（通信与信息系统专业论文）射频识别技术多标签抗冲突算法研究.pdf

硕上学位论文 摘要 射频识别技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术，该技术以其 独特的优势，被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域， 而在这些应用中，防冲突机制对射频识别系统的应用十分重要。考虑到射频识别 系统的特殊性，常用的防冲突机制主要是基于时分多址( t d m a ) 技术，分为两 大类：非确定性算法和确定性算法。 基于时隙a l o h a 的算法是一类非确定性算法。该类算法通过不同的机制，为 每个标签分配一个单独的时隙与阅读器进行通信，从而将发生碰撞的标签逐一识 别出来。此类算法易于实现，适宜于标签数量不大的高频( h f ) 系统。本文基于 帧时隙a l o h a 算法，针对目标识别和跟踪等特殊应用中阅读器需要对其查询范围 内的标签进行反复识别的要求，根据首轮识别过程中时隙碰撞率、空闲率的值来 动态调整帧长度，并将调整后的帧长度值记录下来用于阅读器的后续查询，提出 了一种改进的多标签抗冲突算法。仿真实验表明，本算法可以更加高效快速的识 别标签，具有很好的应用前景。 二进制树型算法是一类确定性算法。该类算法通过不同的机制，将发生碰撞 的标签按照二叉树结构逐层分为两个不同的子集，最终二叉树的每个叶子结点就 代表了一个已经识别出来的标签。此类算法具有很高的准确性，适宜于标签数量 比较大的超高频( u h f ) 系统。本文基于查询树算法，同样针对目标识别和跟踪 等特殊应用中阅读器需要对其查询范围内的标签进行反复识别的要求，提出了一 种改进的算法，该算法利用一个队列将当前查询过程的可用查询记录下来，直接 用于下轮查询，同时算法对标签的移动也有很好的适应性。通过详细的算法描述 以及仿真实验，证明了该算法的优越性。 关键词：射频识别；标签冲突；时隙a l o h a ；二叉树 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ni sak i n do fa u t o i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yr i s i n gi n t h e1 9 9 0 s ，i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、 c o m m e r c i a la u t o m a t i o na n dt r a n s p o r tc o n t r 0 1 a n t i c o l l i s i o ni ss i g n i f i c a n tt ot h e s e a p p l i c a t i o n s t a k i n g i n t oa c c o u n to ft h e p a r t i c u l a r i t i e s o ft h er a d i o f r e q u e n c v i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，t d m ai st h em e t h o d so f t e nu s e dt od e a lw i t ht h e c o l l i s i o n p r o b l e m t h ea l o h a - - b a s e da n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m sb e l o n gt o t h es t o c h a s t i cc o l l i s i o n r e s o l u t i o n i nt h e s ea l g o r i t h m s ，t a g sc a no n l yt r a n s m i tt h e i rd a t ap a c k e t si nt h e i ru n i q u e s l o t sd i s t r i b u t e db yt h er e a d e r t h i sk i n do fa l g o r i t h mi se a s yt ob ei m p l e m e n t e d ，t h e v a r eo f t e na p p l i e di nt h eh f ( h i g hf r e q u e n c y ) s y s t e m si nw h i c h t h en u m b e ro ft a g st ob e i d e n t i f i e di sn o tl a r g e a ni m p r o v e dt a ga n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mb a s e do nf r a m e ds l o t t e d a l o h aa l g o r i t h mi s p r o p o s e d