RFID中多標簽識別缺陷與防碰撞算法分析

劉猛,徐展

(電子科技大學 電子科學技術研究院,成都610054)

劉猛(碩士研究生),主要研究方向為嵌入式系統、射頻識別、射頻定位等。

引 言

RFID技術的應用在生活中已經隨處可見,比如公交卡、第二代居民身份證等,內部都嵌入了RFID芯片。然而隨著RFID技術的越來越廣泛的應用,對其功能也提出了更高的要求。拿工作頻率在13.5 MHz左右的公交卡來說,只有將卡放到離閱讀器很近的位置才能識別,而且不能兩個卡同時識別,這將限制其應用的領域。為此,人們對RFID研究得更加深入。總體來說,RFID應用最重要的兩個方面是射頻識別和射頻定位。隨著工作頻率的提高,電磁場攜帶能量的能力和電波傳輸數據的速度也隨之提高,其閱讀的有效距離也隨著增加。比如達到860～960 MHz的時候,其有效距離最遠可達10 m左右,這樣在有效距離內就有可能出現多個標簽,就要求閱讀器有識別多標簽的能力。如果能夠實現多標簽識別,將在很多領域改變人們的生產生活方式。

1 多標簽識別中的缺陷

在多標簽識別的過程中,一般會有碰撞發生,為此人們提出了多種算法。其主要思路是,讓標簽之間嚴格同步并且使用曼徹斯特編碼的通信方式讓讀卡器能夠檢測到碰撞并確定碰撞的位數,根據位數設置相應的命令,讓一部分標簽停止響應,接著再繼續檢測,發現碰撞則再讓一部分標簽停止響應,如此反復直到辨別出唯一的標簽,然后再逐次返回直到所有的標簽被確認。這樣雖然能夠實現多標簽識別,但是在遇到數量比較多的標簽或者標簽的序列號比較長時,其效率是比較低的。比如某產品有100萬件,則由220=1 048 576得到,需要的最短的序列號長度是20位。在碰撞檢測的過程中由于要按位進行讀取、檢測,發生碰撞時再一位一位地進行比對,每次比對都需要閱讀器與標簽進行一次對話,這樣就花費了大量的時間,而且隨著標簽數目的增加,解決碰撞所需要的時間更是成倍增加。為了解決這個問題,提出了分組方法,將大量的標簽分成不同的小組,然后再在小組內用比較成熟的防碰撞算法,則可以大大提高識別的速度。

2 標簽改進以及算法實現

2.1 無源芯片的工作過程

對于無源的標簽,閱讀器首先發出電磁波信號,其周圍也因此形成電磁場。當無源標簽進入閱讀器的磁場范圍后,由于電磁感應,標簽內部的線圈將電磁場的能量轉換為電能,當電磁場變強時其感應電壓也隨之增加,當達到需要的電壓值時,芯片內部的電路就會被激活。由此可以得出,標簽內的感應電壓會隨著與閱讀器距離的變化而變化,距離閱讀器越遠感應電壓越低,直到低于電路工作電壓,則認為其離開閱讀器閱讀范圍;而離閱讀器越近,感應電場越強,得到的能量則越多,感應電壓也越高。這一原理也是實現射頻定位的重要依據。在標簽內部,其發射的信號強度隨著感應電壓的強弱而改變,通過閱讀器得到標簽發射回來的信號強度,然后根據距離與信號強度的關系來判斷標簽的坐標。

2.2 物理硬件實現

根據上述關系,在一個標簽內部印制一排晶體管放大器,其物理實現如圖1所示。為了簡化分析和討論,這里假設有5個放大器(現在工藝已可以比較容易集成成百上千個)。其中,每個與晶體管連接的匹配電阻阻值是不相同的,目的是讓它們之間的導通電壓互不相同。其導通電壓根據感應電壓進行設置,具體方法如下:

由于閱讀器的識別范圍一般在10 m以下,因此假設其范圍是10 m,則可以進行實際工程測量,在0～1 m處其感應電壓大約是多少,1～2 m處其感應電壓是多少,以此類推,然后得到標簽感應電壓與閱讀距離的大致關系,根據這些數據設置圖1中的晶體管以及與其連接的電阻,使其導通電壓分布在感應電壓的范圍之內。這樣,當標簽進入閱讀器范圍產生感應電壓以后,由于感應電壓在一部分晶體管的導通電壓之內,這些晶體管就會導通,在晶體管的輸出端就會得到根據距離閱讀器遠近不同而不同的高低電平(高電平為1,低電平為0)。由此就可以得到一串數字信號,不妨稱其為感應電壓指示串。對于產生的不同的高低電平,將產生不同的感應電壓指示串。比如,如果晶體管3以下的晶體管導通,以上的是截止狀態,則將輸出11000。根據得到的指示串可以知道其距離閱讀器的粗略的空間半徑。

