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基于t d m a 的r f i d 阅读器控制防碰撞算法研究 摘要 本论文从介绍r f i d 的系统组成入手，引入了防碰撞算法，也介绍了相 关标准。然后重点讨论了基于t d m a 的r f i d 阅读器控制的防碰撞算法。在 r f i d 中基于t d m a 阅读器控制的算法主要有基于a l o h a 的算法和基于二 进制的算法。本文首先讨论了基于a l o h a 算法的普通帧时隙a l o h a 算法 ( b f s a ) ，动态帧时隙a l o h a 算法( d f s a ) ，优化的动态帧时隙a l o h a 算法( a f s a ) ，改进的动态帧时隙a l o h a 算法( e d f s a ) ，并对各个算 法的性能进行了详细地比较。本文还介绍了二进制算法和动态二进制树型 搜索算法等防碰撞算法协议，分析各自特点以及存在的缺点。二进制算法 在整个识别过程不存在随机性，能够解决射频识别系统中的在阅读器作用 范围内有多个应答器应答要求通信而发生的碰撞问题，提高了信号传输速 度，信道的利用率更高，需要的时隙更少，准确率更高，系统的稳定性更 好。在研究动态二进制树搜索算法的基础上，通过将每次传输1 位的方法， 提出跳跃式类二进制算法，使得阅读器读标签效率的提高，而且降低了对 同步的要求。在此基础上对各个基于二进制的算法进行了性能的分析和比 对，分析了新算法的性能优势。 关键词：r f i d ，t d m a ，a l o h a 算法，二进制搜索法，跳跃式类二进制搜 索法。 r e s e a r c ho nt h er f i dr e a d e rc o n t r o l l e d a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m sb a s e do nt d m a a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fr f i ds y s t e m ，a n t i c o l l i s i o n a l g o r i t h m s a n dr e l a t i v es t a n d a r d s i tf o c u so nt h er e a d e rc o n t r o l l e d a n t i c o l l i s i o nr f i da l g o r i t h m sb a s e do nt d m a t h ea l g o r i t h m sa r em a i n l y b a s e do na l o h ao rt h eb i n a r y i nt h eb e g i n n i n g ，t h ea l g o r i t h m sw h i c ha r eb a s e d o na l o h aa r ed i s c u s s e d ( b f s a ，d f s a ，a f s a ，e d f s a ) a n dd e t a i l p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na r em a d ea m o n gt h ev a r i o u sa l g o r i t h m s t h eb i n a r y a l g o r i t h ma n dt h ed y n a m i cb i n a r ya l g o r i t h ma r ea l s oi n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h ef e a t u r e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d t h eb i n a r ya l g o r i t h mi sn o t r a n d o mi nt h ew h o l er e c o g n i z i n gp r o c e s s ，a n dc a ns o l v et h ec o l l i s i o n p r o b l e mo c c u r r e dw h e nt h e r ea r em u l t i p l er e s p o n d e r sr e q u i r ec o m m u n i c a t i o n i nt h er e s p o n d e ra c c e p t a n c er a n g e t h eb i n a r ya l g o r i t h mc a ni m p r o v et