i ta s s u m e st h a tar e a d e rp e r f o r m st a gi d e n t i f i c a t i o n p r o c e s s e sr e p e a t e d l yf o ro b j e c tt r a c k i n ga n dm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s i no r d e rt or e d u c e c o l l i s i o n sa n di d e n t i f yt a g sp r o m p t l y ，w eu s ei n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mt h el a s tp r o c e s s o ft a gi d e n t i f i c a t i o na tar e a d e r t h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t t h i sa l g o r i t h m c a u s e sf e w e rc o l l i s i o n sa n dt a k e ss h o r t e rd e l a yf o rr e c o g n i z i n ga l l t a g s ，i tw i l lh a v e g r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t b i n a r yt r e e - - b a s e da n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m sb e l o n gt ot h ed e t e r m i n i s t i cc o l l i s i o n r e s o l u t i o n i nt h i sk i n do fa l g o r i t h m s ，t a g s ，w h i c ht r a n s m i ta tt h es a m et i m e ，f o r mas e t w h e nas e tc a u s e sc o l l i s i o n ，t h em e c h a n i s m ss p l i ti ti n t ot w o s u b s e t sj u s tl i k eab i n a r y t r e ea n da t t e m p tt or e c o g n i z et w os u b s e t si nt u r n w i t ht h i sm e t h o d ，w ec a nr e c o g n i z e t h et a g sm o r ea c c u r a t e l y ，a n di ti so f t e na p p l i e di n t ot h eu h f ( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) s y s t e m s a ni m p r o v e dt a ga n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mb a s e do nq u e r yt r e ea l g o r i t h mi s p r o p o s e d i ta s s u m e st h a tar e a d e rp e r f o r m st a gi d e n t i f i c a t i o np r o c e s s e sr e p e a t e d l yf o r o b j e c tt r a c k i n ga n dm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s ，t h ei n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mc u r r e n t i d e n t i f i c a t i o nr o u n di ss t o r e di n t oaq u e u e ，a n dw ec a nu s et h ei n f o r m a t i o nd i r e c t l v i n t h en e x ti d e n t i f i c a t i o nr o u n dt oo b t a i ns h o r t e rd e l a y t h i sa l g o r i t h ma l s oc o n s i d e r sa b o u t t a g sm o v e m e n t s t h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w si t sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ；t a gc o l l i s i o n ；s l o t t e da l o h a ； b i n a r yt r e e h i 硕十学位论文 插图索引 图1 1 射频识别系统组成2 图1 2 标签与阅读器碰撞问题3 图1 3 阅读器与阅读器碰撞问题3 图1 4 标签与标签碰撞问题一4 图2 1e p c 组成结构9 图2 2 射频识别系统通信模型1 0 图2 3q 值调整流程1 7 图2 4q 算法仿真结果1 1 8 图2 5q 算法仿真结果2 1 8 图3 1 时隙a l o h a 算法示意图2 1 图3 2 基本帧时隙a l o h a 算法执行过程2 2 图3 3t s a 算法示意图2 4 图4 1 标签状态示意图2 6 图4 2 帧长度调整示意图一2 7 图4 4 帧长度对时隙碰撞率的影响一3 0 图4 5 算法仿真结果比较3 0 图5 1b t 算法示意图3 3 图5 2b t 算法流程图3 4 图5 3b t 算法仿真结果1 3 4 图5 4b t 算法仿真结果2 3 5 图5 5q t 算法示意图3 6 图5 6q t 算法标签操作流程伪代码3 6 图5 7q t 算法阅读器操作流程伪代码3 7 图5 8q t 算法仿真结果1 3 7 图5 9q t 算法仿真结果2 3 8 图5 1 0 标签i d 二叉树3 9 图5 1 1i d b t s 算法示意图4 0 图5 1 2 初始的二进制搜索树4 0 图5 1 3 裁剪后的二进制搜索树4 1 图6 1 标签操作流程伪代码4 2 图6 2 阅读器操作流程伪代码4 3 v i 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 图6 3 算法执行实例演示一4 4 图6 4 单次查询识别时间比较一4 6 图6 5 多次查询平均识别时间比较4 6 图6 6 多次查询标签平均发送信息数比较4 6 图6 7 改进算法仿真结果1 4 7 图6 8 改进算法仿真结果2 4 8 v 硕+ 学位论文 附表索引 表2 1 射频识别被动式标签工作频率1 1 表2 2 固定q 值的抗冲突算法步骤( q = 2 ) 1 7 表2 3 动态q 值的抗冲突算法步骤( q - - 2 ) 1 8 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：参口 日期：2 眸岁月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：参口 导师签名：瓠琏 日期：2 叩g 年 日期：砷年 箩月鹋日 箩月2 弓日 硕士学位论文 1 1 本文的目的和意义 第1 章绪论 射频识别技术( r f i d ) 是一种非接触式自动识别技术，与目前广泛采用的条形 码技术相比，它具有识别距离远、穿透能力强、多物体识别、抗污染等优点，现 已广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理n 1 、产品证件防伪乜1 、 防盗等众多领域，成为当前i t 业研究的热点技术之一口1 。在很多应用场合，读写 器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于读写器和标签通信共享无线信道，读 写器或标签的信号可能发生冲突，使读写器不能正确识别标签，即发生了碰撞 ( c o l l i s i o n ) ，因此需要一种防碰撞机制以减少冲突，达到快速准确识别多个标签的 目的。 标签冲突问题与传统计算机网络冲突问题类似。但是由于r f i d 系统中的一些 限制，使得传统网络中的抗冲突技术大都不适合于或很难应用于r f i d 系统中。这 些限制因素主要有： ( 1 ) 内存和计算能力的限制，由于标签的成本很低，结构简单，其计算能力 十分有限，不能执行复杂计算； ( 2 ) 一些标准限制了r f i d 系统的通信带宽，因此需要尽量减少读写器和标 签间传递的信息比特数目； ( 3 ) 标签不具有载波监听发现冲突的能力，而且标签间不能相互通信。因此 标签防碰撞协议对r f i d 系统识别能力至关重要h 1 。 由于r f i d 系统本身的一些限制，现有的标签抗冲突算法都是基于 t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 的缩写、) 思想，主要分为两大类：一类是非确 定性算法，即基于a l o h a 思想的算法；另一类是确定性算法，即基于二进制树型 搜索的算法。两类算法各有其优缺点： ( 1 ) 非确定性算法由于其执行过程的随机性，不能很好的防止冲突再次发生， 当陷入冲突的标签数量很大时，算法延时较长，存在错误判决问题，即当一个标 签在很长时间内没有被正确识别，则可能被误判为不在阅读区域范围内； ( 2 ) 确定性算法识别率较高，不存在错误判决问题，但时延长，泄漏的信息 较多，安全性差； ( 3 ) 非确定性算法的信道利用率较低，而确定性算法的信道利用率较高，可 以达到4 3 以上哺1 。