Metódy viacnásobného prístupu a antikolízne riešenia

Doc. Ing. Juraj Vaculík, PhD., Žilinská univerzita v Žiline

Abstract: The article is devoted to conventional controller design and tuning by the direct synthesis method and IMC method. Both these methods belong among the most frequently and popular approaches at present, because of their simplicity and universality. It is shown that for certain conditions both methods are equivalent. Their use for analog and digital conventional controller design is described in detail and illustrated by the desired model method, which was developed at the Department of Control Systems and Instrumentation of the Faculty of Mechanical Engineering VŠB — Technical University of Ostrava.

Technológia rádiofrekvenčnej identifikácie je jednou z foriem automatickej identifikácie a zachytávania údajov, ktorá je prezentovaná pod skratkou AIDC. Táto technológia využíva elektrické alebo magnetické polia na špecifikovaných frekvenciách, prostredníctvom ktorých zabezpečuje prenos informácií. RFID systém môže byť veľkým komplexom, ktorého implementáciu je možné prispôsobovať priemyselným odvetviam a sektorom. Systém sa skladá z troch hlavných subsystémov:

• RF subsystém, ktorý vykonáva identifikáciu a podobné transakcie, ktoré sa používajú pri bezdrôtovej komunikácii,
• podnikový subsystém, ktorý zabezpečuje a spravuje pracovné procesy a programové vybavenie, ktoré umožňuje skladovať, spracovávať a analyzovať údaje získané z transakcií RF subsystému a následne vytvárať údaje pre podporný firemný proces a
• medzi-podnikový subsystém, ktorý spája podnikový podsystém, keď je potrebné informácie zdieľať cez geografické alebo organizačné hranice danej organizácie.

Každý RFID systém teda obsahuje RF subsystém a väčšina RFID systémov obsahuje aj podnikový subsystém. Tento podsystém (obr. 1) pozostáva z troch základných prvkov:

• RFID identifikátory (štítky, tagy, značky) – malé elektronické zariadenia, ktoré sú pripevnené k objektom, resp. vložené do nich. Každý identifikátor má unikátny číselný kód a môže mať taktiež aj iné prvky ako napr. pamäť pre skladovanie údajov, senzory týkajúce sa životného prostredia ako aj bezpečnostné zariadenia.
• RFID čítačky – zariadenia bezdrôtovo komunikujúce s RFID štítkami, za účelom identifikácie položiek spojených so štítkom a s možnosťou pridružiť označovanej položke príslušné údaje a
•  middleware, ktorý zabezpečuje väzbu na podnikový subsystém, prípadne riadenie RF subsystému.

Obr. 1. Fyzické prvky a logické vrstvy RFID systému

Ako identifikátory, tak aj čítačky sa používajú pre obojsmernú komunikáciu a oba prvky obsahujú anténu a sú schopné modulácie ako aj demodulácie rádiového signálu. Anténa vysiela elektromagnetický signál na vopred dohodnutej frekvencii pre aktiváciu identifikátora (označenie pre samotný čip s technológiou RFID) pre čítanie alebo zápis. Prostriedkom na prenesenie informácie sú väzobné prvky ako antény alebo cievky (samozrejme naladené na rovnakú frekvenciu, ktoré musia obsahovať ako čítacie zariadenie tak aj RFID identifikátor (obr. 2). V oboch prípadoch vyzerajú inak. Identifikátor môže vyzerať ako plastová kartička, v ktorej je zaliata anténa alebo ako nálepka na zošit, kľúčenka, prípadne najnovšie ako malý podkožný implantát. Čítacia strana býva realizovaná ako plastový prvok na zariadení, pri ktorom prebieha identifikácia. Môže byť zabudovaná aj oveľa sofistikovanejšie, napríklad do rámu dverí (kontrola prechádzajúcich osôb), v stojane pri ceste (výber mýta), prípadne vo forme ručnej čítačky (ako kontrola kovov na letisku).

Obr. 2. Princíp komunikácie RFID systému

Anténa s transceiverom (vysielačom) a dekodérom v jednom sa volá čítačka. Dosah čítačiek sa pohybuje od niekoľkých cm až po desiatky metrov, podľa toho, aká frekvencia je použitá na čítanie a s akým výkonom vysiela vysielač. Musíme ale brať do úvahy aj dosah tagu pri čítaní. Keď tag prejde cez elektromagnetickú zónu je detekovaný a dekódovaný čítačkou a dáta sú postúpené ďalej do počítača, v ktorom sa môžu použiť spolu s databázou (napr. overenie prístupu pracovníkov ktorí sú v databáze).

