3期 谢磊等：RFD数据管理：算法、协议与性能评测 467 的能量吸收作用，被人体遮挡的部分标签的反射信 问题.针对应用层对数据分析与挖掘的需求，如何利 号会存在明显的能量衰减现象.基于上述认识，文 用现有MAC层防冲突机制所体现出的有规则的概 献[56]在不需要移动目标附加任何RFID标签的前 率分布性，避免无效数据的传输，实现高效的数据处 提下利用RFID主动标签阵列设计了一套系统，来 理机制，都是需要进一步研究的问题， 有效感知目标对象的移动行为并且挖掘频繁的移动 (2)基于RFID物理层特性的轻量级安全与隐 轨迹.该系统提出了一套实用的容错方法，能够抵消 私保障机制.由于RFID标签上的计算资源极其有 周围普遍存在的噪声信号的影响.文献[57]进一步 限，无法像常规无线系统一样使用非对称密钥来保 基于RFID标签阵列提出了一套行为感知方案.与 障私密性和安全性，从而给RFD系统的安全保障 前者不同的是，该方案大量使用了无源的被动标签， 带来了极大的困难.然而，RFID系统所具有的一些 结合少量的主动标签来构建感知系统，并且针对被 特殊物理属性使得实现更为可靠的轻量级安全与隐 动标签反射信号的抖动问题提出了有效的除噪方 私保障机制成为可能.例如，由于RFID标签具有基 案，更为有效地提升了系统的性价比.总体来说，上 于能量反射方式通信的特性，使其在物理层的通信 述基于RFD的移动行为感知方案由于使用了廉价 存在邻近效应，即只有在阅读器临近范围内的 的RFID标签，成本非常低廉，具有良好的可扩展 RFID标签才能够被实时的访问和读取.此外，RFID 性，此外，该方案能够以一种轻量级的方式提取移动 在物理层通信的信号特征可以用来构造“物理单向 行为的感知信息，避免产生大量冗余数据，从而有效 函数”：利用物理层的一些特质（如物理信号）来实现 支持感知数据的实时处理， 类似于Hash单向函数的一些性质.因此，如何利用 物理层的邻近效应来有效保障隐私，是一个值得研 6未来研究方向 究的问题.如何利用“物理单向函数”设计出轻量级 的认证算法来识别伪造标签，也是需要进一步研究 虽然RFID研究已经取得了一定的成果，但是 的问题。 仍有很多问题需要解决.当前物联网技术快速演进 (3)实际环境下RFID系统的优化部署方案.考 发展的浪潮，也给RFID的理论研究与应用带来了 虑到真实传输环境中多种因素对系统性能指标的影 新的发展契机，主要体现在如下几个方面： 响，迫切需要研究RFD系统在实际环境下的优化 (I)“跨层优化”的RFID数据管理理论与关键 部署方案，包括RFID阅读器的功率调整、阅读器天 技术.“跨层优化”的理念最早来源于无线网络协议 线的全方位立体部署、RFID标签的冗余部署等方 栈的优化设计，其核心思想就是实现两个或更多协 案.具体来说，实际应用情况下由于种种原因总是存 议层之间的优化和控制以及相互间信息的交换，从 在一些死角使得RFID标签无法被快速有效地识 而达到显著改善网络系统性能的目的.在传感网研 别.针对上述问题，如何有效地调整阅读器功率并且 究方面，“跨层设计”的思想已经得到了广泛的认可 合理规划多个天线的部署方案，来尽可能避免识别 和应用.然而，由于RFID系统设计的简单性以及资 死角的存在，同时提升并发读取效率，值得研究者们 源稀缺性，之前很少有研究者提出采用“跨层优化” 去深入探讨，此外，通过在单一目标对象上部署多个 的思路来研究RFID相关的问题.我们认为，RFID 标签，这样在仅需识别其中一个标签的情况下就能 系统稀缺计算存储资源，物理通信环境中普遍存在 有效识别目标对象信息.在上述情况下，如何部署合 噪声、信号干扰以及能量吸收对数据传输的影响，提 适粒度的冗余标签，在避免死角的前提下有效确保 出了“跨层优化”的必要性，同时也使得“跨层优化” 识别效率，也是需要进一步研究的问题， 的实现难度进一步提升.