（电工理论与新技术专业论文）rfid防碰撞算法的研究.pdf

硕f ：学位论文 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 n( r f i d ) ， a sa s p e e d y ， r e a l - t i m e ， a c c u r a t e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fh i 曲一t e c ha n di n f o r m a t i o nb a s e do n s t a n d a r d i z e d ，w h i c hh a sb e e nr a n k e da so n eo ft h em o s tt e ni m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n t h i sc e n t u r y i tc a nb ew i d e l yu s e di na l lk i n d so fn e l d t h i si sb e c a u s er f i dh a st h e a d v a n t a g eo fn o n - c o n t a c t ，a n dc a nb r i n gt h ed a t am o r et h a nt h et r a d i t i o n a lb a rc o d e h o w e v e r ，a st h ea p p l i c a t i o no fa ne m e r g i n gt e c h n o l o g y ，t h e r ea r es t i l l an u m b e ro f s h o r t c o m i n g s i nr f i d s a p p l i c a t i o n ss u c ha s ：r e c o g n i t i o na c c u r a c y i sn o th i g h ， r f i d ss t a n d a r d i z a t i o np r o c e s si ss l o w a m o n gt h e m ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i s s u e si nr f i ds y s t e mi si t si n e f f i c i e n tr e c o g n i t i o nb yt a gc o l l i s i o na n dr e a d e r c o l l i s i o n i ti sav e r ys i g n i f i c a n ti s s u et or e s e a r c ho nr a p i d ，a c c u r a t e ，a n de f f 色c t i v e a n t i - c o l l i s i o ns o l u t i o n ，w h i c hh a sav i t a lr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fr f i d s t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cp r i n c i p l e s ，s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h er e l e v a n t t h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo ft h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y ，w eh a v ed o n ea ni n d e p t hr e s e a r c ho nt h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ei s s u eo f a n t i c o l l i s i o n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m so ft h er f i d s y s t e m t h e r ea r es e v e r a le f 诧c t i v ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m s ，w h i c ha r eu s e di na l l k i n d so fr f i ds y s t e m s i no r d e rt or e s o i v et h et a gc o l l i s i o np r o b l e m ，w en e e dt ou s e m u l t i p l ea c c e s sp r o t o c 0 1 r e c e n ty e a r s ，t h et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e ( t d m a ) h a sb e i n g g e n e