RFID技術和防沖撞算法的設計

摘要：本文針對RFID技術中標簽碰撞問題進行了詳細的分析和研究，提出了一種改進的基于序列號對時隙數運算的排序算法用于解決標簽碰撞問題，通過算法仿真得到了較好的效果，具有一定的推廣意義。

關鍵詞：RFID 防沖撞 標簽沖突

1 概述

無線射頻識別(RFID)是目前應用較為廣泛的非接觸式自動識別技術，主要利用射頻信號與電磁耦合原理進行信號傳輸與識別，可以對載有射頻標簽的物體進行跟蹤和識別。RFID技術最初使用在第二次世界大戰期間的貨物運輸方面，后來被廣泛應用在民間，目前是物流等領域應用較多的技術[1]。RFID技術的發展極大地推動了各行各業自動化進程，在不斷改進的RFID技術中，未來會呈現體積小、識別范圍廣、信號傳輸帶寬大等特點，具有良好的發展前景。

RFID技術是一個半自動化的系統，主要包括電子標簽和讀寫器兩部分，標簽用于標注物體，一般是附著在貨物或人員上面，讀寫器的作用是識別范圍內的多個標簽信息。通常情況，讀寫器會同時讀取到多個標簽，這就需要讀寫器具有標簽信息仲裁機制，從而規避數據碰撞問題。同時，由于標簽的體積要求較小，讀寫器的功率有一定限制等特點，需要對RFID系統設計要求較高[2]。

2 RFID標簽防碰撞方法

當讀寫器同時讀取到多個標簽的時候，需要利用讀寫器與標簽之間的無線信道進行數據交換，并區分多個標簽之間的數據來源與歸屬，當數據不能按照各個標簽的識別標志進行讀寫時，就會發生標簽碰撞現象。防止RFID標簽碰撞的技術可以解決標簽讀寫信道的仲裁機制。目前，RFID標簽有EPC和ISO兩個標準，但對于無源標簽都采用了RTF工作方式，因此本文研究的協議基礎也是基于RTF[3]。

在RFID系統發生信息碰撞時，往往分為標簽碰撞和閱讀器碰撞，前者是由于當閱讀器對周圍的標簽進行識別時，多個標簽同時向閱讀器發出信號供其進行識別，造成閱讀器無法正確判斷標簽數據歸屬[4]。而后者閱讀器碰撞也經常發生，是由于多個閱讀器同時對其工作范圍內的標簽進行識別時，同時識別到標簽，并且發生互斥操作。解決閱讀器碰撞問題，需要通過對標簽讀寫的時間和頻率進行合理地分配，可以有效地規避碰撞問題[5]。而對于標簽碰撞問題，需要借助其他方法進行解決，是目前研究較多的問題。

3 基于改進的序列號對時隙數運算的排序算法

由于標簽ID是由一些列規則的序列號進行分配，因此可以使用基于序列號特點的時隙數運算對標簽進行時分復用，利用這種方法具有響應時間短的優點，對于RFID系統中單個閱讀器同時識別多個標簽的情況較為適用[6]。

由于該算法中隊多個標簽識別時采用對標簽進行單個應答的方法，使得算法存在效率低下的缺點，因此需要對其進行相應的改進，本文所設計的算法包括如下五個步驟完成標簽與閱讀器之間的數據通信。

第一步：閱讀器在識別到工作范圍內的標簽時，主動發出信道爭用命令，按照RTF的標準，包括同步時鐘參數和爭用周期時隙數參數兩個參數，按照信道應答方法將其工作范圍內的應答器全部激活。

第二步：當應答器接收到信道爭用的命令后，按照同步時鐘參數進行時鐘同步，同時開始信道爭用周期的計算。

第三步：當工作范圍內的應答器都按照同步時鐘參數和爭用周期時隙數參數進行各自的發送時隙后，確定發送位后，為了能夠標示當前信道被標簽占用，在爭用周期內發送的爭用數據幀相應時隙發送位填充數據“1”。

第四步：應答器需要監聽工作范圍內的所有監聽幀，按照序列號排序方法對待發送的數據在周期內的順序發送數據。

第五步：當數據在信道周期內進行傳遞時，應答器發送數據后通過時隙標志位告知閱讀器在接收到數據后對發送指令進行休眠處理，避免信道內產生碰撞的數據。

4 算法仿真與分析

在對上述算法進行仿真的時候，基于序列號對時隙數運算按照爭用周期模擬，首先使用應答器序列號除以時隙數的余數作為應答器在爭用周期數據幀的發送時隙；其次，使用應答器序列號除以爭用周期時隙數的商作為應答器在爭用幀內的時隙發送位，同時為了能夠標識數據幀再去愛發送周期內的互斥性，將發送為填充為“1”；最后，在爭用周期內，應答器按照發送序列在發送位商不斷進行數據傳遞，當應答器中所有數據幀發送位為“1”的數據全部發送完成，或者時間片結束，則完成該爭用周期的數據通訊工作。

對于時隙數固定的系統而言，M為應答器的數量，E為系統效率，E定義為有效數據傳輸與數據傳輸總量的比值。當M較少時，E會隨著M的增加而快速增加；當應答器數目較多時，E會隨著M的增大而緩慢增大;而M接近滿荷時，時隙數對E沒有顯著影響. 但是對于同一系統，如果取不同的時隙數，則隨著時隙數的增大，E會有所下降，這是因為時間利用率下降了。

通過實驗，E與M之間的關系如下圖所示。

由圖1可知，對于應答器數目固定的系統而言，效率會隨著時隙數的增多而緩慢下降，這是因為時間的利用率降低了；而對于時隙數固定的系統而言，E會隨著應答器數目的增多而有所提高。

5 結論

本文研究的算法利用標簽序列號對時隙數進行排序，將爭用周期內的數據幀按照發送位標識進行數據分配，有效地解決了閱讀器工作范圍內多標簽發生碰撞的問題。

參考文獻：

[1]Klaus Finkenzeller，RFID Handbook，John Wiley and Sons，Inc.，New York，2011.

[2]游戰清，李蘇劍，張益強等.無線射頻識別技術(RFIDI理論與應用.電子工業出版社，北京，2011.

[3]Want.R. An introduction to RFID technology．Pervasive Computing IEEE.Volume 5，Issue 1.2010．

[4]梁彪，胡愛群，秦中元.一種新的RFID防碰撞算法設計，電子與信息學報，2011.09.

[5]Christian Floerkemeier．Transmission control scheme for fast RFID objcot dentification，4th Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops，2011．PerCom Workshops 2011.

[6]余松森，詹宜巨等.基于后退式索引的二進制樹形搜索反碰撞算法及其實現.計算機應用工程，2011，16：26-28.

作者簡介：

胡峰松，男，副教授，碩士生導師，研究方向：計算機網絡，現工作單位:湖南大學計算機與通信學院。