UHF頻段RFID標(biāo)簽防碰撞標(biāo)準(zhǔn)研究

徐 彪，萬 莎，陳弘揚(yáng)

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361000）

UHF頻段RFID標(biāo)簽防碰撞標(biāo)準(zhǔn)研究

徐 彪，萬 莎，陳弘揚(yáng)

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361000）

本文重點(diǎn)分析了UHF頻段RFID標(biāo)簽的三種防碰撞標(biāo)準(zhǔn)，并對系統(tǒng)吞吐率進(jìn)行仿真，比較了標(biāo)簽數(shù)量較小的情況下的系統(tǒng)吞吐率。

UHF；管理系統(tǒng)；RFID技術(shù)；防碰撞算法

1 引言

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以其數(shù)據(jù)存儲量大、識別時(shí)間短、保密性好、無需人工干預(yù)等優(yōu)點(diǎn)，在許多服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售與后勤分配、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等領(lǐng)域得到了快速的普及和發(fā)展。UHF頻段（860-930MHz）的RFID標(biāo)簽因?yàn)檫m合遠(yuǎn)距離識別（幾米到十幾米），適應(yīng)物體高速運(yùn)動性能好并且對環(huán)境影響較小而成為現(xiàn)在RFID產(chǎn)品發(fā)展的熱點(diǎn)。但隨著射頻操作距離的加大和傳輸數(shù)據(jù)的增加，不可避免地會出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)位于一個(gè)閱讀器的可讀范圍內(nèi)，在信道共用、信號頻率相同的情況下，多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)將信號送入一個(gè)閱讀器的通道會產(chǎn)生信道爭用，各信號之間相互干擾，產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，從而造成閱讀器和標(biāo)簽之間的通信失敗。為了防止這些沖突的產(chǎn)生，RFID系統(tǒng)中需要設(shè)置一定的相關(guān)命令，以解決沖突問題，這些命令被稱為“防碰撞命令或算法”或者“防碰撞算法”。

常用的防碰撞算法有頻分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），具體實(shí)現(xiàn)方法可以分硬件和軟件兩種方式：硬件方式優(yōu)點(diǎn)是時(shí)延少，但是以增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本為代價(jià)的，因此RFID系統(tǒng)一般不采用；軟件方法實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、成本低且易于修改。在無源RFID標(biāo)簽中運(yùn)用較多的防碰撞算法為基于軟件的TDMA法，較經(jīng)典的為基于ALOHA算法和二進(jìn)制搜索算法的改進(jìn)。

2 UHF頻段標(biāo)簽防碰撞算法分析

在UHF工作頻段[2]，主要是ISO/IEC 18000-6《信息技術(shù)—針對物品管理的射頻識別(RFID)—第6部分：針對頻率為860-930MHz無接觸通信空氣接口參數(shù)》標(biāo)準(zhǔn)，包括A，B，C（EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)納入18000-6C）以及EPC Class0共四種標(biāo)準(zhǔn)。它們采用的防碰撞算法也都不同，但均是基本防碰撞算法的改進(jìn)應(yīng)用。ISO/IEC 18000-6 TYPE A，TYPE B，TYPE C都是基于概率性的防碰撞算法（即不確定性），TYPE B雖然采用二進(jìn)制樹形防碰撞算法，但它不是基于位操作的，所以嚴(yán)格意義上來說它是不確定性算法；EPC Class0協(xié)議采用的二進(jìn)制樹算法是真正意義上的確定性算法（EPC Class0協(xié)議不做詳細(xì)討論）。

ISO/IEC 18000-6 Type A[5]防碰撞采用動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法，設(shè)計(jì)相對簡單，使用自適應(yīng)時(shí)隙分配的線形算法，可為一個(gè)讀卡器閱讀范圍內(nèi)250個(gè)標(biāo)簽分配256個(gè)時(shí)隙。其本質(zhì)是基于概率的，在確定時(shí)間內(nèi)依靠一定的概率分辨出所有在讀卡器工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽，如果在識別區(qū)內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)目相對開始識別命令中制定的初始時(shí)隙數(shù)較多時(shí)，防碰撞的過程就會比較長。這是Type A防碰撞機(jī)制的不足之處。