圖1 RFID標簽中的晶體管陣列

2.3 時序管理

在ALOHA防碰撞算法中,標簽是根據接收到的閱讀器信號的Q值,設置隨機延遲時間發送信號的。在此根據不同的感應電壓指示串值,控制標簽天線延遲不同的時間進行數據傳送。由于標簽發送1個ID所需要的時間極短,因此延遲時間之間的間隔可以非常短并且保證不會發生數據沖突。具體實現如圖2所示。

圖2 分組標簽一幀時序構成

A組內的標簽在ta內傳輸數據,B組內的標簽從b點開始發送數據,在tb時間段內完成數據傳輸,然后C組標簽再開始傳輸,以此類推。這樣,閱讀器在一幀內根據不同的時間確定分組輪片閱讀不同的標簽。

2.4 可行性分析

上述方案是否可行主要是考慮成本、技術和功率消耗問題。上述方案只是印制了數量不多的晶體管和電阻,與內部需要復雜的存儲器、寄存器和能夠執行一系列指令系統(中國國家質量監督檢驗檢疫總局于2004年發表了中國EPC標準草案,其中的指令系統需要比較復雜的器件才能夠實現)的硬件實現相比,其成本微乎其微,大批量生產中甚至可以忽略。技術方面只需要最基本的晶體管和電阻印刷,這類基本阻抗元件的能量消耗也不是問題。因此,該方案是可行的。

3 與其他算法的對比

3.1 具體實現

如圖 3所示,假設閱讀器的有效閱讀半徑是10 m,以閱讀器為半徑將其劃為A 、B、C、D、E 五個區域,即每 2 m為一個分割單位。假設其感應電壓如表1所列。

圖3 閱讀器感應范圍內區域劃分

表1 感應電壓與所在區域的關系 mV

設置1、2、3、4、5晶體管的導通電壓分別為30 mV 、20 mV、15 mV、10 mV 、5 mV 。當標簽進入不同的區域后,其感應電壓不同,則晶體管組產生的串組是不同的。如進入C區的標簽,其產生的串組是11000,則天線根據這個序號進行適當的時間延遲。當然,延遲時間應該大于閱讀器辨別1個標簽所需要的時間。這樣,位于不同區域的標簽就可以認為分成了不同的組,它們在不同的時間段傳輸數據,相互之間互不影響(類似TDMA)。如果有200個標簽,則被分成 5組,隨機組個數設為 40、60、80、20。

3.2 效率對比

二進制搜索算法和動態搜索算法識別1個標簽需要的平均查詢次數為(log2n+1)次,則識別200個標簽需要200×(log2200+1)=1 740次。如果用分組的方法,則所需次數為 40×(log240+1)+60×(log260+1)+80×(log280+1)+20×(log220+1)=252+414+584+106=1 356次。顯然,在同樣的算法下分組識別要優于不分組的識別。為了更形象地說明,在Matlab下仿真,分組比例和算法都保持不變,標簽100～5 000個,如圖4所示。

圖4 分組與不分組的標簽在同樣算法下查詢次數對比

可見,用分組的方法,無論標簽多少,其效率都優于未分組的方法。當然,在實際中由于可以集成晶體管的數量眾多,因此可以很容易分幾十組至幾百組,甚至更多,其查詢次數會大大減少;在一般實際應用過程中,如果分組靈敏度足夠高,甚至可以避免碰撞的發生,多標簽的識別瞬間就可完成,閱讀器和標簽中也可以取消相關的防碰撞寄存器等復雜硬件。

結 語

人們對于防碰撞問題提出了多種算法,但很少將標簽識別與標簽的空間位置聯系起來分析,并且相關的算法也需要增加標簽的功能和指令,這需要更高的成本。本文的方法對于標簽制作來說其成本增加極為微小,批量生產中甚至可以忽略,但是對于實際應用的意義卻是相當巨大的。將位置關系與標簽識別一起考慮,不但對于防碰撞識別有重要的意義,對于射頻定位這一難題也有很大的幫助(如閱讀器只根據標簽的延遲發送時間就可知道其大致范圍),而且又有利于解決多標簽定位中的沖突。這相對于只是單一從防碰撞角度考慮而增加標簽復雜度的方法來講,應該更有優勢。

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