从r f i d 应用的角度来看，目前防碰撞算法的识别率有待进一 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 步提高，识别过程较复杂，对安全和个人隐私问题考虑不周，这些问题都有待深入 研究和改进。本文在分析现有射频识别抗冲突算法的基础上，针对目标识别和跟踪 等特殊应用中阅读器需要对其查询范围内的标签进行反复识别的要求，分别基于基 本帧时隙a l o h a 算法和查询树算法，提出了一种改进的多标签抗冲突算法，可以 更加高效快速的识别标签，改进了整个系统性能，具有很好的应用前景。 1 2 研究背景 1 2 1 射频识别系统 射频识别系统是自动识别系统的一个重要分支。在射频识别系统中应用了 无线射频通信技术。起初，射频识别技术是被定义为取代条形码的一种技术。 由于对比条形码技术，射频识别系统显示出了众多的优越性，许多大的公司例 如i b m 、s u n 以及m i c r o s o f t 等都启动了相关的研究项目，最近几年，射频识别 系统得到了更加迅猛的发展，并且被应用于众多领域口1 。 射频识别系统主要由三部分组成：阅读器、标签及后台数据管理系统，如 图1 1 所示。 天线 图1 1 射频识别系统组成埔1 射频识别系统的工作过程如下： ( 1 ) 首先阅读器发送查询信号； ( 2 ) 如果一个标签处于阅读器的查询范围，则被激活，并与阅读器进行通 信，阅读器由此获得储存在标签中的信息。 1 2 2 射频识别系统的干扰及碰撞问题 1 标签与阅读器碰撞问题口1 当一个标签处于多个阅读器的查询区域( 阅读器能够扫描到的范围或者是 2 硕士学位论文 其射频信号能够到达的区域) 内，而又有一个以上的阅读器同时扫描标签信息 时就会发生标签与阅读器的碰撞问题，如图1 2 所示。为了避免此类碰撞的发 生，通常是让临近的阅读器在不同的时间或者是设置一个其它的频率进行扫描 操作。具体的解决方案可参考文献【7 - 1 1 】。 阅读器1 的查询范围 ，o 、 i j ：? 豳 ； 、囫 、 一 阅读器 囫标签 围 图10 2 标签与阅读器碰撞问题 2 阅读器与阅读器碰撞问题n 1 当两个或多个阅读器的扫描区域有重合的部分时，就会导致重合区域内的 一个或多个标签的信号产生干扰。当这样的阅读器被同时激活时，重合区域内 的标签将同时接收到来自多个阅读器的信息，无法分辨接收到的信号是来自于 哪个阅读器，从而产生阅读器与阅读器的碰撞问题，如图1 3 所示。为了避免 此类碰撞的发生，将发生干扰的阅读器设定为不同的发射频率是行不通的，有 效的方法则是在不同的时间点上激活阅读器。具体的解决方案可参考文献 【1 2 - 1 3 】。 阅读器1 的查询范围 ，一 ? f 翻0 ； 、囫 阅读器 豳标签 的查询范围 图10 3 阅读器与阅读器碰撞问题 3 标签与标签碰撞问题n 1 当阅读器的查询区域内有多个标签同时存在，它们便会在同一时刻与阅读 器通信，阅读器将无法分辨与哪个标签进行通信，即产生了标签与标签的碰撞 问题，如图1 4 所示。如果阅读器不能正确的处理这种冲突便会从标签那里获 3 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 得错误的信息，这在现实应用尤其是自动识别应用中是绝对不允许的，要解决 射频识别系统中的这种标签冲突问题就需要相关的命令来解决。这些命令就叫 做抗冲突命令或者是抗冲突算法，即本文研究的问题。 阅读器的干扰范围 阅读器 团 标签 图1 4 标签与标签碰撞问题 1 2 3 射频识别多标签抗冲突算法 射频识别系统中多标签冲突问题是一种特殊的无线多址接入问题。传统的 无线通信网络中也存在这样的冲突问题，主要有四类解决方案：s d m a ( s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 、f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 及t d m a ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 。而射频识别系统由于其具有的特殊性，主要表现在标签的容量以及运 算能力等诸多限制，以上方案过于复杂不能直接应用到射频识别系统中。而基 于时域的方法经过改进在射频识别系统中应用的最为广泛，此类方法使标签在 不同的时刻与阅读器通信，便于实现。时域法又主要分为两类：一类是确定性 算法，即基于树型的算法；另一类就是非确定算法，即基于a l o h a 思想的算法。 在设计射频识别抗冲突算法时主要考虑到以下几点性能指标： ( 1 ) 最小延时：用于识别所有标签所需要的时间应当很小。 ( 2 ) 功率消耗：无源标签内部没有电源，因此要求标签消耗的功率尽量小， 即最小化标签和读写器间的传递信息。 ( 3 ) 系统吞吐量：即阅读器一次能识别出的标签数量要多。 ( 4 ) 标签识别率：通常要求是1 0 0 ，但当阅读器识别范围内标签的数量很 大或者标签的移动速度非常快时想达到1 0 0 的识别率是很困难盼，所以标签的 识别率也成为了一种评价指标。 上述4 个性能指标不仅是评价r f i d 系统抗冲突算法的标准，也是其设计 和实现的优化目标。同时，这些性能指标是相互关联的，必须根据应用的具体 需求做出权衡，以选择和设计合适的抗冲突技术。 