RFID防碰撞

多址技术在射频识别系统工作时，通常会有一个以上的射频标签同时处在阅读器的作用范围内，这样如果有两个或两个以上的标签同时发送数据，就会导致通信上的冲突。为了防止这些冲突的产生，射频识别系统中需要设计相应的防碰撞技术。在通信中我们称这种技术为多址技术。多址通信(MultipleAccessCommunication)是指在各个竞争用户中，共享通信信道容量的通信方式。多址通信相当于ISO参考模型中的数据链路层的一部分，有时直接称作媒质寻址控制(MAC)，常见的多址媒质有卫星通信信道、地面无线电信道、电缆和光缆等。多数寻址使用的多址媒质是广播信道。在广播信道中，信号由一个能被许多接收机接收的发射机产生。每种多址媒质具有不同的特性，其特性影响多址协议的设计。通常根据多址通信的性能参数来评价一个系统。多址通信系统的主要性能参数是:平均通过量、平均分组时延和稳定性。对于一个好的多址协议设计而言，系统的平均通过量和平均分组时延越小越好，并且在较长时间内，平均通过量和延迟性基本保持不变。解决这些问题的方法有四种:空分多址法(SDMA-SpaceDivisionMultipleAccess)、频分多址法(FDMA-FrequencyDivisionMultipleAcess),时分多址法(TDMA-TimeDivisionMultipleAccess)和码分多址法(CDMA-CodeDivisionMultipleAccess)。1.空分多址法是在分离的空间范围内重新使用确定的资源(通信容量)的技术。实现方法有两种:一种方法是使单个阅读器之间的相互作用距离明显减少，把大量的阅读器和天线的覆盖面积并排地安置在一个阵列之中，当标签经过这个阵列时与之最近的阅读器可以与之进行通信;另一种方法是在阅读器上利用一个电子控制定向天线，该天线的方向图直接对准某个标签(自适应的SDMA，所有不同的标签可以根据它在阅读器作用范围内的角度位置区分开来)。为了启动某一个标签工作，定向天线必须扫描阅读器周围的空间，直至此标签被阅读器的“搜索波束”检测到为止。由于这种系统的天线结构尺寸相当复杂，只有当频率大于850MHz(典型的是2.45GHz)时才能使用。由于成本相当高，空分多路只适用在一些特殊的RFID系统中。2.频分多路法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。采用频分多路的方式，对于RFID系统来说，可以使用具有可自由调整的、非发送频率谐振的应答器。对应答器的能量供应以及控制信号的传输则使用最佳的使用频率af，应答器可以使用若千个供选用的应答频率1f~nf。因此，对于应答器的传输来说可以使用完全不同的频率。一般情况下，这种RFID系统下行链路(从阅读器到电子标签)频率是固定的(如125KHz)，用于能量供应和命令数据的传输。对于上行链路(从标签到阅读器)，电子标签可以采用不同的、独立的副载波频率进行数据传输(如433MHz)。FDMA的缺点是阅读器的费用相当高，因为每个接收通路必须有自己单独的接收器提供，所以这种方法只能在少数几种特殊的应用上。3.时分多址TDMA是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术，它在数字移动无线电系统的范围内广泛推广使用。对于RFID系统，TDMA在多址技术中应用的最为广泛。这种方法又分为应答器控制(驱动)法和阅读器控制(询问驱动)法。应答器控制法的工作是非同步的，因为这里对阅读器的数据没有控制。按照应答器成功完成数据传输后是否将通过阅读器的信号断开，又可区分为“开关断开”法和“非开关”法。应答器控制法很慢而且不灵活，因此大多数RFID系统采用由阅读器作为主控制器的控制方法，可以同步进行观察，因为这里所有的应答器可同时由阅读器进行控制和检测，可以通过一定的算法，在阅读器的作用范围内，从所有应答器中选择其中一个应答器，然后进行相互通信(如鉴别、读出和写入数据)。