r a l l ya c c e p t e d a c c o r d i n gt ot d m a ，t h e r ea r ea l o h ap r o t o c o la n db i n a r yt r e e p r o t o c 0 1 t h i sp a p e ra n a l y z e si t sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h o r t c o m i n g s r f i dh a v eb e e nu s e dw i d e l y e s p e c i a l l yi nl o w f r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r e a o nt h eo t h e rh a n d ，t h eh i g h f r e q u e n c yr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i n c a t i o nh a sn o tb e e nw e l ld e v e l o p e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e r f i dt e c h n o l o g y ，i ti st i m et or e s e a r c ht h ea r e ao fh i g h - f r e q u e n c y i nt h i sp a p e r ，i s u g g e s tt w om e t h o d so ft h ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m su s e do ft h eh i g h - f r e q u e n c yr f i d ， w h i c ha r es u i tf o rt a g sb a c k s c a t t e rt r a n s m i t t e ds i g n a l t h ea u t h o rh a sd o n ead e e p l y r e s e a r c ho nt h ei s s u eo ft h el a b e l i n ga n t i c o l l i s i o nb a s e do nt h ea m o u n to f d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r es e a r c h ，c o l l a t i n g ，a n a l y s i sa n ds y n t h e s i s i nt h i sp a p e r ，t h ei n n o v a t i o ni sm a d eo ft w ot y p e so fa n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m b a s e do fc d m a o n ei sb a s e do ns p r e a d - s p e c t r u ma l o h aa n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mi sb a s e do nt h eo r i g i n a la l o h am e c h a n i s mo fa n t i - c o l l i s i o n i i i r f i d 系统防碰掩算法研究 a l g o r i t h m ， c o m b i n e dw i t ht h e s p r e a ds p e c t r u m c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o r m a t i o n ， w h i l et h ei n t r o d u c t i o no fl sc o d e ， m a k i n gt h i sa l g o r i t h mh a sb r o a d b a n dt r a n s m i s s i o n ，a n t i - f a d i n ga b i l i t y ，s m a l l s i g n a l i n t e r f e r e n c eh i g h e rs y s t e mt h r o u g h p u t ，s i m p l ea n de a s yt oa c h i e v e t h eo t h e ri sa r e s e r v a t i o n - b a s e dc d m aa l o h aa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m i nt h i sp a p e r ，t h em a r k o v m o d e lo ft h ea l g o r i t h mi sg i v e n t h i sa l g o r i t h mi sb a s e do nc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s