4 硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 随着射频识别技术的广泛应用，标签抗冲突问题是系统亟需解决的三大关键 技术之一，如何结合实际应用，使系统能够快速高效的识别大量标签，是抗冲突算 法的核心问题。本文围绕射频识别的多标签抗冲突问题，结合特殊应用的要求， 以简单易行、高效快速和提高整个系统性能为目标，展开了以下工作： ( 1 ) 研究了射频识别系统标准中的两类抗冲突算法的实现，对其存在的问题 进行了分析；详细分析和比较了国内外已有的基于帧时隙a l o h a 算法和二进制树型算法 的几种改进方案，就其各自特点进行了分类总结与性能分析；对几种经典算法进行了仿 真实现。 ( 2 ) 基于帧时隙a l o h a 算法，针对目标识别和跟踪等特殊应用中阅读器需要 对其查询范围内的标签进行反复识别的要求，根据首轮识别过程中时隙碰撞率、 空闲率的值来动态调整帧长度，并将调整后的帧长度值记录下来用于阅读器的后 续查询，提出了一种改进的多标签抗冲突算法。该算法针对特殊应用简单易行， 可以在不增加系统复杂度的同时提高此类应用系统中标签的识别效率，具有广阔 的应用前景。论文完成了该算法基于m a t l a b 的仿真实验，并与已有的算法进行了分 析、比较和评价。 ( 3 ) 基于查询树型算法，针对目标识别和跟踪等特殊应用中阅读器需要对其 查询范围内的标签进行反复识别的要求，用一个栈和队列来分别记录查询过程中 的碰撞查询和可读查询，提出了一种改进的多标签抗冲突算法。仿真实验结果表 明，该算法在阅读器需要对查询范围内的标签进行反复识别时，与已有的几种算 法相比，表现出了较优的性能。 1 4 论文的结构 全文主要包含六个章节，各章节内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了射频识别技术的相关背景和意义，以及本文的研 究内容和所做的主要工作。 第二章对射频识别系统进行了详细的介绍，包括系统组成、工作原理以及相 关标准等多个方面的内容。 第三章介绍了非确定性射频识别多标签抗冲突算法的相关研究工作。这部分 内容包括对国内外已有的几种典型的基于时隙a l o h a 的改进算法的介绍、分析及 仿真。 第四章从基本帧时隙a l o h a 算法的思想出发，针对目标识别和跟踪等特殊应 用中阅读器需要对其查询范围内的标签进行反复识别的要求，提出了一种改进的 动态帧时隙a l o h a 算法。这部分内容包括对改进算法方案的详细介绍、实现过程 5 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 以及仿真实验结果及分析。 第五章介绍了确定性射频识别多标签抗冲突算法的相关研究工作。这部分内 容包括对国内外已有的几种典型的抗冲突算法的介绍、分析及仿真。 第六章从查询树型算法思想出发，针对目标识别和跟踪等特殊应用中阅读器 需要对其查询范围内的标签进行反复识别的要求，提出了一种改进的多标签抗冲 突算法。这部分内容包括对改进算法方案的详细介绍、实现过程以及仿真实验结 果及分析。 6 硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章射频识别技术概述 射频识别( r f i d ) ，俗称电子标签，是一种非接触式自动识别技术，它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。识别工作无须人工干预，可工作于 各种恶劣环境。射频识别技术可识别高速运动的物体并可同时识别多个标签，操 作快捷、方便。本章将对射频识别技术相关问题进行详细的阐述。 2 2 射频识别技术的特点 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为，射频识别技术是一种突破性的技术， 其初衷是为了取代条形码技术，因而具有很多条形码技术无法比拟的优点1 1 4 】： 1 单物体识别 可以识别单个非常具体的物体，而条形码技术只能识别一类物体。 2 穿透性 采用无线电射频技术，可以透过外部材料读取数据，而条形码靠激光来读取 信息。 3 多物体识别 可以同时识别多个物体，而条形码只能一个一个的读取。 4 信息量大 和条形码相比，存橱的信息量非常大。 5 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体大多是纸张，容易受到污染，但射频识别对水、油和化学 药品等具有很强的抵抗性；条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，容易受到折损， 而射频识别是将数据存储在芯片中，因此可以免受污损。 6 可重复使用 条形码上的信息一但印刷，无法更改；射凝识另峙标签则可以重复的新增、修 改、删除存储在芯片上的数据信息。 7 安全性 射频识别承载的是电子信息，因此可以对存储在芯片上的数据进行密码保护， 使其内容不易被更改或伪造。 虽然射频识别技术具有众多的优点，但也存在着一些亟需解决的关键问题n 5 1 ： 7 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 1 成本问题 随着射频识别技术的广泛应用，尤其是物流产业上的应用，要要尽可能的降 低标签的成本。