为了选择另外一个应答器，应该解除原来的通信关系，因为在某一时间内只能建立唯一的通信关系，也就是单个应答器占用信道通信，可以按时间顺序快速地操作众多应答器，所以阅读器控制的方法也称作定时双工传输法。目前所有面向RFID系统应用的TDMA方式的防碰撞算法研究可以被归结为两大类:一类是随机性或称概率性的防碰撞算法，这类算法大都基于ALOHA机制，例如，纯ALOHA，时隙ALOHA，帧时隙ALOHA，动态帧时隙ALOHA算法等；另一类是确定性的防碰撞算法，确定性算法是阅读器根据标签序列号的惟一性选择标签进行通信，确定性的防碰撞算法都属于二进制搜索算法，最简单的确定性算法是二进制树机制。现阶段，在高频(HF)频段，标签的防碰撞算法一般采用ALOHA相关协议。使用ALOHA协议的标签，通过选择经过一个随机时间向阅读器传送信息的方法，来避免冲突，绝大多数高频阅读器能同时扫描几十个电子标签。在超高频(UHF)频段，现在的主要研究趋向是采用树分叉搜索算法来防冲突。4.码分多路法是由扩频通信技术发展起来的一种无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，用户具有特征码，即CDMA包含扩频与分码两个基本概念。扩频是信息带宽的扩展，即把需要传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大与信号带宽的伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。分码是实现用户信道和基站的标识问题，可以用不同移相的伪随机系列来实现基站的分码选址，用一定的算法实现信道的选择，用周期足够长的伪随机序列实现用户的识别和多速率业务的识别。现用户的识别和多速率业务的识别。CDMA缺点是频带利用率低、信道容量较小，地址码选择较难，接收时地址码捕获时间较长。但采用码分多址的方法可以同时对多标签进行通信。同时，由于扩频通讯在信息传输时，所占有的宽带较宽，具有良好的抗干扰能力和保密能力，能较好的适应多标签的工作环境。本文重点研究的是这种方法。RFID系统中的碰撞问题，从广义上讲，分为阅读器碰撞和电子标签碰撞。阅读器碰撞是指多个阅读器同时与一个标签通信，致使标签无法区分阅读器的信号，同时也包括相邻的阅读器在同一时间使用相同的频率与其阅读区域内的标签通信而引起的频率冲突。电子标签碰撞是指多个标签同时响应阅读器的命令而发送信息，引起信号碰撞，使阅读器无法识别标签。由于阅读器能检测碰撞并且阅读器之间能相互通信，所以阅读器碰撞能很容易得到解决。因而，射频识别系统中的碰撞一般是指电子标签碰撞。射频识别协同多路存取技术的实现对射频标签和阅读器提出了要求，必须在感觉不到延迟的情况下，有效地防止射频标签的数据在阅读器中互相碰撞。在射频识别系统中，使多路存取无故障进行的技术方法称为“防碰撞法”。标签防碰撞协议对RFID系统识别能力至关重要。如果防碰撞协议设计不合理，致使标签碰撞频繁发生，则会极大影响系统工作效率，严重时甚至会因长时间无法正确识别标签而导致系统瘫痪。因此如何设计高效的防碰撞算法成为目前人们关注和研究的热点。ALOHA系列防碰撞算法1.ALOHA防碰撞算法ALOHA是一种交互计算机传输而设计的时分多路法的多路存取方式。1968年开始研究，最初由美国夏威夷大学应用于地面网路，1973年应用于卫星通信系统。ALOHA系统所采用的多址方式实质上是一种无规则的时分多址，或者叫随机多址。ALOHA算法是基于TDMA的思想，因此用于实时性不高的场合，只能用于只读标签中，这类标签只存储一些标签的序列号等数据。这类算法是采取“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器的作用区域就自nnTGn1GGe2S动向阅读器发送其自身的信息，对同一个标签来说他的发送数据帧的时间也是随机的。ALOHA随机接入方式的基本思想很简单:当用户想要发送数据帧时，它就可以在任何时候发送，我们称为纯ALOHA。