st e c h n o l o g y ，c o m b i n e dw i t ha l o h ar e s e r v a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef o r m a t i o no f t h ec o m p e t i t i o n i nt h i sa l g o r i t h m ，t h eu p l i n kc h a n n e li sd i v i d e di n t oc o d e d i v i s i o n m u l t i p l ei n d e p e n d e n tc h a n n e l s ，e a c hc o d e d i v i s i o na l o h a c h a n n e lb ya p p o i n t m e n t w i t ht h ec o m p e t i t i o nm e c h a n i s m ，m a k i n gt h i s a l g o r i t h mw i t ha n t i - f a d i n ga b i l i t y ， c o n n d e n t i a l i t y ，a n ds y s t e mt h r o u g h p u ta d v a n t a g e s t h ea r t i c l ea l s oc a r r i e do u to nt w o a l g o r i t h m so fm a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dt h et h r o u g h p u to ft h es y s t e mm a t l a b s s i m u l a t i o n f i n a l l yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc o n c l u s i o na r eg i v e n k e yw o r d s ： r a d i of r e q u e n c yi d e n “n c a t i o n( r f i d ) ； c d m a ；a n t i - c o u i s i o n a l g o r i t h m i v 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：参坂眺叫年，月“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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年厂月彳日 年厂月髟日 硕上学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 射频识别( r f i d ) 技术随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现 的一种高速、实时、准确的信息采集与处理技术，被世界公认为2 1 世纪十大重要 技术之一i 引。射频识别技术己逐渐成为企业提高物流和供应链管理水平、降低成 本、实现管理信息化、参与国际经济和增强企业竞争力的技术手段和工具。随着 成本的下降和标准化的实施，r f i d 技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋 势。因此，射频识别技术在全球被广泛看好，许多企业、高校、科研机构都参与 到这项技术的产品研发、标准制定、系统应用中来。 r f i d 的基本原理是利用阅读器与电子标签之间的电磁耦合来实现数据通讯， 从而达到对电子标签所代表的对象进行识别的目的。r f i d 具有准确率高、存储量 大、耐用性强等优点，在生产制造、销售流通、公共安全等领域有着广阔的应用 前景，作为无线远距离识别的重要手段之一应用在很多领域。 国外对r f i d 技术的研究起步较早，美国麻省理工大学的a u t o i dc e n t e r 是 r f i d 技术的发起者和先导者。目前，美国已建立r f i d 相关标准，并在软硬件技 术的开发和应用领域走在世界前列。欧洲和日本也都提出自己相应的标准。欧美、 日本等发达国家掌握了目前r f i d 技术的大部分核心技术和知识产权。 我国涉足r f i d 技术较晚，我国1 9 9 3 年制定金卡工程实施计划，旨在推动我国 国民经济信息化进程。2 0 0 4 年2 月我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签 ( r f i d ) 国家标准工作组，负责起草、制定我国有关电子标签的国家标准。十 一五期间，r f i d 技术列为国家8 6 3 科研的专项内容，并在标准制定、资源配置、 技术开发、系统集成以及设备制造方面给予了强有力的支持。与国外相比，我国 的r f i d 技术应用的普及率，r f i d 芯片技术等方面还是有明显的差距。产品研发、 生产、测试关键技术中的问题都有待于进一步研究。 r f i d 技术是电子技术、计算技术和通讯技术等多个学科的交叉学科，存在 很多关键技术需要解决。