h e t r a n s m i s s i o ns p e e d ，r a i s ee f f i c i e n c yo fc h a n n e l ，r e d u c et h et i m es l o t ， e n h a n c et h ea c c u r a c y ，a n d1 i f tt h es y s t e ms t a b i l i t y b a s e do nt h es t u d y o ft h ed y n a m i cb i n a r ya l g o r i t h m ，t h ea n t i c o l l i s i o nr f i da l g o r i t h mb a s e do n j u m p i n ga n dt h es i m i l a rb i n a r yi sp m p o s c dt h r o u g ht h em e t h o do ft r a n s m i t t i n g1 b i te v e r yt i m e ，w h i c hi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c yo fr e c o g n i z i n gd e c r e a s e s t h er e q u i r e m e n to f s y n c h r o n i z a t i o n t h ea n a l y s i s o f f u n c t i o na n d c o m p a r i s o no fv a r i o u sa l g o r i t h m sa r em a d eb a s e do nb i n a r yo nt h i sb a s i s t h ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g eo ft h en e wa l g o r i t h mi sa l s oa n a l y z e di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：r f i d ，t d m a ，a l o h aa l g o r i t h m ，t h eb i n a r ya l g o r i t h m ，t h e a n t i c o l l i s i o nr f i da l g o r i t h mb a s e do n j u m p i n ga n dt h es i m i l a rb i n a r y 插图清单 图2 - 1射频识别系统的组成3 图2 2阅读器的组成结构框图4 图2 - 3电感耦合方式7 图2 - 4负载调制7 图2 5时序法中的能量与数据传送8 图3 - l i s o i e c1 4 4 4 3 中t y p ea 阅读器控制防碰撞流程1 4 图3 2 i s o i e c1 4 4 4 3 中t y p e a 阅读器控制防碰撞流程1 5 图4 1帧时隙算法的过程1 8 图4 2帧时隙中系统效率与标签数量的变化2 1 图4 - 3 系统效率与标签分簇数图一2 2 图4 - 4系统效率与帧大小的关系2 3 图4 5标签数量上限是2 0 0 时三种算法的比较2 5 图5 1曼彻斯特码编码规则2 6 图5 2 动态二进制防碰撞算法流程一2 8 图5 3标签序列号的曼彻斯特编码3 0 图5 4动态二进制算法的搜索过程3 1 图5 - 5动态传输的二进制算法流程3 2 图5 - 6跳跃式类二进制算法流程图一3 6 图5 7算法的动态树型搜索示意图3 9 图5 - 8两个标签时动态树型示意图4 0 图5 - 9跳跃式类二进制搜索与传统二进制搜索的比较4 l 插表清单 表4 - l 标签数量和最优帧长和模数的关系2 4 表5 - 1 二进制搜索法举例2 9 表5 - ；2 跳跃式与普通查询所需次数比较4 1 表5 - 3 跳跃式类二进制搜索与传统二进制搜索的比较4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一i ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目b 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 掉语许一年啪咖j| 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹三 些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒王些超 生! 