V prevádzke RFID systémov sa preto často vyskytuje situácia, pri ktorej je identifikátor snímaný viacerými čítačkami alebo je veľké množstvo identifikátorov prítomných v čítacej zóne jedného snímača v rovnakom čase. V prvom prípade je situácia jednoduchšia a dá sa ošetriť buď nadstavbovou aplikáciou, schopnou identifikovať anténu, resp. čítačku, ktorá identifikátor načítala, alebo fyzickým oddelením čítačiek. V druhom prípade v systéme pozostávajúcom z riadiacej stanice, snímača a určitého počtu identifikátorov rozlišujeme dve hlavné formy komunikácie.

Prvá sa používa na prenos údajov z vysielača (čítačky) do identifikátorov (obr. 3). V tomto prípade je tok prenesených dát prijatý všetkými identifikátormi súčasne. To je porovnateľné so súčasným prijímom programu stovkami rozhlasových prijímačov. Tento typ komunikácie je preto známy ako vysielanie (broadcasting).

Obr. 3. Vysielací mód

K tomu, aby RFID čítačka zabezpečovala identifikáciu mnohých značiek vo svojom čítacom dosahu, musí pracovať s mechanizmom, ktorý je známy ako antikolízny protokol. Ak začnú všetky značky v dosahu čítačky odovzdávať dáta súčasne, potom sa ich signály dostanú do rozporu medzi sebou a interpretácia čítania je neúčinná. Singulation protokol rieši tento problém tým, že umožňuje striedanie značiek pri prenose na čítačku. Pre UHF identifikátory je použitý všeobecný variant protokolu, známy ako tree-walking (prechod stromom). Čítačka prechádza strom a žiada podmnožiny značiek vysielať v danom čase jediný bit. Funkcia základného prechodu stromom znamená, že čítačka vysiela zoznam sériových čísel na veľké vzdialenosti, čím sa systém stáva náchylným na odpočúvanie.

Druhá forma komunikácie zahŕňa prenos dát z jednotlivých identifikátorov v čítacom dosahu do čítačky. Táto forma komunikácie sa nazýva multi-access (viacnásobný prístup (obr. 4). Každý komunikačný kanál má zadefinovanú svoju kapacitu, ktorá je určená podľa jeho maximálnej prenosovej rýchlosti a časového rozsahu jeho dostupnosti. Dostupná kapacita kanála musí byť rozdelená medzi jednotlivých účastníkov (identifikátory) tak, že údaje môžu byť prenesené z niekoľkých identifikátorov do jedného snímača bez vzájomného rušenia (kolízie).

Obr. 4. Multi-access (viacnásobný prístup) čítačkou

Vlastnosť viacnásobného prístupu bola dlhodobým problémom v rozhlasovej technológii. Príkladom môžu byť spravodajské satelity alebo mobilné siete, v ktorých viacerí účastníci požadujú prístup k jedinej satelitnej alebo základňovej stanici. Z tohto dôvodu bolo vyvinutých mnoho postupov s cieľom oddeliť signály jednotlivých účastníkov (v našom prípade identifikátorov) jeden od druhého.

V indukčnom RFID systéme je prijímacia časť k dispozícii pre všetky identifikátory v čítacom dosahu ako spoločný kanál pre prenos dát do snímača. Maximálna prenosová rýchlosť závisí od efektívnej šírky pásma antény vo vysielači snímača.

V praxi sa preto môžeme stretnúť s dvomi typmi kolízií, ktoré je potrebné riešiť:

•  kolízia medzi čítačkami (obr. 5) a
•  kolízia medzi identifikátormi (obr. 6)

Kolízie medzi čítačkami sa dajú riešiť, pretože je možné jednoznačne identifikovať, ktorá anténa (alebo čítačka) identifikátor zosnímala a ošetriť to v middleware alebo v aplikácii. Venujme sa teda metódam pre ošetrenie kolízií medzi identifikátormi.

Signál nesúci informáciu sa prenáša určitým komunikačným kanálom, ktorý musí byť v okamihu vysielania voľný, aby nedochádzalo k znehodnoteniu vyslanej informácie. Často sa totiž stáva, že daná prenosová kapacita kanála je využívaná pre viac prenosov. Musia byť teda implementované metódy, ktoré riešia problematiku zdieľania prenosovej kapacity. Tieto metódy je možné rozdeliť na statické a dynamické.