ISO/IEC 18000-6 Type B[6]標(biāo)準(zhǔn)的防碰撞機(jī)制是基于二進(jìn)制樹形搜索算法下的機(jī)制。它利用隨機(jī)產(chǎn)生的0，1信號達(dá)到了二進(jìn)制樹形搜索的效果，并且設(shè)定了“成功命令”進(jìn)一步提高了搜索的效率，可以說這是一種二進(jìn)制樹形的防碰撞算法。但從根本上說，Type B的防碰撞算法仍然是基于概率的，每次識別一定數(shù)量的標(biāo)簽的時(shí)間是不能保證一致的，這和真正的二進(jìn)制搜索算法是不同的，防碰撞的效率會隨標(biāo)簽的數(shù)量增多而下降。

Type B的標(biāo)簽主要有四種狀態(tài)：離場關(guān)閉（POWER-OFF）、準(zhǔn)備（READY）、識別（ID）、數(shù)據(jù)交換（DATA EXCHANGE）。

標(biāo)簽進(jìn)入讀卡器的工作范圍，從離場關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。讀卡器可以通過組選擇和取消選擇命令，讓讀卡器工作范圍內(nèi)處于準(zhǔn)備狀態(tài)的所有或部分標(biāo)簽參與沖突判決。此時(shí)標(biāo)簽進(jìn)入識別狀態(tài)，同時(shí)把它們內(nèi)部的計(jì)數(shù)器清零。它們中的一部分可以通過接收取消選擇命令重新回到準(zhǔn)備狀態(tài)，其他處在識別狀態(tài)的標(biāo)簽就進(jìn)入了沖突判斷流程中。被選中的標(biāo)簽開始進(jìn)行下面的循環(huán)：

（1）所有處于識別狀態(tài)并且內(nèi)部計(jì)數(shù)器為“0”的標(biāo)簽將發(fā)送它們的識別碼給讀卡器。

（2）如果當(dāng)有一個(gè)以上的標(biāo)簽發(fā)送時(shí)，讀卡器將接收到疊加在一起沖突的錯(cuò)誤回答而發(fā)送FAIL命令。

（3）當(dāng)標(biāo)簽接收到FAIL命令后，首先查看自己的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器不為“0”，則把計(jì)數(shù)器加“1”。如果計(jì)數(shù)器為“0”，標(biāo)簽將生成一個(gè)“1”或“0”的隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)是“1”，則計(jì)數(shù)器加“1”；隨機(jī)數(shù)是“0”，則計(jì)數(shù)器不變，并再次發(fā)送它們的識別碼。

（4）如果有一個(gè)以上的標(biāo)簽發(fā)送它們的識別碼，則重復(fù)第（2）步操作。

（5）如果所有標(biāo)簽都隨機(jī)選擇了“1”，則讀卡器就接收不到任何回答，它將發(fā)送“成功命令”，所有標(biāo)簽的計(jì)數(shù)器減“1”，然后計(jì)數(shù)器等于“0”的標(biāo)簽開始發(fā)送，接著重復(fù)第（2）步操作。

（6）如果只有一個(gè)標(biāo)簽發(fā)送它的識別碼，那么讀卡器將發(fā)送包含此識別碼的數(shù)據(jù)讀取命令。標(biāo)簽正確接收后，就從識別狀態(tài)進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后讀寫器將發(fā)送成功命令。如果這時(shí)只剩一個(gè)標(biāo)簽，則重復(fù)(5)操作；如果這時(shí)還有多個(gè)標(biāo)簽，則重復(fù)（2）操作。

（7）如果只有一個(gè)標(biāo)簽發(fā)送識別碼，但是沒有被正確接收，那么讀卡器將發(fā)送重發(fā)命令。這時(shí)標(biāo)簽就會重新發(fā)送它的識別碼，如果正確接收，則重復(fù)（6）操作；如果若干次錯(cuò)誤，就假定有多個(gè)標(biāo)簽，則重復(fù)（2）操作。