r f i d 关键技术分为产品研发关键技术、生产关键技术、 测试关键技术。其中研发关键技术包括编码、射频天线、防碰撞算法、读写器设 计等内容，而本文论述的正是研发关键技术中的防碰撞算法。 r f i d 系统防碰撞算法研究 1 2r f i d 技术国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 r f i d 技术的最早可以追溯到第二次世界大战期间英军的飞机敌我识别技术。 在二十世纪的六十年代就有一系列的r f i d 的技术的论文被发表，同时大量专利被 申请。在这期间出现了首个r f i d 商用系统一一电子商品监视系统。在七十年代， r f i d 成为研究的热门课题，各个科研机构、学校、企业纷纷开始对r f i d 技术进 行研究，并将研究成果尝试运用到电子计费，工厂自动化等方面。而九十年代， r f i d 技术进入大规模的应用阶段【4 9 j 。 目前，我国在r f i d 技术的研究和应用方面尚不及发达国家，特别是在r f i d 芯片的设计生产方面还比较落后，能够真正提供r f i d 芯片的厂商并不多。我国 的企业对r f i d 技术的重要性认识不够，且我国的r f i d 技术实施的基础设施薄 弱，都影响了r f i d 技术在我国的发展，但是我国政府相当重视r f i d 技术在我 国的发展。2 0 0 6 年6 月国家科学技术部等十五部委联合发布了中国射频识别 ( r f i d ) 技术政策白皮书，为中国r f i d 技术与产业未来几年的发展提供了系统、 科学、具有前瞻性的指南。白皮书研究分析了国内国际射频识别技术发展现状与 趋势，提出了我国的射频识别技术战略、中国射频识别技术发展及优先应用领域、 推进产业化战略和宏观环境建设，提出了未来几年我国在射频识别技术领域的关 键技术研究内容、标准和测试研究内容以及优先应用领域。 我国已经公布了多项基于r f i d 技术的国家发展计划。我国公民开始使用采 用r f i d 技术的第二代身份证i3 | ，这使得近年r f i d 市场规模得以迅速扩大的重要 原因。同时，r f i d 技术也被推广应用在城市公交、车辆识别、车牌管理和产品 防伪等各个方面。科技部8 6 3 计划先进制造技术领域办公室于2 0 0 5 年正式发布了 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造技术领域“射频识别( r f i d ) 技 术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南。此次重大r f i d 项目的主要研究 内容是：面向我国r f i d 产业发展中的共性技术和具有较大发展潜力的前瞻性技 术展开研究，包括电子标签芯片设计、天线设计、r f i d 系统测试技术及开放式 平台建设等方面；重点突破涉及产业化的关键技术，包括超高频标签芯片、读写 器芯片、读写器、标签封装设备、标签集成等技术；开展应用关键技术的研究开 发，包括r f i d 中间件、r f i d 公共服务体系架构设计及应用服务关键技术、区域 r f i d 信息公共服务平台关键技术等的研究与开发；选择量大面广、影响力广泛、 辐射力强、有一定基础的典型行业或企业开展r f i d 技术的示范应用；深入开展 r f i d 标准的基础研究，制定适应我国r f i d 应用的物品编码规则、自主知识产权 的空中接口标准以及国家基础性标准、产品标准和行业应用标准。根据该计划， “十一五 期间，科技部将拨款一亿两千八百万，力争实现我国r f i d 领域技术 2 硕上学位论文 突破与自主创新。保守估计，我国r f i d 标签需求总量在2 0 1 0 年量达到5 5 亿只。 近年来，r f i d 技术在国外发展很快，自从2 0 0 3 年沃尔玛和美国国防部大力 推进r f i d 应用以来，全球r f i d 行业取得了很快的发展。截至2 0 0 5 年底，全世 界已经安装了约5 0 0 0 个r f i d 系统，实际年销售额约9 6 4 亿美元。在零售巨头 沃尔玛、麦德龙的推动下，r f i d 在零售业也取得了一定进展，但整体规模仍十 分有限。随着标准的完善和实施成本的逐渐下降，2 0 0 6 年全球r f i d 产业取得了 实质性突破。2 0 0 7 年，全球r f i d 将全面启动，进入快速增长阶段，增长率超过 5 0 。 美国的t i 、i n t e r 等美国集成电路厂商目前都对r f i d 领域投入巨资进行芯片 开发。s y m b o l 等已经研发出可以它能够使阅读条形码和r f i d 的扫描器；i b m 、 m i c r o s o f t 和h p 等公司也在积极开发相应的软件及系统来支持r f i d 的应用。欧 洲的p h i l i p s 公司、s t 微电子公司在积极开发廉价r f i d 芯片；c h e c k p o i n t 开发支 持多系统的r f i d 识别系统；诺基亚开发能够基于r f i d 的移动电话购物系统； s a p 则积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件。日本的电子标签研究起步较早， 政府也将r f i d 作为一项关键技术。同本公共管理、国内事务及邮政电信省支持 测试在u h f 频段的主被动电子标签技术，其选择了7 个产业做r f i d 应用试验， 包括消费电子、书籍、服装、音乐c d 、建筑机械、制药和物流。 