RFID系統中的碰撞問題研究

楊曉嬌+吳必造

摘要： RFID作為物聯網感知層的關鍵技術之一，廣泛應用于倉儲物流，產品防偽等各個領域。文中首先介紹了RFID系統中的關鍵組成部分并詳細分析了各部分的工作原理，然后重點分析了制約RFID技術發展的關鍵問題—碰撞問題，主要包括RFID中的多標簽，標簽-閱讀器以及閱讀器-閱讀器這三種碰撞及其對應的防碰撞算法。文中針對RFID碰撞問題的相關研究工作，對防碰撞算法的后續研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：射頻識別； 防碰撞；多標簽碰撞；閱讀器標簽碰撞 ；閱讀器碰撞

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）01-0276-03

Abstract： Radio Frequency Identification can serve as critical technology elements for a wide range of future application in logistics，Product forgery-proof recognition etc. This paper firstly discussed the crucial part in RFID system and detailed analysis of its parts. Then this paper put emphasis on the collision problems that limit the development of RFID technology， including three types of collision problems and its anti-collision algorithm： multi-tag collision， tag-reader collision and reader-reader collision. On account of collision problem in this paper is worthy for reference in the following research.

Key words：radio frequency identification； anti-collision； muti-tag collision； reader-tag collision ； reader-reader collision

1 概述

物聯網（Internet of Things， IOT）是對生活中連接如互聯網的各種實物所形成的網絡的統稱，在這些物體中嵌入電子芯片、軟件和傳感器再通過互聯網傳輸數據使得物體之間能相互通信[1]。物聯網中的每個物體都有一個識別碼可在物聯網中被唯一識別，按照網絡架構從下到上可將物聯網劃分為三層即感知層、網絡層和應用層。物聯網通過感知層的進行信息的采集工作，網絡層的可靠傳輸和應用層的數據處理來實現對現實世界中的任何物品信息的全面感知，并完成全方位的信息交互，從而實現對物體的智能化感知識別、管理和控制[2]。

感知層是物聯網中的基石，而RFID作為物聯網感知層中最關鍵的一項信息獲取技術，是未來物聯網領域研究的重點。RFID系統由閱讀器和標簽組成。標簽攜帶與物品的相關信息即識別碼通過RFID的閱讀器識別標簽后用通信網絡傳輸到后臺信息處理系統。物聯網就是先用RFID技術實現對物品的識別，再通過互聯網對信息進行共享和交換，從而實現物體間的互聯來構建一個大的物聯網系統。綜上所述，RFID技術是物聯網中最關鍵的技術，是感知層的核心技術，是物聯網的重要研究對象。根據ID Tech Ex的最新預測報告顯示，截止2026年RFID總市場價值將高達186.8億美元[3]。

而RFID系統通常有如下兩種結構：1）一個RFID系統中包含一個閱讀器和多個標簽，這些標簽公用一個信道，就會導致多標簽碰撞問題；2）一個RFID系統中包含多個閱讀器和多個標簽，就包含閱讀器碰撞問題和多標簽碰撞問題。本文，首先介紹物聯網系統的構成的關鍵部分，然后分別介紹了RFID系統的兩種結構的碰撞問題及其解決方案。

2 RFID系統簡介

一個標準的RFID 系統主要包含后臺信息處理系統，閱讀器（Reader），標簽（ Tag）這三部分，如圖1所示。標簽又叫應答器（transponder），其內部存儲物體的標識信息，根據其種類和應用場合不同可貼于物體表面或置于物體內部。閱讀器又稱為收發機（transceiver），閱讀器可以讀取標簽的ID和其中存儲的信息，目的是識別物體，并將其中存儲的數據信息傳到后臺信息處理系統中。后臺信息處理系統一般在計算機系統中，具有強大的數據處理和存儲能力。下面分別分析RFID系統的這個三個關鍵部分。

2.1RFID標簽

RFID標簽由集成電路（微芯片）、天線和存儲器這三個主要部件構成。目前也有一些無芯標簽[5]，此類標簽可以直接打印到物體上，因此極大地降低了系統的應用成本。微芯片包含微處理器和存儲單元。微處理器用于調制和解調射頻信號，從入射的閱讀器信號中采集到能量為標簽內部提供直流電源并處理閱讀器的命令，完成相關操作。存儲單元主要用來存儲標簽的唯一標識符（Unique Identifier， UID）或產品電子代碼（Electronic product code， EPC）。標簽的天線用于接收和發送信號，因此天線從某種程度決定了標簽的讀寫距離。照供電方式可以將標簽分為無源、有源和半有源標簽。