当然，这样一来不同用户发出的数据帧就有可能发生冲突，冲突的发生实际上是不可避免的。冲突的帧将被破坏，传输不成功。这种情况下，发送方就得不到确认响应。或者，由于ALOHA有完全的反馈特性，发送方本身也可以侦听它自己所发送的数据帧。发送方如果鉴别出它所发的帧被破坏，它就应该等待一段随机长度的时间后再次发送前一个传输失败的数据帧，等候的时间必须是随机的，否则同时发送的数据帧将再次发生冲突。显然，碰撞的次数与通信业务量有关，通信量越大，碰撞的可能性也越大。其主要特点是各个标签发射时间不需要同步，是完全随机的，实现起来比较简单，当标签不多时它可以很好的工作。缺点就是数据帧发送过程中碰撞发生的概率很大，冲突周期是2To(To为传输一个数据包所用时间)。ALOHA算法的标签读取过程如下:(1)多个标签随机在各个时间点上发送信息。(2)阅读器检测接收到从标签传回的信息，判断是否成功传输。(3)若判断得出发生碰撞，则标签随机等待一段时间，重新发送信息。在ALOHA系统中交换的数据包g与在确定的时刻to同时发送标签(1,2,3,4，···)相符。平均交换的数据包含量G(每个时隙平均应答的标签数)与经过一段时间T的平均值相符。平均交换的数据包含量G可以表示为下式:表示一个数据包的传输持续时间;n=0,1,2,3,…表示标签的数量；r=0,1,2,3,…是在观察时间T内由标签n发送的数据包量。吞吐率是一种关于计算机或数据通信系统数据传输率的指标。在通信系统中，这个指标通常是基于每秒能处理的数据位数或分组的数目，它依赖于网络的带宽和交换部件。在RFID系统，当吞吐率S等于1，即是在传输期间无碰撞的传输数据包，等于0表示数据没有发送或者是由于碰撞不能准确地读出传输的数据。传输通道的平均吞吐率S为:如果将式中对G求导，可以得出在G=0.5时，得到最大吞吐率为18.4%，当G0.5时性GGeS能急剧恶化，系统进入不稳定状态。对较小的交换数据包量来说，传输通路的大部分时间没有被利用;扩大交换的数据包量时，标签之间的碰撞立即明显增加，80%以上的通路容量没有利用。2.时隙ALOHA法为了提高接入系统的吞吐量，可将时间划分为一段段等长的时隙，记为0T。规定数据帧只能在时隙的开始才能发送出去，这就叫时隙ALOHA法。如上图所示，每个时隙都是以下的三种情况之下:（1）时隙内，标签信息发送成功被阅读器正常接收，则称该时隙为成功传输时隙(SuccessfulSlot-SSlot)。（2）时隙内，无标签向阅读器发送信息，则该时隙称为空闲时隙(EmptySlot-Eslot)。（3）时隙内，多个标签向阅读器发送信息，则该时隙称为碰撞时隙(CollisionSlot-CSlot)。当一个分组在某个时隙到达后，等待传输直到下一个时隙开始，并期望不与其他站点发生冲突，如果一个时隙内只有一个站点到达，则该分组会传输成功，如果有多于一个的分组到达，将会发生碰撞。这样标签或成功发送或者完全冲突，避免了ALOHA法的部分冲突，使冲突周期减半为0T。但它的缺点是需要同步时钟，且标签能够计算时隙。时隙ALOHA法的冲突周期减半，故可得到吞吐量与输入负载的关系为：由上式可得，交换的数据包量在G=1时最大吞吐率S为36.8%。因此，由于这一简单的改进，可使信道利用率增加一倍。和纯ALOHA一样，发生碰撞后，各标签仍是经过随机时延后分散重发的。时隙ALHOA系统的吞吐率S在交换数据包量G大约为1时达到最大值。如果有许多标签处于阅读器的作用范围内，如已存在有标签在此时隙交换数据包，再加上另外到达的标签，那么吞吐率很快接近于0。在最不利的情况下，经过多次搜索也可能没有发现序列号，因为没有唯一的标签能单独处于一个时隙之中而发送成功。因此，需要准备足够大量的时隙，这样做法降低了防碰撞算法的性能。3、帧时隙ALOHA算法帧时隙ALOHACFramedSlottedALOHA-FSA)算法也是ALOHA算法的一种改进算法。它是在时隙ALOHA算法的基础上，将N个时隙组成一帧，标签在每帧内随机选择一个时隙发送信息。算法如图所示。一帧包含多个时隙，时隙的长度得足够标签与阅