一方面，如果没有引入“跨 (4)RFID应用模式的探索与研究，由于RFID 层优化”来充分考虑各层次之间的影响，相应的理论 最初的设计目的是用来标识物品，当前RFID技术 研究成果很难在实际的应用环境下达到预期的性 的主流应用还停留在供应链中对货物进行跟踪、管 能；另一方面，稀缺的资源限制使得我们必须要考虑 理及监控方面.如今，RFID正以独特的优势，逐渐 研究轻量级的协议或算法来实现“跨层优化”的目 被广泛应用于方方面面，例如防伪、动物识别、反偷 的.因此，在真实环境下，如何根据物理层传输性状 窃系统、资产管理、食物药品安全等.事实上，能否有 的变化来实现MAC层防冲突算法的参数优化，提 效地将RFID推广到新型的应用中取决于能否结合 供快速高效的RFID识别机制，是一个值得研究的 RFID的特性来对其可行的应用模式进行思考，对3期 谢 磊等 ：RFID数据管理 ：算 法 、协议与性能评测 467 的能量吸收作用 ，被人体遮挡的部分标签 的反射信 号 会存 在 明显 的 能 量 衰 减 现 象．基 于 上 述 认 识 ，文 献 [56]在不 需要 移动 目标 附加 任 何 RFID标 签 的前 提 下利 用 RFID主 动 标 签 阵 列设 计 了 一套 系 统 ，来 有 效感 知 目标对 象 的移 动行 为并且 挖掘 频 繁 的移 动 轨 迹 ．该 系统提 出 了一套 实用 的容 错方 法 ，能够抵 消 周 围普 遍存 在 的噪 声信 号 的影 响．文 献 [57]进 一 步 基于 RFID标签阵列提 出了一套行为感知方案．与 前 者 不 同的是 ，该方 案 大量使 用 了无源 的被 动标 签 ， 结 合 少量 的主 动标 签 来 构 建 感 知 系统 ，并 且 针 对 被 动标签反射信号 的抖 动问题 提出 了有效 的除噪方 案 ，更 为有 效地 提 升 了 系 统 的性 价 比．总体 来 说 ，上 述 基 于 RFID 的移动 行为 感知 方案 由于使 用 了廉 价 的 RFID 标 签 ，成 本 非 常 低 廉 ，具 有 良好 的 可 扩 展 性 ．此 外 ，该方 案能 够 以一种 轻量 级 的方式 提取 移动 行 为 的感 知信 息 ，避 免产 生 大量冗 余数 据 ，从而 有效 支持 感知 数据 的实 时处 理． 6 未来研究方 向 虽然 RFID 研 究 已经 取得 了一 定 的成 果 ，但 是 仍 有 很多 问题 需要 解 决 ．当前 物 联 网技 术 快 速演 进 发展 的浪 潮 ，也 给 RFID 的理 论 研 究 与应 用 带 来 了 新 的发展 契机 ，主要 体 现在 如下 几个 方面 ： (1)“跨 层优 化 ”的 RFID数 据 管 理 理 论 与关 键 技术 ．“跨 层优 化 ”的理念 最早 来 源 于 无 线 网络协 议 栈 的优化 设计 ，其 核 心 思 想 就是 实 现 两 个 或更 多协 议层 之 间 的优 化 和控 制 以及 相 互 间 信 息 的交 换 ，从 而达 到显 著改 善 网络 系统 性 能 的 目的．在 传 感 网研 究方 面 ，“跨层 设计 ”的思 想 已经 得 到 了广 泛 的认 可 和应 用．然而 ，由于 RFID系 统设 计 的简 单性 以及 资 源稀 缺性 ，之 前很 少 有研 究 者 提 出采 用 “跨 层 优 化 ” 的思 路 来 研 究 RFID相 关 的 问题 ．我们 认 为 ，RFID 系统 稀 缺计算 存储 资 源 ，物 理通 信 环 境 中普 遍存 在 噪声 、信 号干 扰 以及能 量 吸收对 数据 传输 的影 响 ，提 出了“跨 层优 化 ”的必 要 性 ，同 时也 使 得 “跨 层 优 化 ” 的实 现难 度进 一 步 提升 ．一方 面 ，如果 没有 引入 “跨 层优 化 ”来充 分考 虑各 层次 之 间的影 响 ，相 应 的理论 研究 成 果很 难 在 实 际 的应 用 环 境 下 达 到 预 期 的 性 能 ；另一方面，稀缺的资源限制使得我们必须要考虑 研究轻量级的协议或算法来实现 “跨层优化”的 目 的．