一可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论姥签名形芴雨 ， 签字日期：订年f 1 月f 如 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名新孑c 羚 j 签字日期；n 年，棚百 电话： 邮编： 致谢 首先，感谢我的导师单承赣教授在我攻读硕士学位期间给予的悉心指 导。单老师渊博的知识、务实的精神和宽阔的胸怀让我深深地佩服。在科 研方面，让我拥有很大的自主性。在我遇到困难，没有头绪的时候，又总 能以他开阔的思维、丰富的经验给出恰当的建议，保证我的研究生期间的 学习和科研沿着正确的方向一步步前进。自从论文开题以来，单老师对论 文的方方面面都进行了悉心的指导，即使在很繁忙的情况下还给我提供很 多参考资料，对论文的组织和安排都提出了很宝贵的建议，正是基于以上 这些，这篇论文才得以顺利完成。我要特别感谢实验室的所有同学们，他 们在我的课题选题、科研实践、甚至职业和人生规划等诸多方面均给予我 巨大的帮助和有益的启发。另外，对所有在我攻读研究生期间，给予我鼓 励和帮助的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢! 最后，对论文所引用的参考文献的作者表示感谢! 作者：张态琦 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 第一章绪论 1 i选题的背景和意义 无线射频识别技术( 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 nr f i d ) ，或称射频识别技 术，是从二十世纪9 0 年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频方 式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度 高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点r f i d 已被广泛应用于工 业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域【i 】。例如汽车或火车等 的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门 禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。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【2 1 。 但r f i d 技术也存在着很多问题需要解决，例如r f i d 技术的操作距离问题， 安全和隐私问题，数据存储问题，碰撞问题等，本文是论述有关r f i d 的防碰撞 问题。在很多情况下，阅读器射频区可能会有多个标签存在。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，在r f i d 技术中这种现象被称为冲突问题。r f i d 系统会采用一定的策略或算法来避免冲 突现象的发生，控制标签的响应信息逐个通过射频信道被阅读器接收。防碰撞 问题的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从接下来的防碰撞循环中选出与阅读器通信。 1 2 国内外研究现状综述 r f i d 系统的防碰撞问题一直以来广泛地被研究，并且己经提出了几种成熟 的防碰撞算法，国际标准i s 0 1 4 4 4 3 a 和i s 0 1 4 4 4 3 b 3 - 6 1 分别推荐了基于二进制搜 索思想和基于退避思想的两种不同的防碰撞算法。广东工业大学的詹宜巨在射 频识别系统中数据传输完整性的研究的论文中提出了e p c 动态二进制算法的改 进方法。上海复旦大学的鞠伟成在r f m 系统抗冲突问题的研究的论文中提出了 在有源r f i d 系统的抗冲突算法的研究方法 7 1 。m i ta u t o i dc e n t e r 的j a m e s w a l d r o p 等为了解决阅读器碰撞问题提出了c o l o r w a v e 算法。现有的几种成熟的 防碰撞算法都能有效的在射频区域内把多个标签识别出来，但是识别的速度都 是不太理想的。尤其当射频区域内标签数比较多的时候，防碰撞处理所需时间 甚至是不可以忍受的。而目前对r f i d 阅读器发生碰撞的问题，还没有付诸于实 际的成形的优化算法。 1 3 论文的研究内容和方法 本文研究在无源r f i d 系统中基于二进制的防碰撞算法，从r f i d 系统的结构 和现流行防碰撞算法入手，分析比较各个防碰撞算法的特点，其适宜应用的 r f i d 系统类型。分析各个防碰撞算法的优势，并对其进行改进，提出一种能够 相对减少阅读器平均查询次数，阅读器和标签平均数据交换量的算法。