de Murcia”, de la
Fundación Seneca, Agencia de Ciencia y Tecnología de la Región de Murcia (Plan Regional de
Ciencia y Tecnología 2007/2010).
Referencias
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Disponible on-line en http://www.epcglobalinc.org/standards
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Proc. of IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC
Technologies for Wireless Communications Proceedings, pp. 658-661, 2005.
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