1 2 2 防碰撞技术的发展趋势 早期的r f i d 系统和识别技术只能识别一个目标。例如：磁卡和i c 卡技术， 由于是接触式工作，一次只能识别一个目标。而当多个电子标签工作在同一频率， 处于同一个读写器作用范围内时，在没有采用多址访问控制机制情况下，将几乎 同时响应阅读器的指令而发送信号，这样就会产生信号争用问题。信号互相干扰， 阅读器不能正确接收数据，也就不能正确识别电子标签，使得阅读器发生判断错 误，认为这个标签不在自己的作用范围内或无法正确读取信息，即发生了碰撞。 同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成碰撞。 根据电子标签工作频段之不同，人们提出了不同的防碰撞算法，总结为概率 性防碰撞算法和确定性防碰撞算法两大类，其代表性算法分别为a l o h a 法和二 进制树形搜索法。i s o i e c l 4 4 4 3 协议定义了t y p ea 、t y p eb 两种类协议，分 别推荐了基于二进制搜索思想和基于时隙a l o h a 法两种不同的防碰撞算法。而 i s o i e c l 5 6 9 3 协议采用的防碰撞方式是动态时隙a l o h a 法，它借助电子标签的 唯一序列号，实现对读写器天线磁场中的多个电子标签的询查。i s o i e c l8 0 0 0 6 协议定义了t y p ea 、t y p eb 和t y p ec 三种协议，也是分别采用的防碰撞方式 是二进制搜索法和时隙a l o h a 法。之后有很多研究人员提出了基于这两种算法 的改进算法，成都电子科技大学的高乐等提出一种用于r f i d 系统中的帧长度调 3 r f i d 系统防碰撞算法研究 整方法【3 3 】，东南大学的武强等提出一种适用于u f h 频段的二进制防碰撞算法等 一系列基于时分多址的防碰撞算法。而其他类型的算法只有东南大学的胡彪提出 一种基于码分多址的防碰撞算法【3 。 1 2 3r f i d 的发展方向 r f i d 技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将高频技术、 电磁兼容技术、半导体技术、密码学和制造技术等各领域技术融合到一起。当前， r f i d 技术研究主要集中在防碰撞技术和安全与隐私保护等方面。预计将在以下四 个方面取得新的进展。 ( 1 ) 防碰撞技术研究 在早期的系统中，一次只能读或写一张射频卡。卡与卡之间要保持一定距离， 确保一次只有一个卡在读写区域内，应用起来很不方便。很多时候不可避免地会 出现多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况，即碰撞。具有防碰撞性能 的系统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡，其并行工作方式大大提高了系 统的效率。鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范 围内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息传输过程将产生冲突，导致 信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成碰撞。根据电子标签 工作频段的不同，人们提出了不同类型的防碰撞算法。 在超高频( u h f ) 频段，目前主要采用二进制搜索算法来避免冲突。这种标签 防碰撞方法属于时分多址访问( t d m a ) 方式，应用比较广泛。除此之外，同时还 有人提出了频分多址( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) 方式的防碰撞算法。这两种方式 的算法主要应用于超高频和微波等宽带应用场所。 ( 2 ) 安全与隐私问题 r f i d 技术到目前为止发展还不成熟，在安全与隐私方面还存在一些隐患。 r f i d 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防 范对r f i d 系统的攻击以及利用r f i d 技术进行安全防范等多个方面。究其原因， 主要如下：首先，标签很小，因此在技术上来说，很难给它们提供保护。其次， r f i d 标签是移动的，因此可以接触到它的人很多，而且大部分是未授权的用户。 同时，标签的用途非常广，因此在其安全性问题上很难做到标准化和量化。但是 过分的追求高标准也是没有必要，因为达到一定的安全程度后，过高的安全标准 将增加系统的投资。 ( 3 ) 系统的高频化 由于超高频射频识别系统具有低频系统无可比拟的优点，例如：识别距离远、 无法伪造、可重复读写、体积小巧等。因此，随着制造成本的降低，超高频系统 的应用将会越来越广泛。此外，由于双频系统兼有低频和高频的共同优点，因此， 4 硕十学位论文 双频系统也会越来越广泛应用。 ( 4 ) 实物互联网 由于r f i d 标签对物体有唯一标识的特性，于是引发了人们对基于r f i d 技 术的应用研究的热潮。目前主要的应用研究包括物流与实物互联网、空间定位与 跟踪和系统安防等多个方面，而物流与实物互联网是当前r f i d 应用研究的热点。 实物互联网是通过给所有物品都贴上r f i d 标签，在现有互连网基础之上构 建所有参与流通的物品信息网络。