Statické prístupové metódy – princíp statických prístupových metód spočíva v tom, že danému prenosu je po celú dobu komunikácie (komutované spoje) alebo dokonca nepretržite (pevné spoje) vyhradená určitá prenosová kapacita. Princíp zodpovedá spojovaniu okruhov a existuje niekoľko spôsobov:

a) SDMA (Space Division Multiple Access - viacnásobný prístup s rozdeleným priestorom) priestorové delenie znamená, že každý spoj je realizovaný samostatným kanálom (vedením). Pri bezdrôtových spojoch je to riešené dostatočnou vzdialenosťou v priestore.

b) FDMA (Frequency Division Multiple Access - viacnásobný prístup frekvenčnej domény) – frekvenčný multiplex; každé spojenie je realizované v inom frekvenčnom pásme.

c) TDMA (Time Division Multiple Access - viacnásobný prístup časovej domény) – časový multiplex; signál je združený so signálmi ostatných spojov do jedného vysokorýchlostného spoja a vzniká rámec, ktorému je pridelený určitý časový slot.

d) CDMA (Code Division Multiple Access - viacnásobný prístup rozdelenia kódu) - kódový multiplex; prenos s rozprestreným spektrom, v ktorom je každému spoju pridelená určitá postupnosť, ktorá riadi spôsob vysielania:

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - s frekvenčnými skokmi,
• THSS (Time Hopping Spread Spectrum) - s preskakovaním časových slotov,
•  DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - s priamym rozprestretím spektra,

e) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - ortogonálny frekvenčný multiplex

f) VOFDMA (vectored OFDMA) - vektorový OFDMA

Množstvo aplikácií využíva kombinácie niekoľkých vyššie uvedených metód. Napríklad systém GSM pracuje na báze kombinácie FDMA, SDMA a TDMA. Avšak, tieto klasické postupy sú založené na predpoklade nepretržitého toku dát od / ku účastníkom, a ak bola kapacita kanála raz rozdelená, zostáva rozdelená do ukončenia komunikácie (napr. po dobu trvania telefonického rozhovoru).

Dynamické prístupové metódy – naproti tomu pri dynamických metódach je celá prenosová kapacita k dispozícii všetkým prenosom a jednotlivé zdroje sa musia o pridelenie možnosti vysielať uchádzať. Tento princíp je vlastný sieťam so spojovaním paketov a prejavuje sa na rôznych úrovniach:

•  prístup koncového uzla k zdieľanému médiu (napríklad v sieťach LAN),
•  prístup viacerých dátových tokov k výstupu do určitého smeru (v spojovacích uzloch - mostoch, prepínačoch a smerovačoch).

Prístup sa rieši implementáciou frontových (prípadne prioritných) mechanizmov alebo na princípe náhodného prístupu, ktorý však nedovoľuje zavedenie priorít. Na úrovniach spojovacích uzlov je viacnásobný prístup k určitému výstupnému portu riešený pomocou jednej fronty typu FIFO (First In First Out), implementáciou priorít pomocou niekoľkých prioritných front alebo rezerváciou prenosovej kapacity (pri ATM sieťach).

Metódy pre prístup koncových uzlov k zdieľanému médiu v sieťach LAN rieši podvrstva MAC (Medium Access Control). Ide o metódy dynamické a je možné ich rozdeliť do niekoľkých skupín:

a) deterministické – metódy garantujú maximálne oneskorenie t. j. prístup stanice k vysielaniu, a umožňujú implementáciu priorít s centrálnym prideľovaním – v sieti existuje centrálny uzol, ktorý udeľuje koncovým staniciam oprávnenie k vysielaniu.

b) náhodné – prístup k zdieľanému kanálu je náhodný proces, tieto metódy sa využívajú pri bezdrôtových a satelitných sieťach. Medzi základné metódy patria:

•  Aloha – koncová stanica (identifikátor) začne vysielanie v ktorýkoľvek okamih bez toho, aby si overila, či nevysiela nejaká stanica a či jej dáta neboli znehodnotené vysielaním inej stanice. Táto metóda vykazuje veľmi nízke percento celkovej kapacity kanála (asi 20 %).
•  Slotted Aloha – koncová stanica môže začať vysielanie len v pevne stanovených okamihoch (čas je rozdelený do slotov). Maximálne dosiahnuteľné využitie kapacity sa tak takmer zdvojnásobí.
•  CSMA (Carrier Sense Multiple Access) – koncová stanica pred vlastným vysielaním kontroluje obsadenie kanálu. Pokiaľ je kanál obsadený, stanica čaká a pravidelne kontroluje jeho stav.

