RFID防碰撞算法(一)

1.1 防碰撞概述

RFID系统存在着两种不同的通信冲突形式。第一种是标签冲突，是指多个标签同时响应读写器的命令而发送信息，引起信号冲突，使读写器无法识别标签。第二种是读写器冲突，读写器冲突是指由一个读写器检测到由另一个读写器所引起的干扰信号。这里主要对标签冲突进行陈述。

当读写器向工作场区内的一组标签发出查询指令时，两个或两个以上的标签同时响应读写器的查询，由于标签传输信息时选取的信道是一样的且没有MAC的控制机制；返回信息产生相互干扰，从而导致读写器不能正确识别其中任何一个标签的信息，降低了读写器的识别效率和识读速度，上述问题称为多标签碰撞问题。随着标签数量的增加，发生多标签碰撞的概率也会增加，读写器的识别效率将进一步下降。

RFID系统必须采用一定的策略或算法来避免冲突现象的发生，将射频区域内多个标签分别识别出来的过程称为防冲突，或者防碰撞。

在RFID技术越来越普及的当代，很多应用场合都遭遇到碰撞问题，防碰撞技术已经成为RFID系统应用必须面临和解决的关键问题。防碰撞问题主要解决的是如何快速和准确地从多个标签中选出一个与读写器进行数据交流，而其他的标签同样可以从接下来的防碰撞循环中选出与读写器通信。

 

1.1.1 防碰撞研究现状

 

从技术方面来说，多标签防碰撞(Anti-collision)技术可以分为空分多路(SDMA)、时分多路(TDMA)、码分多路(CDMA)、频分多路(FDMA)这4种方法。SDMA是在分离的空间范围内进行多个目标识别的技术，采用这种技术的系统一般是在一些特殊应用场合，例如这种方法在大型的马拉松活动中获得了成功。FDMA是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用的技术，但读写器的成本高，因为每个接收通路必须有自己的单独接收器供使用，电子标签的差异更为麻烦。CDMA是数字技术的分支—扩频通信技术发展起来的一种崭新的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，而用户具有特征码，即CDMA包含扩频(SS-Spread Spectrum)与分码两个概念，缺点是频带利用率低、信道容量较小；地址码选择较难；接收时地址码的捕获时间较长。其通信频带及其技术复杂性等很难在RFID系统中推广应用。因此，对于射频识别系统来说，时分多路是最常见的技术。

 

1.1.2 防碰撞发展趋势

根据时分多路的防碰撞技术及电子标签工作频段的不同，人们提出了不同的防碰撞算法。总结为概率性防碰撞算法和确定性防碰撞算法两大类，其代表性算法分别为ALOHA法和二进制树形搜索法。ISO/IECl4443协议定义了TYPE A、TYPE B两种类协议，分别推荐了基于二进制搜索思想和基于时隙ALOHA法两种不同的防碰撞算法。而ISO/IECl5693协议采用的防碰撞方式是动态时隙ALOHA法，它借助电子标签的唯一序列号，实现对读写器天线磁场中的多个电子标签的查询。ISO/IEC l8000-6协议定义了TYPE A、TYPE B和TYPE C三种协议，也是分别采用的防碰撞方式是二进制搜索法和时隙ALOHA法。之后有很多研究人员提出了基于这两种算法的改进算法。

基于时隙ALOHA的防碰撞算法在RFID技术中应用非常广泛，典型的如：ISO/IECl8000-6C协议标准中采用的算法是基于ALOHA算法并且依照具体应用做了一定的改进，下面就以ISO/IEC l8000-6的TYPE C中的时隙防碰撞理论为例作简要说明。

1.2 ISO/IEC l8000-6C协议的相关简介

在介绍ISO/IEC l8000-6的TYPE C中的时隙防碰撞理论之前，有必要对ISO/IEC l8000-6C协议(下文简称为：6C协议)的相关概念及内容做介绍，以便对时隙防碰撞的理论原理有更好的理解。

目前RFID存在三个主要的技术标准体系：总部设在美国麻省理工学院(MIT)的Auto-ID Center(自动识别中心)、ISO标准体系以及日本的Ubiquitous ID Center(泛在ID中心，UIC)。而EPC Global是美国统一代码协会(UCC)和欧洲物品编码协会(EAN)于2003年9月共同成立的非营利性组织，其前身就是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非营利性组织Auto-ID Center。EPC Global针对电子产品编码(Electronic Product Code)超高频(860～960MHz)射频识别系统制定了EPC Global Generation2(简称Gen2)协议。而ISO组织针对超高频射频识别应用制定了ISO18000-6系列标准。2006年7月，Gen2空中接口协议被国际标准化组织接纳为ISO/IEC 18000-6C标准(即6C协议的诞生)，这意味着6C协议可在更广泛的范围内得以应用。

6C协议规定了在860MHz～960MHz的频率范围内操作的无源反向散射、读写器讲话优先(ITF)的射频识别系统要求。下面就这些具体要求并结合防碰撞的内容作简要叙述。

1.2.1 与防碰撞相关的术语及概念

R=＞T(Reader to Tag): 读写器对标签。

T=＞R(Tag to Reader): 标签对读写器。

RNG(Random Number Generator)：随机或伪随机数发生器。

RN16(Random Number 16)：16位随机或伪随机数。

命令集：用于读写器考察和修改标签的一套命令。主要包括强制指令(包括Select,Query等)、任选指令、专利指令、定制指令等。

盘存周期：连续发出的Query命令之间的时间。

Q：读写器用以调节标签响应的可能性的参数。在盘存周期中将Q-位随机(或伪随机)数载入其槽计数器的读写器命令标签。读写器也可命令该标签使其槽计数器减值。当槽计数器数值 (槽) 为零时，该标签做出回答。Q为该范围内的整数，相当的标签响应可能性的范围是从2^0=1至2^15。

槽：槽即标签可能响应的盘存周期内的某点。槽为标签的slot counter输出的数值。当槽为零时 (槽计数器中的数值)，标签做出回答。

数据编码：标签应将反射散射的数据编为该数据速率的副载波FM0基带或Miller调制。读写器发出编码选择的命令。

FM0基带：下图为生成FM0(两相空间)编码的基本功能和状态图。FM0在每个边界倒转基带相位，数据-0有一个附加的中间符号相位倒转。状态图描绘了所发送的FM0基本功能的逻辑数据序列。S1-S4状态标记表明四种可能FM-编码符号，代表各FM0基本功能的两个相位。这些状态标签还表示键入状态后即传输的FM0波形。状态转换的标签表示被编码的数据序列的逻辑值