在比较 这两种算法的优劣主要是用公式推导的方式来完成的，在图形的绘制上主要是 用m a t l a b 软件来实现。 基于阅读器驱动的防碰撞算法又分为轮询法和二进制检索法。轮询法需要 所有可能用到的应答器的清单。所有的序列号依次被阅读器询问，直指某个有 相同序列号的应答器响应时为止。然而，这个过程以来应答器的数目，可能会 很慢。因此只适用于作用区中仅有几个已知的应答器场合。目前大多数算法都 是以两种算法为基础进行改进的。二进制检索法相对灵活，为了从一组应答其 中选取其中之一，阅读器发出一个请求命令有意识地将应答器序号传输时的数 据碰撞引导到阅读去上，但是在此算法上有部分数据重复传送，造成不必要的 浪费。希望找出方法减少查询的次数和交换数据量。 1 4 体系结构 第一部分介绍了本论文的选题背景及研究内容。 第二部分介绍r f i d 系统结构、工作原理、操作流程及r f i d 数据传输机制。 第三部分介绍r f i d 防碰撞问题及相关标准。 第四部分介绍了几种r f i d 系统中基于a l o h a 算法的防碰撞算法，并对其 性能做了比较，阐述了其优劣。 第五部分介绍了r f i d 系统中基于二进制算法的防碰撞算法，并在此基础上 提出了跳跃式类二进制防碰撞算法，并在此基础上进行了性能的分析。 第六，第七部分是结束语和参考文献。 第二章r f i d 系统结构介绍 2 1引言 射频识别( 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 ) 技术是从八十年代逐渐走 向成熟的一种自动识别技术，是当前最受人们关注的热点技术之一，该项技术 既传统也充满新意和活力。射频识别是无线电识别的简称，即通过无线电波进 行识别。它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别、计 算机网络等高新技术，顺应了计算机集成制造系统、电子商务等热点应用的发 展需要。射频识别应用电磁场，以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定识 别信息。由于大规模集成电路技术的日益成熟，使得射频识别系统的体积大大 减少，从而进入了实用化阶段。射频识别技术具有无接触、工作距离大、精度 高、信息收集处理快捷及较好的环境适应性等一系列优点，极大地加速了有关 信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展1 8 】。 r f i d 应用领域众多( 如票务、身份证、门禁、电子钱包、物流、动物识别、 体育运动等等) ，已经渗透到人们日常工作和生活的各个方面，给人们的社会活 动、生产活动、思维观念、行为方法带来了巨大的变革。应用和不断增长的市 场需求是技术发展的动力，射频识别系统的产品是市场增长最快的电子产品之 一( 其它如手机、娱乐类电子产品等) ，具有极好的产业前景。 2 2 射频识别系统的组成 一个典型的射频识别系统由两个部分组成，应答器( 又称电子标签、射频 卡) 、阅读器( 又称读写器、读卡器) ，其基本组成如图2 - 1 所示9 1 。应答器应 置于要识别的物体上或由个人携带，应答器是信息的载体；阅读器可以具有读 或读写功能，这取决于系统所用应答器的性能。 图2 - 1射频识别系统的组成 2 2 1应答器 应答器是射频识别系统真正的数据载体，由线圈( 天线) 和用于存储有关 应用标识信息的存储器及微电子芯片组成。基于不同的应用，对应答器的体积、 性能等的要求也各不相同。一般来说应答器的主要功能、特点有：具有信息存 储、处理能力；可接收、发送无线信号，外围部件少，功耗低，能在低电压下 工作；依据不同需要，具有无线、射频微波探测器、调制器、解调器、控制逻 辑即存储器等部件；多种工作距离。 应答器的主要电气性能参数有：工作频率、读写能力、数据传输速率、信 息数据存储量、多应答器识读能力( 也称防冲突能力或防碰撞能力) 、信息安全 性能等。 应答器的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。但有一个例外，这就 是l 比特应答器，它进行“是”或“否”的应答，在需要简单监控的场所是适 合的，它的价格便宜，在百货商场的商品防盗系统中获得大量的应用。 简单系统的应答器的数据不多，通常大多是序列号码，在加工芯片时写入， 以后就不能改变。而在很多应用中，需要从阅读器( 读写器) 向应答器写入数 据，为了存储数据，在应答器中主要采用三种类型的存储器：e e p r o m 、铁电 随机存储器f r a m 和静电随机存取存储器s r a m 。e e p r o m 是电感耦合方式 中应答器主要采用的存储器，其写入过程中的功耗大，擦写寿命约为1 0 万次。 f r a m 是一种新的，非瞬态存储技术。