Vzhľadom k predchádzajúcemu je spektrum použitých metód v prípade technológie RFID značne zúžené. RFID identifikátory sa vyznačujú krátkou dobou činnosti rozptýlenou v prestávkach nerovnakej dĺžky. Napríklad bezkontaktná čipová karta vo forme dopravnej (cestovnej) karty pre verejnú dopravu, ktorú prinesieme do prijímacej zóny snímača, musí byť overená, prečítaná a zapísaná počas niekoľkých desiatok milisekúnd. Potom môže nasledovať dlhé obdobie počas ktorého čipová karta nevstúpi do prijímacej zóny snímača. Avšak tento príklad by nás nemal priviesť k záveru, že pre tento typ aplikácie nie je potrebný viacnásobný prístup.

Musíme vziať do úvahy aj situáciu pri ktorej má cestujúci v peňaženke dve alebo tri bezkontaktné čipové karty rovnakého typu, ktoré drží pri snímači. Aj v takomto prípade je postup viacnásobného prístupu schopný vybrať správnu kartu a odčítať cestovné poplatky bez cítiteľného oneskorenia.

Antikolízny systém je možné riešiť aj v rámci middlewaru, napríklad systému OnID, v ktorom existuje špeciálny procesor - earlyDecoupler (zo skupiny Filters), ktorý filtruje prichádzajúce správy na základe času a informácie v správe.

Nastavenie procesora EarlyDecoupler:

• commit.time 10000
•  discrimination.key.1 /reading/tagId

Procesor si bude všímať číslo identifikátora (tagId) z prichádzajúcich správ z výstupu brány a čas, ktorý uplynul od príchodu správy s rovnakým číslom tagu. Správa nebude odfiltrovaná len v prípade, že za posledných 10 sekúnd (10 000 milisekúnd) neprišla správa s tým istým číslom identifikátoru. Nastavenie je možné rozšíriť, napríklad

• commit.time 10000
•  discrimination.key.1 /reading/tagId
•  discrimination.key.2 /reading/antenna

V tomto prípade si bude filter všímať aj číslo antény, ktorá identifikátor detekovala. Čiže, ak by bol rovnaký identifikátor v intervale 10 sekúnd čítaný ľubovoľnou pripojenou anténou správy by neboli odfiltrované, lebo by sa líšili číslom antény. Procesor by správu odfiltroval v prípade, že za posledných 10 sekúnd obdržal správu s rovnakým identifikátorom a anténou.

Na odfiltrovanie viacnásobnej detekcie RFID identifikátorov je jednoduchšie použiť EarlyDecoupler zo skupiny RFID. V ňom stačí nastaviť hodnotu commit.time. Správy filtruje len na základe čísla identifikátora a tým je zabezpečené, že identifikátor sa v danom intervale načíta len raz.

Príspevok sa zaoberá teoretickými a praktickými problémami pri riešení antikolíznych situácií, či už na strane čítačiek alebo na strane identifikátorov. V praxi ale môžu byť tieto vlastnosti využité aj iným spôsobom, njmä v oblasti testovania systémov, monitorovania a vyhodnocovania niektorých charakteristík tejto technológie ako čitateľnosť, čítací dosah, spoľahlivosť čítania a ďalších.

Použité zdroje:

[1] Kolarovszki, P. - Michálek, I.: Zásady implementácie a integrácie RFID v prostredí Supply chain manažmentu. In: Svět informačních systémů 2008, medzinárodná konferencia. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 14.-15.4. 2008, s. 196-201, ISBN 80-7318-697-5.

[2] Kolarovszki, P., Hnatová, Z.: Umiestnenie a orientácia RFID štítkov ako jeden z faktorov úspešného snímania poštových zásielok, In: Postpoint 2009: Globalization - a chance for postservices!?: Žilina, 16.-18.9.2009

[3] Plica J.: Vplyv elektromagnetického vlnenia na funkčné vlastnosti RFID zariadení, diplomová práca, Žilinská univerzita, katedra spojov, 2010

[4] Tengler J.: Identifikace poštovních zásilek prostřednictvím technológie RFID, diplomová práca, Žilinská univerzita, katedra spojov, 2010

Grantová podpora:

• 4/2045/08 - Aplikácie technológie RFID pre vybrané poštové procesy na podmienky HSS
• 077-059ŽU-4/2010 - Implementácia nových technológií do vzdelávania (vytvorenie RFID laboratória ako podporného prvku pre vzdelávanie)
• 1/0149/10 Difúzne procesy nových mobilných služieb a ich hodnotový reťazec
• OPV-2009/1.2/01-SORO - Systematizácia pokrokových technológií a poznatkov medzi priemyselnou sférou a univerzitným prostredím
• 089-068ŽU-4/2010 Aplikácia RFID pri sledovaní pohybu diplomových a bakalárskych prác v rámci univerzitného campusu