通过实物互联网，世界上任何物品都可以随时 随地按需的被标识、追踪和监控。因此，实物互联网被视为继i n t e m e t 后i t 业的 又一次革命。其最大的创新点在于，在基本r f i d 系统的基础上引入了s a v a n t 、 对象名字服务o n s ( o b j e c tn a m es e r v i c e ) 、物理标识语言p m l ( p h y s i c a lm a r k u p l a n g u a g e ) 等多个概念。在实物互联网中，产品在生产完成时就被贴上存储有e p c 标识的r f i d 标签，此后在这个产品的整个生命周期中，该e p c 代码都将是其唯 一的标识。这样，实物互联网中的每一个产品都有一个独一无二的e p c 标识，以 这个编码为索引就能实时的在e p c 网络上查询和更新产品相关信息，在这个产品 的各个流通环节对其进行定位追踪。当某个阅读器在其读取范围内监测到标签的 存在，就会将标签罩的e p c 数据传到与其相连的s a v a n ts a v a n t 首先以根据e p c 数据，在本地o n s 服务器获取包含该产品信息的e p c 信息服务器的网络地址， 然后s a v a n t 根据该地址查询e p c 信息服务器，获得产品的特定信息。 1 3 课题的研究目的及意义 二十世纪九十年代以来，r f i d 技术得到快速发展，西方经济发达国家和地 区己经广泛推广r f i d 技术应用，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。国 内已经初步开展了r f i d 技术的研发与产业化，但基础薄弱，缺乏核心技术。另 一方面，中国人口众多，经济规模庞大，是全球的制造中心，r f i d 技术应用有 着广阔的市场。所以，研究r f i d 的核心技术和开发自己的r f i d 产品具有战略 的意义。 如今r f i d 技术己经广泛应用于人们的日常生活，最常见的如公共交通、门 禁管理、二代居民身份证、公共食品药品卫生管理等。r f i d 技术与计算机技术、 通信技术、半导体技术相结合将广泛应用于物流、制造、公共信息服务等行业， 产生一个新兴的高科技产业群一一r f i d 产业。据估计，到2 0 1 0 年，中国r f i d 跨行业应用总体市场规模将达到2 9 8 3 7 亿元人民币。由此可以看出，r f i d 产业 的市场被业界极为看好。 整个r f i d 应用系统架构中，读写器的开发是中小企业可以最先突破的环节。 在国内，已经推出了一系列r f i d 读写器产品，小功率读写模块产品己经达到国 5 r f l d 系统防碰撞算法研究 外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统( s o c ) 还处于研发阶段。研究开 发大功率，远距离的读写器，并在各种应用系统中推广有着现实的意义。 r f i d 技术应用于人群身份识别也有极高的应用价值和社会效益，在大型集 会和运动场所可以发挥准确、快速识别和统计的作用，大幅提高通行能力。北京 2 0 0 8 年奥运会和上海2 0 1 0 年世博会采用r f i d 标签作为门票，以提高安全性和 票务管理水平。r f i d 技术同样广泛应用于超市自动收费、e a s ( 电子防盗) 、门禁 控制等。 工作频率是13 5 6 m h z 的电子标签应用比较广泛，应用比较多的是 i s o i e c l 4 4 4 3 协议和i s o i e c l 5 6 9 3 协议标准等。其中i s o i e c l 4 4 4 3 协议是对于 读写器与电子标签的作用距离约l o c m 左右的情况；i s o i e c l 5 6 9 3 协议是对于读 写器与电子标签的作用距离约l m 以下的情况。i s 0 i e c l5 6 9 3 协议与i s o i e c 1 4 4 4 3 协议相对操作距离远、应用更加灵活，而i s o i e c l 4 4 4 3 协议虽然读写距离 稍近，但在传统领域的应用较广泛。但近年来，随着社会对高频和超高频通信需 求的增加，i s o i e c l 8 0 0 0 6 协议正被越来越广泛的应用。 在很多应用场合，阅读器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于阅读器和 标签通信共享无线信道，阅读器或标签的信号可能发生信道争用，信号互相干扰 等问题，使阅读器不能正确识别标签，即发生了冲突，或者说出现了碰撞 ( c o l l i s i o n ) 。r f i d 系统必须采用一定的策略或算法来避免冲突现象的发生，将射 频区域内多个标签分别识别出来的过程称为防冲突，或者防碰撞。由于标签含有 可被识别的唯一信息( 序列号) ，r f i d 系统的目的就是要读出这些信息。若只有一 个标签位于阅读器的可读范围内，则无需其他的命令形式即可直接进行阅读。若 有多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，面对阅读器发出的指令，每个标 签都会响应，所以标签的响应信息会产生叠混的现象，即信号互相干扰，出现数 据冲突，从而造成阅读器和标签之间的通信失败。防碰撞研究主要解决如何快速 和准确地从多个标签中选出一个与阅读器进行数据交流，而其他的标签同样可以 在接下来的防碰撞循环中被选出来与阅读器通讯。 