TYPE C標(biāo)準(zhǔn)的防碰撞算法是在動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的時(shí)隙隨機(jī)ALOHA算法，該算法沒有明確的幀的概念，取而代之的是識別周期，即讀寫器兩次發(fā)送Query指令的間隔，時(shí)隙隨機(jī)算法同樣需要標(biāo)簽隨機(jī)選擇響應(yīng)時(shí)隙，區(qū)別在于該算法可以再識別周期內(nèi)的任何時(shí)刻更改時(shí)隙數(shù)，以實(shí)現(xiàn)識別時(shí)隙的自適應(yīng)。在每個(gè)識別周期，讀寫器先通過Query指令開啟新的盤存(inventory)周期，指令中含槽計(jì)數(shù)器參數(shù)Q，用于控制標(biāo)簽在該盤存周期發(fā)出響應(yīng)的概率。參與識別的標(biāo)簽應(yīng)在(0，2Q-1)范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并將其載入槽計(jì)數(shù)器Solt Counter中。每過一個(gè)時(shí)隙，隨機(jī)數(shù)即減1，當(dāng)標(biāo)簽隨機(jī)數(shù)為零時(shí)進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)并立即響應(yīng)。采用TYPE C標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)隙隨機(jī)ALOHA算法時(shí)，最大的識別時(shí)隙可達(dá)215，在實(shí)際應(yīng)用中不會受到時(shí)隙數(shù)的限制，有利于識別數(shù)量很大的標(biāo)簽群。標(biāo)簽的識別碼由標(biāo)簽的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的16位隨機(jī)數(shù)組成，識別碼的分布不會對識別標(biāo)簽群產(chǎn)生影響，因此即使在識別很大數(shù)量的標(biāo)簽時(shí)，仍能有很高的系統(tǒng)吞吐率和較小的識別延遲。本質(zhì)上TYPE C標(biāo)準(zhǔn)中的防碰撞算法是動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法，是在TYPE A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中基本不使用TYPE A協(xié)議。

ALOHA算法操作簡便，便于實(shí)際應(yīng)用，但ALOHA算法在應(yīng)用中隨著標(biāo)簽數(shù)量的擴(kuò)大，性能將會急劇惡化，ALOHA算法不能很好地防止標(biāo)簽碰撞，存在錯(cuò)誤判斷問題，即個(gè)別標(biāo)簽可能被“餓死”的問題(Tag Starvation Problem)，而且信道利用率低。基于樹結(jié)構(gòu)的算法性能稍優(yōu)于基于ALOHA算法，效率相對較高，但是基于樹的算法的電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，并且延時(shí)較長。從應(yīng)用的角度來看，當(dāng)標(biāo)簽的規(guī)模比較小時(shí)，基ALOHA的算法性能最好。

3 性能比較及仿真

圖1 時(shí)隙數(shù)與標(biāo)簽數(shù)量關(guān)系曲線

圖1對Type A（FSA算法），Type B，Type C（EPC Gen2算法）三種標(biāo)準(zhǔn)在相同標(biāo)簽數(shù)目的情況下所需時(shí)隙數(shù)進(jìn)行了比較，在相同標(biāo)簽數(shù)目的情況下，Type B類型的系統(tǒng)所需要的時(shí)隙最少；Type C所用的時(shí)隙介于Type A與B之間，且在標(biāo)簽數(shù)量較小的情況下與Type B的時(shí)隙差距很小。

圖2對三種標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的吞吐率進(jìn)行了比較，在理想的情況下，在標(biāo)簽數(shù)量較小的情況小（標(biāo)簽數(shù)量<500）時(shí)，Type C（EPC Gen2）協(xié)議的防碰撞算法可以達(dá)到30%以上的系統(tǒng)吞吐率，吞吐率優(yōu)于前二者。這與之前分析正好吻合。

圖2 三種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)吞吐率

4 結(jié)束語

本文對ISO/IEC 18000-6所規(guī)定的UHF頻段的三種RFID標(biāo)簽防碰撞算法進(jìn)行了研究、并對系統(tǒng)吞吐率進(jìn)行仿真，比較了三種算法的系統(tǒng)吞吐率。仿真結(jié)果表明，在標(biāo)簽數(shù)量較小的情況下，Type C的系統(tǒng)的吞吐量最優(yōu)，可以達(dá)到30%以上。因此，在標(biāo)簽規(guī)模較小的管理系統(tǒng)中，可以優(yōu)先考慮Type C標(biāo)準(zhǔn)的防碰撞算法。■

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Research and Application on Anti-collision Standard of UHF RFID Tag

Xu Biao, Wan Sha, Cheng Hongyang
(State Fujian Station of Radio Monitoring Center, Xiamen, 361001, China)

This paper especially studies three the anti-collision standards of RDID tags on UHF, based on the simulation, we compare with three anti-collision algorithms which is better apply to management system.

UHF; management system; RFID technology; anti-collision algorithm

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.017

TN925

A

1672-7274（2017）02-0068-03