目前标签的价格相对于货箱和货盘贴标来说是合适的，也适用于 一些高价货物的贴标，但是对于普通的日常用品来说价格仍然太高，因此还需进 行深入的研究以求进一步降低成本。 2 安全隐私们 射频识别标签具有强大的追踪能力，其广泛应用势必带来新的隐私安全问题。 由于标签能在远程被任意扫描，自动响应阅读器的查询信息并且不加区分的传输 信息，因此，任何持有阅读器的人都可以追踪、了解、盗用或篡改他人携带的物 品信息。文献 1 7 1 中也首次提出了r f i d 病毒的概念。 3 国际标准统一化 规格标准化是推动产品进一步获得市场接受的必要条件，目前各国均采用不 同的频率、射频规格等，使射频识别技术很难广泛的在市场流通。目前，很多射 频识别解决方案厂商提供的软硬件技术还处于实验和模拟应用阶段，尚不能适应 现实应用的需要。由于各个企业采用不同的技术参数来实现各自的系统，造成不 同企业间的阅读器和标签不能通用，无法顺利的进行数据交换和协同工作，导致 了射频识别应用的局限性。国际上于2 0 0 4 年形成了第二代e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c t c o d e ) 标准，其中明确规定了e p c 的读写兼容和通讯协议，在各个国家专用频段混 乱的局面下，大大推动了射频识别技术的发展。 4 技术的突破 针对一些产品存在的物质局限性，造成识别效率明显下降的问题，严重影响 了系统的性能，要求在技术上进一步完善标签和阅读器的设计。 2 3 射频识别系统组成及工作原理 射频识别系统通过无线通信介质对目标物体进行自动识别。系统主要包括阅 读器、标签、天线、中间件n 踟和中央数据库等几部分n 引： 1 阅读器( r e a d e r ) ：读取标签信息的设备 通常包括高频接口和控制单元两个基本模块：( 1 ) 高频接口包含发送器和接 收器，其功能为：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行 调制；接收并解调来自射频卡的高频信号。( 2 ) 阅读器控制单元的功能为：与应 用软件进行通信，执行应用软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程；对信号 进行编解码；对一些特殊的系统还有执行抗冲突算法、对传送的数据进行加密和 解密、以及身份验证等附加功能。 8 硕上学位论文 2 标签( t a g ) ：即射频卡 标签由耦合元件及芯片组成，含有用于和射频天线进行通信的内置天线。每 个标签具有唯一的电子产品编码( e p c ) ，编码规则由国际标准组织e p cg l o b a l 定义心引。主要有6 4 比特和9 6 比特两种类型的标签。e p c 编码的组成如图2 1 所 示。 l 头部 l e p c 厂商号 i 物体类别 i 序列号 l 图2 1e p c 组成结构 ( 1 ) 头部：标明长度、类型、结构及版本等。 ( 2 ) e p c 厂商号：保持后续分配信息的实体或厂商。 ( 3 ) 物体类别：对物体的类型进行标明( 确切的产品类型) 。 ( 4 ) 序列号：实例化一个标签类型。 按照不同的方式，射频卡有以下几种分类： ( 1 ) 按芯片分为只读卡和读写卡。 ( 2 ) 按调制方式可分为主动卡和被动卡：主动式射频卡用自身的能量主动的 发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读 器的载波来调制自己的信号，阅读器可以确保只激活一定范围之内的射频卡，因 此被动式射频卡适用在门禁或交通应用中。在有障碍物的情况下，用调制散射方 式下，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动式射频卡发射的信号仅穿 过障碍物一次，因此主动式射频卡主要用于有障碍物的应用中，距离更远( 可达 3 0 米) 。 ( 3 ) 按供电方式可分为有源卡和无源卡瞳：有源是指卡内有提供电源的电 池，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下 工作；无源卡内没有电池提供电源，主要利用波束供电技术将接收到的射频能量 转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作 环境要求不高。 ( 4 ) 按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离小于1 厘米) 、近耦合卡( 作用 距离小于1 5 厘米) 、疏耦合卡( 作用距离约1 米) 和远距离卡( 作用距离从1 米 到1 0 米，甚至更远) 。 ( 5 ) 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡：低频射频卡主 要有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，中频射频卡频率主要为1 3 5 6 m h z ，高频射频卡 主要有4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等多种。