f r a m 存储单元的基本原理是铁电效应， 即一种材料在不存在电场的情况下，保持其电报化的能力。 2 2 2 阅读器 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。 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。图2 2 给出了阅 读器的组成结构框图。 m c u 图2 2 阅读器的组成结构框图 图中各部的功能简述如下：发送通道：对载波信号进行功率放大；向应答 器传送操作命令及写数据。接收通道：接收应答器传送至阅读器的响应及数据。 载波产生器：采用晶体振荡器，产生所需频率的载波信号，并保证载波信号的 频率稳定度。时钟产生电路：通过分频器形成工作所需的各种时钟。m c u ：微 控制器是读写器工作的核心，完成收发控制、向应答器发命令及写数据、数据 读取与处理、与高层处理应用系统的通信等工作。天线：与应答器形成耦合交 连f 10 1 。 2 3 射频识别系统的分类 射频识别系统根据不同的标准有不同的分类方法，主要有以下几种分类 1 1 - 1 5 ： 根据射频识别系统的工作频率( 通常把阅读器发送信号时使用的频率 称为射频识别系统的工作频率) 可以分为： 低频( l f ) ，工作频频率低于1 3 5 k h z ，最常用的是1 2 5 k h z ； 高频( h f ) ，工作频率为1 3 5 6 m h z 7 k h z ； 超高频( u h f ) ，工作频率为4 3 3 m h z 、8 6 0 9 6 0 m h z ： 微波，工作频段为2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。 根据应答器与阅读器作用距离的不同，射频识别系统可以分为： 密祸合，作用距离为0 1 c m ； 疏耦合，作用距离为l 1 0 0 c m ； 远距离，作用距离为l m 以上。 根据应答器的供电方式可以分为： 无源( p a s s i v e ) ，无源应答器有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，应 答器处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时，应答器从阅读器发出的射频 能量中提取其工作所需的电能； 半无源( s e m i p a s s i v e ) ，半无源应答器内装有电池，但电池仅对应答器内 要求供电维持数据的电路或应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，应答器电 路本身耗电很少。应答器未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源 应答器。当进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进 入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源应答器一样源自阅读器； 有源( a c t i v e ) ，有源应答器的工作电源完全由内部电池供给，同时应答器 电池的能量供应也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。 根据射频识别系统的基本工作方式可以分为： 双工系统，在此系统中，应答器的应答响应信号与阅读器的发射信号同时 存在； 时序系统，在此系统中，阅读器的电磁场周期性地接通，在这些间隔中应 答器向阅读器发送信号并被识别出来。 2 4 射频识别系统的工作原理 射频识别系统是利用无线电波对记录物体进行读写。射频识别的距离可达 几十厘米至几米，并且可以传输大量的保密信息。 射频识别系统的基本工作原理是阅读器加电工作后发出定向查询的射频信 号，当应答器进入读写器的有效查询范围内，将自身存储的电子信息发送给阅 读器，由应答器发送的应答信号经阅读器接收处理后获得应答器所存储的电子 信息。应答器中所存储的电子信息代表了待识别物体的标识信息，应答器相当 于待识别物体的身份认证。从而射频识别系统实现了非接触物体的识别目的。 应答器与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行 的。一般地，我们可以用两个参数衡量数据在空气介质中的传播，即数据传输 的速度和数据传输的距离。因应答器发出的无线信号是很弱的，信号传输的速 度与传输的距离就很有限。为了实现数据远距离、高速度传输，必须把要传输 的数据信号叠加在一个规则变化的信号比较强的电波上，这个过程就是调制， 规则变化的电波就是载波。在射频识别系统中，载波一般由阅读器发出并进行 调制，而实现数据的调制也有许多方法，如调幅、调频、调相等等，射频识别 系统一般采用调幅方式。 2 4 1 射频识别的数据传输 阅读器与应答器之间的数据传输是建立射频技术的基础上的。