随着射频操作距离的加大和传输数据的增加，防碰撞问题在r f i d 系统中显 得更加突出。很多情况下不可避免地会出现多个标签进入识别区域，造成信号相 互干扰。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别范围的所有标签，其并行 工作方式可以大大提高系统的效率。因此，防碰撞技术设计的优劣，在很大程度 上决定了r f i d 系统性能及其应用领域。 。 r f i d 系统存在着两种不同的通信冲突形式。第一种是标签冲突，是指多个 标签同时响应阅读器的命令而发送信息，引起信号冲突，使读写器无法识别标签； 第二种是阅读器冲突，阅读器冲突是指由一个阅读器检测到由另一个阅读器所引 起的干扰信号。本文主要对标签的防碰撞算法进行研究。 6 硕上学位论文 1 4 主要研究内容 本文简述了射频识别系统的相关的理论和技术，着重对基于码分多址的防碰 撞算法方面进行了研究。目前，基于时分多址的防碰撞算法已经有许多成熟的算 法，并广泛应用于r f i d 系统产品中，但基于码分多址的防碰撞算法还不成熟， 大量的研究正在进行中。本文针对基于码分多址技术的特性，在码分多址的基础 上提出了防碰撞算法，以更好地解决了阅读器与标签进行通信时发生的标签冲突 问题。文章主要研究内容如下： 第1 章，绪论。对本课题的背景及发展状况进行阐述，并就项目中自己需要 完成的内容做了归类。 第2 章，r f i d 技术原理基础。这部分简要介绍本课题需要的理论依据，主 要包括r f i d 系统工作原理，系统物理学原理，以及相关关键技术。 第3 章，防碰撞技术。通过阐述防碰撞技术的概念和相关多址方式，描述各 类型的防碰撞算法，并简要的分析了各自的优缺点。 第4 章，基于扩频a l o h a 的防碰撞算法。这部分介绍了扩频通信的原理， 提出一种基于扩频a l h o a 和l s 码的防碰撞算法，并对算法进行了数学分析和 系统吞吐量的性能分析。 第5 章，基于预约a l o h a 的码分防碰撞算法。结合预约a l o h a 和码分多 址方式，本章给出一个适用于超高平r f i d 系统的防碰撞算法，并对算法建立了 m a r k o v 模型，之后运用m a t l a b 对算法吞吐量进行了分析。 最后，对本文的研究工作进行了总结与展望。 7 r f i d 系统防碰掩算法研究 第2 章r f i d 技术基础 r f i d ( 射频识别) 这种非接触式的自动识别技术，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，并且r f i d 技术可识别高速运动物体且可同时识别多个标签，操作快捷方便。然而r f i d 并 非一种新兴的技术，其历史可追溯到二十世纪初。1 9 2 2 年雷达( r a d a r ) 诞生，r f i d 技术直接继承了雷达的概念，并由此发展起来的一种新的自动识别技术。 2 1r f i d 系统技术原理 2 1 1 系统的构成 r f i d 系统由三大部分组成电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和计算机通讯网等 几部分组成【35 | ，如图2 1 所示。 阅读器电子标签 能量 辅 时钟 l i 毫量 助 数据输 时钟 模 入输出 计算机通块 摔制 信网络 射频 天线 射频 和储 模块 天线 模块 存模 控 数据输 块 制数据输 入输出 模 入输出 块 图2 1 射频识别系统结构框图 1 标签 电子标签又称作应答器，每个电子标签都含有唯一的识别码，根据电子标签 的工作频率可分为低频、高频及超高频和微波标签，基本上划分为四个主要范围： 低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 以用微波( 2 4 5 g h z 以上) 。低频标签一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ，常见的工作频率有1 2 5k h z ；高频标 签工作在1 0 1 5 m h z ，常见的工作频率为1 3 5 6 m h z ；超高频标签工作频率大于 3 0 0 m h z ，典型的工作频段有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z 等；微波标签工作地2 4 5 g h z 的微波频段。低频标签用于短距离( 典型阅读距离为10 c m ) 、低成本、阅读天线方 向性不强的应用中；高频标签用于门禁控制和需传送大量数据的应用；超高频标 8 硕十学位论文 签成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几米) 、 适应物体高速运动性能好，阅读天线及应答器天线均有较强的方向性、用于需要 较长的读写距离和较高的读写速度的场合。电子标签是射频识别系统中真正的数 据载体，每个电子标签上有数足b i t s 的存储单元，可以反复读写1 0 ，0 0 0 次以上。 r f i d 标签分为主动式( a c t i v e ) 和被动式( p a s s i v e ) 两种。主动式标签主动向阅读器 发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源标签；被动式标签不带电池， 又称为无源标签，其所需能量均由阅读器所产生的电磁波提供，它在接收到阅读 器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的。