低频卡主要用于短距离、 低成本的应用中，如门禁控制、校园卡及货物跟踪等；中频卡主要用于门禁控制 和需传送大量数据的应用系统中；高频卡其天线波束方向较窄且价格较高，主要 9 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 应用于需要较长的读写距离或高速读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费 等。 3 天线：在标签和阅读器间传递射频信号。 4 中间件：用来将标签中的数据转化成能够被后台的e r p 系统识别的数据形 式。射频识别系统中的中间件有如下的应用心引： ( 1 ) 管理阅读器一一控制阅读器的关闭与启动、管理阅读器的基本配置、确 定阅读器是否正常工作以及升级软件等。 ( 2 ) 管理阅读器对数据的过滤一一对阅读器接收到的数据进行适当的处理与 过滤，保证其能应用于特定的e r p 系统中。 ( 3 ) 保证数据的通用性一一使数据能够适合于不同类型的应用，例如仓储管 理系统，交通运输系统等。 5 有些系统还通过阅读器的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口与连接外部计算机( 上位机 系统) ，进行数据交换。 射频识别系统在实际应用中，电子标签附着在待识别的物体表面，标签中保 存着有约定格式的电子数据。阅读器可无接触的读取并识别电子标签中保存的数 据，从而达到自动识别物体的目的。 系统的基本工作流程如下乜引：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信 号，当标签进入天线工作区域时产生电流，标签获得能量从而被激活；标签将存 储在芯片中的编码信息等通过内置天线发送出去；系统的接收天线接收到从标签 发送过来的载波信号，经由天线调节器传送到阅读器；阅读器对接收到的信号进 行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断标签的 合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的 动作。 射频识别系统通信协议主要包括三个层次乜钔，通信模型如图2 2 所示。 阅读器标签 应用 识别协议 应用 层 1 层 通信 抗冲突协议 通行 层 -层 物理 物理 层 层 图2 2 射频识别系统通信模型 l o 硕士学位论文 ( 1 ) 应用层：包括了标签识别协议。 ( 2 ) 通信层：由于射频识别系统通过空气接口或无线射频获取对象的信息， 因此当系统中有多个标签同时向阅读器发送数据时需要能够避免多个数据之间的 冲突。此层中用到了两种抗冲突协议( 确定性协议和非确定性协议) 来避免冲突 的发生，这部分内容将在后续章节中介绍。 ( 3 ) 物理层：这层用来定义空中接口参数( 频率，调制方法等) 。 射频标签的工作频率是其最重要的特点之一乜5 1 。从应用概念来说，射频标签 的工作频率即为射频识别系统的工作频率。射频标签的工作频率不仅决定着射频 识别系统工作原理( 电感耦合或是电磁耦合) 、识别距离，还决定着射频标签及读 写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段或频点上的射频标签具有不 同的特点。射频识别应用占据的频段或频点位于i s m 波段之中，在国际上有公认 的划分，表2 1 中是被动式标签工作频率的划分。 表2 1 射频识别被动式标签工作频率他2 1 频率 频段( h z ) 作用距离 数据速率典型应用 低频1 2 5 k 0 5 慢 接入控制、动物跟踪等 高频 1 3 5 6 m1 0接入控制、微型卡片等 超高频 8 6 0 m 一9 3 0 m3 o出货跟踪、电子缴费等 1 微波2 4 5 g 5 8 g 1 0 快 供应链控制、电子缴费等 2 4 射频识别系统应用 射频识别技术已经被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管 理等众多领域，下面列举几种应用实例。 1 人员车辆出入管理 射频识别系统可以应用于大型停车场、企事业单位、金融系统等地方的人员 出入管理。将与名片大小相仿的电子标签贴附在汽车风挡玻璃或挂在人身上，当 有人员或车辆经过阅读器时，阅读器即可快速、准确的记录下所通过车辆或人员 的信息及通过的时间。同时还可以对是否允许通过攸出判断，自动控制出入大门 的开关，对出入进行严格管理。 2 铁路火车车号识别等 射频识别技术可自动抄录货车车号。将货车车号信息存放在电子标签里，并 将电子标签安装在货车车体的表面，当货车通过阅读器时，阅读器通过天线接收 电子标签反射回的带有货车车号信息的信号。接收到的电子信号经过计算机处理 后，自动显示或打印出来，从而实现了货车车号的自动识别，克服了人工抄录造 射频识别技术多标签抗冲突算法研究 成的劳动强度高、出错概率大、工作效率低等缺点。 3 公路运输收费管理 采用射频识别技术，安装了电子标签的车辆能以2 0 0 k m h 以内的速度通过收 费口，阅读器可快速、准确的记录通过车辆的信息，实现高速公路通行费的自动 征收和管理。 