通常我们把 从阅读器到应答器的数据传输称之为下传，从应答器到阅读器的数据传输称之 为上传。阅读器和应答器之间的耦合方式按其作用原理可以分为电场耦合和电 磁波耦合两大类。前者采用电感偶合方式，后者采用反向散射方式。我们这里 只介绍电场耦合方式。 电感耦合应答器由一个电子数据作载体，通常是由单个微型芯片以及作天 线用的大面积的线圈等组成。 电感耦合方式的组成结构如图2 3 所示。电感耦合应答器几乎都是无源的， 其能量靠阅读器供给。电感耦合方式的工作频率为1 3 5 6 m h z 和小于1 3 5 k h z 频段【16 1 。 图2 3 阅读器中u s 是射频源，l i c l 构成谐振电路谐振于u s 的频率上， r s 是射频源u s 的内阻，r i 是电感线圈l l 的损耗电阻。u s 在l 1 线圈上产生l 1 的高频电流i 在谐振时最大，高频电流产生的磁场穿过线圈，并有部分磁力线 穿过距阅读器电感线圈l l 一定距离的应答器的电感线圈l 2 。由于所用工作频 率范围内的波长比阅读器与应答器线圈之间的距离大好多倍。因此两线圈间的 电磁场可以当作简单的交变磁场。穿过电感线圈l 2 的磁力线，通过感应，在 l 2 上产生电压u 2 ，将其整流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器 c 2 的选择应使l 2c 2 构成对工作频率谐振的回路，这样，使电压u 2 达到最大值。 电感线圈l l 和l 2 也可以看作是一个变压器的初次级，只不过它们之间的 耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以主要适用于低电流电路。 磁场h 图2 - 3 电感耦合方式 应答器至阅读器的数据传输采用负载调制的方法。负载调制的原理图如图 2 - 4 所示。 阅读器 图2 - 4 负载调制 如果应答器以二进制码串控制开关芯片上的场效应管，则应答器线圈上的 负载电阻按二进制码串的1 、0 变化而接通和断开，该变化通过l 2 映射到l l ， 使l i 上的电压亦按此规律变化，该电压变化通过滤波放大电路，并经解调后恢 复为应答器端控制开关的二进制码串，因此，二进制码串信息从应答器传到了 阅读器。 由于阅读器天线与应答器天线之间的耦合很弱，阅读器天线上表示有用信 号的电压波动在数量级上比阅读器的输出电压小。因为检测这些很小的电压变 化需在电路上花费巨大开销，所以利用由天线电压振幅调制所产生的调制波边 带。 如果应答器的附加负载电阻以很高的时钟频率磊接通或断开，那么在阅读 器发送频率名的距离上产生两条谱线，它们是容易检测到的。我们把这种新 的基本频率称作副载波。 阅读器向应答器的数据传输可以采用多种数字调制方式中的一种，通常为 振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 。 以上介绍的阅读器和应答器的数据传输过程中阅读器一直保持着向应答器 传输能量。而时序法则不一样，在这种方法中，阅读器到应答器的数据传输和 能量传输占用一个连续的时隙，在此时间内，应答器获取能量而不发送数据。 在两次能量供应的间隙时间，应答器完成向阅读器的数据传送。这种时间上的 交错如图2 5 所示。 下传 图2 5时序法中的能量与数据传送 电感耦合的时序方式仅适合在1 3 5 k h z 以下频率范围内工作。在时序方式 下，阅读器的发送器仅在传输能量时工作，传输能量在应答器中给电容器充电， 以存储能量。在充电过程中，应答器处于低功耗省电模式，从而使接收到的能 量几乎完全用于充电电容器的充电。在固定的充电时间结束后，断开阅读器的 发送器。 在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传输数据时间内所应付出的 能耗。应答器可用的能量由充电电容器的电容量和充电时间决定。应答器中需 要有一个容量较大的电容，给实际使用也带来了一定的不便。 充电结束后，应答器上的振荡器被激活，振荡频率由应答器射频前端的l c 回路确定，应和阅读器的发送频率相同。该振荡器被调制后，将调制的二迸制 数据经磁场耦合，被阅读器接收。 2 4 2 数据的编码与调制 为了使信号在数字信道中有效地传输，必须将信源发出的信号进行变换， 使之成为合适的数字脉冲串( 一般为二进制脉冲) ，这就是信号的编码。在通信 中，信号编码的目的主要有两个：将信号变换为适合数字通信系统传输的数字 信号形式；通过信号编码提高信号的有效性，尽可能减少原消息中的冗余度， 使单位频带所传的信息量最大【1 8 】。 对于不同的传输系统，由于信道特性的指标不同而采用不同的数字脉冲波 形。