通常应答器由耦 合元件以及微电子芯片组成，其结构如图2 2 所示。 图2 2 电子标签的结构框图 标签的结构主要包括射频接口部分、数字电路部分和存储部分。射频接口部 分主要可分成三个模块：时钟发生器、调制解调电路和电源产生电路。数字部分 部分主要包括信道安全单元、控制与算术单元、信息安全单元和e e p r o m 接口单 元。 射频接口系统中，时钟发生器由片内r c 振荡产生同步时钟。复位电路在设 定条件下，以上电信号触发芯片内其它电路工作。解调模块接收阅读器发射波， 解调后获得数据信息。调制模块将应答器中的应答数据，通过周期性改变天线接 收电路阻抗方法调制反射波特性，经阅读器解调后达到传输数据目的。电源产生 电路是通过天线将从阅读器发射耦合得到的微弱能量积累，建立整个芯片稳定的 工作电源，为存储电路提供写入电流和工作电流。 数字电路系统中，信道安全单元包括编码器和解码器、校验电路以及防碰撞 电路，其中在射频识别系统中，加密算法和硬件电路在多个标签处在阅读器的天 线工作范围内时启动，用来逐个完成对应答器的识别。信息安全单元包括认证存 9 r f i d 系统防碰掩算法研究 取电路和数据加解密电路，其中认证存取电路是在对应答器进行读写操作之前对 其设置的密码进行认证，如果匹配则允许进一步的读写操作，以确保操作的合法 性；数据加解密电路是完成对数据的加解密处理及密码保护。控制与算术单元 是对应答器内部各个单元进行微操作控制，协调内部的各个步骤，同时还对各种 收发的数据进行算术处理、递增递减处理等。 存储电路主要用来存储数据，用户所要保存的数据存在该单元中。存储器内 的数据在标签失去电源后( 应答器离开阅读器天线的有效工作范围) 仍将被保存。 2 阅读器 阅读器是构成无线射频识别系统的主要部分之一。阅读器通过发射天线发送 一定频率的射频信号，当应答器进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获 得能量被激活，并将自身序列号等信息通过内置发送天线发送出去；系统接收天 线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收 的信号进行解调和解码后送到应用系统进行相关处理；应用系统根据逻辑运算判 断该应答器的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，并发出指令信号 控制执行机构。 阅读器是连接标签和数据处理系统的桥梁，其任务是控制射频信号的收发， 并通过射频模块接收到标签上已编码的射频信号，对标签进行认证和识别。同时 将获取的标签相关信息经初步处理后，上传到数据处理系统，等待进一步处理。 阅读器应能完成下述功能：向应答器提供射频能量；从应答器中读出数据或写入 数据至应答器：完成数据信息处理，并实现应用操作；如果需要，应能和高层处 理应用交互。其工作频率决定了整个射频识别系统的工作频段，阅读器的功率则 直接影响射频识别的距离，在射频识别系统中起着举足轻重的作用。虽然因频率 范围、通信协议、数据传输方法的不同，各种阅读器会有很大的区别和差异，但 是所有的阅读器在上述功能上是很相似的。阅读器主要由天线、射频模块、控制 模块和接口电路等部分组成，如图2 3 所示。 辅助模块 高频接口 控制模块 电源接口 时钟 存储器 天线 _ 微处理器 辅助显示 接收处理装编解码、纠错 置电路其它接口 图2 3 阅读器的结构框图 1 0 硕上学位论文 随着射频识别技术的不断发展，应用案例的逐渐增加，r f i d 系统的结构和 性能也会随着用户的需求而不断更新。阅读器将朝着多功能、智能多天线接口、 多种数据接口、多制式兼容( 兼容读写多种标签类型) 、小型化、便携式、嵌入式、 模块化、多频段兼容、成本更低等方向发展。 2 1 2 基本工作流程 r f i d 技术的基本工作原理为：当r f i d 标签进入读卡器工作区域时，其天线 产生感应电流，从而r f i d 标签获得能量被激活并向读卡器发送出自身序列号等 信息( 无源标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 有源标签) ；读卡器接收到 来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理； 计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理 和控制，发出指令信号。r f i d 标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调 出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作i 。 在甚高频或更高频率的系统中，主要运用电磁反向散射耦合的工作方式，即 电磁波从阅读器的天线向周围空间发射，会遇到不同的目标，从而被散射。到达 标签的电磁波能量的一部分被标签吸收，另一部分以不同的强度反射到各个方向 上去。反射能量的一部分最终会返回天阅读器的天线。其工作过程是( 无源标签) ： ( 1 ) 标签接收阅读器发射的信号，其中包括己调制载波和未调制载波。当标 签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换成直流