2.2 RFID閱讀器

RFID閱讀器主要由微控制器、射頻前端、基帶處理單元和天線組成。閱讀器通過天線發射射頻來詢問工作范圍內的標簽。一旦收到標簽的返回信號，閱讀器的微控制器將接收到的信號傳送到基帶處理單元處理。閱讀器的主要功能包括：實現與標簽之間的雙向通信，給標簽供能，與后端服務器或者計算機網絡的通信，實現多標簽識別，實現移動目標識別和錯誤信息提示等。按照閱讀器的移動性可以將其分為手持式和固定式。再RFID系統中為了降低閱讀器設計的復雜度，閱讀器會將接收到的數據交給后臺信息處理系統，使得復雜的運算工作都交由后臺信息處理系統來完成，提高了系統的效率。

2.3 后臺信息處理系統

后臺信息處理系統位于閱讀器的上層，它的主要作用是協助閱讀器和標簽進行數據運算和存儲。由于RFID系統中標簽和閱讀器的存儲以及運算能力有限，因此不適宜在閱讀器和標簽上進行大量或者復雜的運算[4]。因此，在閱讀器和標簽通信過程中所需的大量數據可以存儲在后臺信息系統的數據庫中，而標簽和閱讀器就只需存儲這些信息在后臺服務器中對應的存儲地址索引即可，這樣閱讀器就可以通過存儲地址的索引在后臺數據庫中準確讀取所需的數據信息。同時，后臺信息處理系統還會協助閱讀器快速的處理一些復雜的運算工作，后臺信息處理系統的運算能力強且處理速度快，因此采用后臺信息處理系統協助閱讀器的工作會從降低閱讀器的硬件成本且提高整個系統的數據處理能力和效率。

3 RFID中的標簽碰撞問題

當一個閱讀器的作用域內存在多個標簽同時請求與閱讀器通信，則會導致多個標簽公用一個信道即產生了信道擁堵，就發生了數據碰撞問題這類碰撞又稱為標簽碰撞，下面具體介紹這類碰撞

3.1 標簽碰撞的基本原理

當閱讀器作用域內多個標簽被閱讀器激活并同時向閱讀器發送數據時會發生多標簽碰撞，如圖2所示。

多個標簽公用一個信道因此若它們的同時響應閱讀器，則會使得閱讀器無法正確識別到任意一張標簽。這種碰撞問題常見于閱讀器需要在短時間內識別多個標簽的情況。在RFID系統中由于標簽成本低、體積小，而閱讀器造價相對較高，因此在RFID的眾多應用場合中都是存在一個閱讀器和多個標簽，這類實例有：供應鏈管理系統，物流系統，因此就需要閱讀器能夠快速地對多個標簽進行識別，因此多標簽碰撞是RFID系統中最亟待解決的問題。要解決多標簽碰撞問題就需要在閱讀器和標簽上實現相應的多標簽防碰撞算法。

3.2多標簽防碰撞算法

多標簽碰撞是RFID系統中存在的最普遍的一種碰撞問題，也是研究最廣泛的，解決多標簽碰撞問題的本質在于盡可能降低碰撞率從而更有效的識別標簽。多標簽防碰撞算法的技術手段都是基于TDMA思想。如前文所述，無源RFID系統的多標簽防碰撞算法主要可以分為確定性算法、隨機性算法和混合型算法三類。其中確定性算法主要可以分為BS（Binary Search）和QT（Query Tree）兩類，隨機性算法主要可以分為Aloha和TS（Tree Search）兩類，這些算法在RFID國際標準中得到了廣泛的應用，混合型防碰撞算法為目前已有算法的結合體，目前還沒有納入相應的國際標準。如表1所示。

從表1中可以看出，所有這些防碰撞算法主要應用在HF和UHF頻段。因此，大多數改進的多標簽防碰撞算法的研究也集中在HF和UHF RFID頻段。其中HF RFID系統主要采用的是確定性算法，其代表是QT類防碰撞算法。UHF RFID系統主要采用的是隨機性算法，其主要代表是DFSA類防碰撞算法和TS類防碰撞算法。同HF閱讀器相比，UHF RFID閱讀器覆蓋范圍更廣，其工作域內的標簽數量更多，同時對標簽的讀寫要求更高，這樣使得UHF RFID系統內的多標簽防碰撞問題更為突出。多標簽防碰撞算法的研究也多集中在UHF 頻段，即針對DFSA算法和TS算法。

