Passive RFID tags, which have no self-battery and just backscatter the energy from a reader, share a common channel. It causes a tag-to-tag collision problem when at least two or more tags communicate to the reader simultaneously. The dynamic frame slotted Aloha (DFS-Aloha) protocol is one of the well-known anti-collision algorithms to solve this problem.
To maximize the system performance and enhance the reading speed of Aloha protocols, we propose a frame grouping algorithm, called grouped frame Aloha (GF-Aloha), which splits a large-frame of Aloha into several groups. The tags are allocated to each group according to their collision information at the previous frame. To implement the idea, tag structure and GF-Aloha protocol are designed based on the EPC Class 1 Generation 2. In addition, we also suggest a frame size estimator that enhances the Q-Algorithm and find the best parameters of the proposed estimation algorithm. Finally, combining the GF-Aloha and the proposed estimation algorithm, we suggest high speed anti-collision protocol for low-cost RFID tags.
Simulation results show that the GF-Aloha algorithm outperforms the conventional non-grouped Aloha protocol and the proposed estimation algorithm also enhances the system performance. Moreover, the combination of GF-Aloha and the proposed estimation algorithm takes less identification time than DFS-Aloha with Q-Algorithm based on EPC Class 1 Generation 2 protocol.
In conclusion, the proposed schemes enhances the identification time of DFS-Aloha for low-cost RFID systems. Moreover, the proposed anti-collision protocol can be adopted to not only supply chain management using low-cost RFID but also Aloha-based sensor network as an fast multiple access protocol.
RFID 시스템은 무선 전파를 이용하여 상품의 정보를 고속으로 전송할 수 있기에 물류, 유통 분야에서 너리 사용되고 있다. 하지만 단가를 낮추기 위해 저가의 태그를 사용할 때 모든 태그들이 같은 대역을 사용하게 되며 만약 두 개 이상의 태그가 동시에 리더에게 정보를 전송하고자 하는 경우 서로간의 충돌이 발생하여 리더가 태그로부터 오는 정보를 인식하지 못하게 된다. 이를 태그와 태그간의 충돌 문제라 하며 이러한 충돌 문제가 태그를 고속으로 인식하는 것을 방해하는 주요 원인이 된다.
태그간의 충돌을 해결하기 위해 크게 트리 기반 충돌방지 기법과 알로하 기반의 충돌 방지 기법이 사용되고 있으며 특별히 알로하 기반의 충돌 방지 기법은 최근 EPCglobal에서 나온 Gen2프로토콜의 제안과 함께 주목받고 있다. Gen2프로토콜에서 태그는 하나의 프레임이 진행되는 동안 임의의 하나의 슬랏에 응답함으로써 서로간의 충돌을 피하게 된다. 이 때 읽어야할 태그 수에 따라 적절한 프레임의 크기를 결정해 주는 예측 알고리즘으로 Q 알고리즘이 사용되며 이 알고리즘의 정확도가 인식 속도에 지대한 영향을 미치게 된다.
이 논문에서는 기존 DFS-Aloha 방식의 인식 속도를 향상시키는데 그 목적을 두었다. 이를 위해 태그의 충돌 순서를 기준으로 삼아 서로 다른 그룹으로 나누어 시스템의 인식 속도를 향상 시키고자 하였다. 그룹화 방식은 이미 최근 논문들에게 간간히 언급되었지만 이들 방식은 현실적인 제약을 전혀 고려하지 않고 있다. 따라서 태그의 부담을 최소화 하면서도 현실적인 그룹 방식을 운용할 수 있는 프로토콜과 그에 적합한 태그 구조가 본 논문에서 제안되었다.
또한, Aloha방식에서는 리더가 태그의 수를 알지 못하기에 매 프레임의 크기를 예측하는 알고리즘이 필요하다. 따라서 기존 Gen2프로토콜에서 사용된 프레임 크기 예측 알고리즘인 Q 알고리즘을 개선한 이중 가중치 Q 알고리즘을 제안하여 현재 통신량에 대한 예측의 정확도를 향상시켜 인식 속도를 더욱 향상시키는 방법도 이 논문에서 다룬다. 이 때 예측 알고리즘에 필요한 파라미터는 시스템에 관한 이상적인 수학적 모델을 만든 후 이에 가장 근접할 수 있는 값을 최소 자승법을 사용하여 도출하였다. 마지막으로 앞으로 제안된 두 가지 그룹 알로하와 프레임 크기 예측 알고리즘을 결합하여 저가의 태그를 사용하는 RFID시스템에서 인식속도를 기존 방식보다 향상 시켜 대량 물류 유통에 응용 가능한 프로토콜로 제안하였다.
제안된 기술들의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 볼 때, 오류와 전송 지연이 없는 이상적인 환경에서 구현된 프로토콜을 통해 기존 방식보다 80% 정도로 슬랏 수를 줄일 수 있었으며 표준에 기반한 리더와 태그간의 시간 측정에서도 기존 방식에 비해 향상된 인식 속도를 나타냄을 확인하였다.
결론적으로 이 논문에서 제안한 충돌 방지 알고리즘은 기존의 저가 RFID 시스템 뿐만 아니라 여러 센서를 사용하는 시스템들이 에너지 효율을 증대시키면서 각 노드의 인식 속도를 향상시킴으로써 기존 다중 접속 방식 한계를 뛰어넘는 성능을 얻을 것으로 사료된다.