因此 ，在 真实 环境 下 ，如 何 根据 物 理 层 传 输 性状 的变 化来 实现 MAC层 防 冲 突算 法 的 参 数优 化 ，提 供快 速 高效 的 RFID识 别 机 制 ，是一 个 值 得研 究 的 问题．针对应 用 层对数 据 分析 与挖掘 的需 求 ，如何利 用 现有 MAC层 防冲突 机制 所体 现 出 的有 规则 的 概 率 分 布性 ，避免 无效数 据 的传输 ，实 现高 效 的数 据 处 理 机制 ，都 是需 要进 一步研 究 的 问题 ． (2)基 于 RFID物 理 层 特性 的轻 量 级安 全 与 隐 私 保 障机制 ．由 于 RFID标 签 上 的计 算 资 源 极其 有 限 ，无 法像 常规 无线 系统 一 样 使 用非 对 称 密 钥 来 保 障私 密性 和安 全 性 ，从 而 给 RFID 系 统 的安 全保 障 带来 了极 大 的困难 ．然 而 ，RFID系 统 所具 有 的一 些 特殊 物理 属性 使得 实现更 为 可靠 的轻量 级安 全与 隐 私保 障机 制成 为可 能．例 如 ，由于 RFID标 签具 有 基 于能量反射方式通信 的特性 ，使其在物理层 的通信 存 在 邻 近 效 应 ，即 只 有 在 阅 读 器 临 近 范 围 内 的 RFID标 签才 能够 被实 时 的访 问和读 取．此 外 ，RFID 在物 理层 通信 的信 号 特 征 可 以用 来 构 造 “物 理 单 向 函数 ”：利 用物 理层 的一 些特 质 (如 物理 信号 )来实 现 类似 于 Hash单 向函数 的一 些性 质．因 此 ，如何 利 用 物理 层 的邻近 效应 来 有 效 保 障 隐私 ，是 一个 值 得 研 究 的 问题 ．如 何利 用“物 理 单 向 函数 ”设计 出轻 量 级 的认 证算 法来 识别 伪 造 标 签 ，也 是 需 要 进一 步 研 究 的 问题． (3)实 际环境 下 RFID 系统 的优化 部署 方案 ．考 虑到 真实 传输 环境 中多 种 因素对 系统 性能 指标 的影 响 ，迫切 需要 研 究 RFID 系统 在 实 际环 境 下 的优 化 部署方案 ，包括 RFID阅读器的功率调整 、阅读器天 线 的全方 位 立 体 部 署 、RFID 标 签 的冗 余 部 署 等 方 案．具体 来说 ，实 际应用 情况 下 由于种 种原 因总是 存 在一 些死 角 使 得 RFID标 签 无 法 被 快 速 有 效 地 识 别．针对 上述 问题 ，如何 有效 地调 整 阅读器 功率并 且 合理 规划 多个 天 线 的部 署 方 案 ，来 尽 可 能 避免 识 别 死 角 的存 在 ，同 时提升 并发读 取 效率 ，值得 研究 者们 去深 入探 讨 ．此外 ，通过 在单 一 目标对 象上 部署 多个 标签 ，这 样在 仅需 识 别其 中一 个 标 签 的 情 况下 就 能 有效 识别 目标 对 象信息 ．在 上述 情况 下 ，如 何部署 合 适粒 度 的冗余 标 签 ，在 避 免死 角 的前 提 下 有效 确 保 识别 效 率 ，也 是需 要进 一步 研究 的 问题 ． (4)RFID应 用 模 式 的 探 索 与 研 究．由于 RFID 最初 的设 计 目的是 用 来 标 识 物 品 ，当前 RFID技 术 的主流 应用 还停 留在供 应 链 中对 货 物进 行 跟 踪 、管 理及监控方 面．如今 ，RFID正 以独特 的优 势，逐渐 被广 泛应 用 于方 方 面 面 ，例 如 防伪 、动 物识 别 、反 偷 窃系统 、资产管理 、食物药品安全等．事实上，能否有 效地将 RFID推广到新型的应用中取决于能否结合 RFID的特 性来 对 其 可 行 的应 用 模 式 进 行 思 考 ．对