4 閱讀器和標簽碰撞

閱讀器和標簽碰撞按碰撞產生的原理可以分為閱讀器-標簽碰撞以及閱讀器-閱讀器碰撞，下面分別介紹這兩類算法。

4.1 閱讀器-標簽碰撞

閱讀器-標簽碰撞（Reader-tag collision，RTC）是由于有兩個或多個閱讀器同時去讀同一張標簽時由于信號干擾而出現的碰撞，碰撞示意圖如圖3所示。

當一個有限的區域內部署多個閱讀器時，閱讀器之間的工作域相互重疊，就會產生此類碰撞。遭遇這種碰撞的標簽無法正確解碼來自閱讀器的命令，從而導致標簽與閱讀器的通信失敗。UHF RFID標準ISO/IEC 18000-6對此類碰撞問題進行了研究，標準建議采用跳頻方式來最小化閱讀器-標簽碰撞。閱讀器和標簽工作在不同的頻率，從而避免標簽和閱讀器之間的信號相互干擾而導致的碰撞。

4.2 閱讀器-閱讀器碰撞

當多個閱讀器都處于各自的干擾域內時，就會產生閱讀器-閱讀器碰撞（Reader-reader collision，RRC），如圖4所示。

在這種情況下，由于某個閱讀器的發射功率較強，其干擾信號會到達其他閱讀器的識別域內，從而導致該閱讀器識別域內的標簽無法與閱讀器之間進行正常通信。RTC 和RRC本質上都屬于閱讀器碰撞，盡管許多RFID工業標準允許閱讀器操作在不同的工作頻率試圖緩解閱讀器碰撞問題。然而，在一些RFID閱讀器密集的環境中可能沒有足夠多的頻率信道來避免所有潛在的閱讀器碰撞。因此，許多研究者也提出了相應的閱讀器防碰撞算法來解決這一問題。目前，主流的閱讀器防碰撞算法有： Colorwave算法[6]、DCS算法、NFRA算法、DCNS算法[7，8]、HiQ算法[9]、Pulse算法[10] MCMC算法[11]和一些改進算法[12]等

5 小結

在RFID系統中，閱讀器和標簽是通過共享的無線信道進行通信，當多個閱讀器或標簽同時向信道發送信號時，信號之間會相互干擾，從而產生碰撞。碰撞會致使通信失敗，從而影響系統的吞吐率、可靠性和識別效率。為了降低碰撞對系統性能的影響，就必須采用相應的防碰撞機制來協調閱讀器與閱讀器之間或閱讀器與標簽之間的通信。這種防碰撞機制被稱為防碰撞算法（Anti-collision algorithm），也叫碰撞仲裁協議（Collision arbitration protocol）。RFID系統中的碰撞有三種，分別是多標簽碰撞，閱讀器-標簽碰撞和閱讀器-閱讀器碰撞。本文分別介紹了這三種碰撞，魏RFID防碰撞算法的研究具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] International Telecommunication Union. Internet of things global standards initiative （IOT-GSI）[R]. Geneva： ITU-T， 2012.

[2] 寧煥生，王炳輝. RFID重大工程與國家物聯網[M]. 北京：機械工業出版社， 2009： 1-30.

[3] Das R，Harrop P. RFID forecasts， player and opportunities 2014-2026[R]， ID Tech Ex， 2015.

[4] 王曉華，周曉光，王偉. 射頻識別（RFID）系統設計，仿真與應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[5] Klair D K， Chin K W，Raad R. A survey and tutorial of RFID anti-collision protocols[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials， 2010， 12（3）： 400-421.

[6] Waldrop J， Engels D W， Sarma S E. Colorwave： a MAC for RFID reader networks[C]. Proc. IEEE Wireless Communications and Networking （WCNC）， New Orleans， 2003.

[7] Waldrop J， Engels D， Sarma S. Colorwave： an anticollision algorithm for the reader collision problem[C]. Proc. IEEE International Conference on Communications （ICC）， anchorage， alaska， 2003.

[8] Gandino F， Ferrero R， Montrucchio B， et al. Probabilistic DCS： an RFID reader to reader anti-collisionprotocol[J]. Journal of Network and Computer Applications， 2011， 34（3）： 821-832.

[9] Cha K，Jagannathan S. Adaptive power control protocol with hardware implementation for wireless sensor and RFID reader networks[J]. IEEE Systems Journal， 2007，1（2）： 145-159.

[10] Song I， Fan X， Chang K. Enhanced pulse protocol RFID reader anti-collision algorithm using slot occupied probability in dense reader environment[J]. KSII Transactions on Internet and Information Systems， 2008， 2（6）： 299-311.

[11] Dai H， Lai S， Zhu H. A multi-channel MAC protocol for RFID reader networks[C]. International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing （Wicom）， Shanghai， 2007.

[12] Konstantinou H. Expowave： an RFID anti-collision algorithm for dense and lively environments[J]. IEEE Transaction on communications， 2012， 60（2）： 352-356.