4 其它 射频识别技术还可应用于矿山、油田、核工厂等一些重要、危险区域，对出 入人员信息进行管理或跟踪，包括身份代码、进出时间等，从而在方便管理的同 时可大大增加安全系数。射频识别技术还可应用于博物馆、商店、实验室以及医 院病区管理等。 2 5 射频识别技术标准 2 5 1 主要标准概述 目前国际上制定射频识别技术标准的组织主要有三个：国际标准化组织 l s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 、以美国为首的e p cg l o b a l 以及 日本的u b i q u i t o u si dc e n t e r ，这三个组织对射频识别技术应用规范有着各自的目 标与发展规划。 1 i s o1 0 5 3 6 、i s o1 5 6 9 3 及i s o1 4 4 4 3 技术标准 i s o1 0 5 3 6 标准发展于1 9 9 2 至1 9 9 5 年间，由于这种卡的成本高，与接触式 i c 卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。i s o1 4 4 4 3 和i s o1 5 6 9 3 标 准发展于1 9 9 5 至2 0 0 0 年问，二者皆以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率。i s o1 5 6 9 3 读写距离较远，而i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛，目前的第二代电子 身份证采用的是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。i s o1 4 4 4 3 定义了t y p e a 、t y p eb 两 种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i t s ，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的 编码方式。t y p ea 采用开关键控( o n o f fk e y i n g ) 的m a n c h e s t e r 编码，t y p eb 采用n r z l 的b p s k 编码。t y p eb 与t y p ea 相比，具有传输能量不中断、速 率更高、抗干扰能力强的优点。i s o1 4 4 4 3 3 规定了t y p ea 和t y p eb 两种不同 的抗冲突机制：前者是基于位冲突检测协议，t y p eb 则通过命令序列完成防冲 撞，i s o1 5 6 9 3 采用轮寻机制、分时查询的方式完成抗冲突。 2 i s o1 8 0 0 0 标准 i s o1 8 0 0 0 是一系列标准的集合心引，基本覆盖了用于射频识别系统的所有频 率范围，是目前比较新的标准。i s o1 8 0 0 0 只规定了空中接口协议，对数据内容 和数据结构无限制，因此也可用于e p c 。它的七个组成部分是： 1 8 0 0 0 l ：g e n e r i cp a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c e sf o rg l o b a l l ya c c e p t e df r e q u e n c i e s ( 全球 硕士学位论文 可用频率空中接e l 协议的一般参数 ) 1 8 0 0 0 2 ：a i ri n t e r f a c ef o r1 3 5 k h z ( 1 3 5 k h z 频段的空中接e l 协议l 1 8 0 0 0 3 ：a i ri n t e r f a c ef o r1 3 5 6 m h z ( 1 3 5 6 m h z 频段的空中接口协议) 乜印 1 8 0 0 0 4 ：a i ri n t e r f a c ef o r2 4 5 g h z ( 2 4 5 g h z 频段的空中接e l 协议_ ) 1 8 0 0 0 5 ：a i ri n t e r f a c ef o r5 8 g h z ( 5 8 g h z 频段的空中接口协议1 ) 18 0 0 0 6 ：a i ri n t e r f a c ef o r8 6 0 m h zt o9 3 0 m h z ( 8 6 0 m h z 到9 3 0 m h z 频段的空中接口 协议) 18 0 0 0 7 ：a i ri n t e r f a c ea t4 3 3 9 2 m h z ( 4 3 3 9 2 m h z 频段的空中接口协议) 2 5 2e p ch fc l a s s1 标准中的冲突检测机制 e p ch fc l a s s1 标准采用终端时间分片自适应采集协议( s l o t t e d t e r mi n a t i n ga d a p t i v ec o l l e c t i o n ) 。 1 冲突检测策略 ( 1 ) 只有在同一时隙中返回信息的标签才会发生冲突。 ( 2 ) 信号发生冲突说明有两个( 或多个)