在射频识别系统中，我们通常采用矩形脉冲，主要的编码类型有： n r z 编码，“高”信号表示1 ，“低”信号表示0 ，在f s k 和p s k 调制 中几乎仅仅使用n r z 编码； 曼彻斯特编码，在半个比特周期的正边沿表示1 ，在半个比特周期的 负边沿表示0 ，曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制时常用于从应答器到阅 读器的数据传输； 单极归零制编码，在第一个半比特周期中的“高信号”表示二进制1 ， 而持续整个比特周期的“低”信号表示二进制o ； 差动双相编码，在半比特周期中的任意的边沿表示二进制0 ，而没有 边沿就是二进制l ； 米勒编码【1 9 之们，在半比特周期的任意边沿表示1 ，而经过下一个比特 周期中不变的1 电平表示0 ； 差动编码，每个要传输的1 将引起信号电平的改变，而0 使电平保持 不变。 在为射频识别系统选择编码类型时，首先要考虑调制后的信号频谱以及对 输入故障的敏感度，尤其对无源应答器来讲，如果读写器发送信号的编码和调 制方法组合不当，会造成应答器能力供应的中断，从而影响通信的质量。 经过编码的信号一般不能在信道中直接传送，必须用调制的方式对载波信 号的某些参数进行控制，使载波的这些参数随基带信号( 编码后的信号) 的变 化而变化。从原理上讲，受调载波的波形可以是任意的，只要调制后的信号适 合于传输就可以。在大多数数字通信系统中都选择正弦信号作为载波，这是因 为正弦信号形式简单便于产生和接收。 传统的无线电技术中，主要使用众所周知的模拟调制方法。根据电磁波的 三个信号参数可区分为振幅调制、频率调制和相位调制三种基本形式，并可派 生出多种其它形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没什么区别，不过模 拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量 连续进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信 息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此，数字调制信 号也称为键控信号。 射频识别系统采用的调制方法是振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和移 相键控( p s k ) 三种之一的数字调制法。 第三章r f i d 防碰撞问题介绍及相关标准 3 1r f i d 防碰撞问题的两种形式 在r f i d 系统中，存在着两种基本的通信：从阅读器到标签的通信和从标签 到阅读器的通信。射频识别的一个优点就是多个目标识别。在射频识别系统工 作时，在阅读器作用范围内，可能会有多个标签同时存在。在多个阅读器与多 标签的射频识别系统中，存在着两种形式的冲突方式，一种是同一标签同时收 到不同阅读器发出的命令，另一种是一个阅读器同时收到多个不同标签返回的 数据。在很多情况下。阅读器射频区可能会有多个标签存在，面对阅读器发出 的命令，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。r f i d 系 统会采用一定的策略或算法来避免冲突现象的发生，控制标签的响应信息逐个 通过射频信道被阅读器接收。防碰撞问题的研究主要解决两个问题：一是如何避 免或减少阅读器与标签之间的冲突问题。二是避免或减少阅读器之间的干扰碰 撞问题。 3 2 防碰撞算法的原理 射频识别系统中一般存在有三种不同通信形式。第一种是“无线广播”式 2 1 】，即在一个阅读器的阅读范围内存在多个标签，阅读器发出的数据流同时被 多个标签接收。这可以同数百个无线电广播接收机同时接收一个发送信息类似， 而信息是由一个无线电广播发射机发射的。第二种是在阅读器的作用范围有多 个标签同时传输数据给阅读器，这种通信形式称为多路存取通信。第三种是多 个阅读器同时给多个标签发送数据。现在射频识别系统中这种情况很少遇到， 常常遇到多路存取这种通信方式。 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【2 2 】。如果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。如果有多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，则标签的应答信号就 会相互干扰形成所谓的数据冲突，从而造成阅读器和标签之间的通信失败。为了防止 这些冲突的产生，r f i d 系统中需要设置一定的相关命令，解决冲突问题，这些命令 被称为“防冲突命令或算法( a n t ic o l l i s i o na l g o r i t h m s ) ”。 3 3防碰撞算法的分类 在无线通信技术中，通信冲突的问题是长久以来存在的问题，但同时也研 究出许多相应的解决方法。基本上有四种不同的方法：空分多路法、频分多路法、 码分多路法和时分多路法。下面分别介绍这四种方法【2 3 。2 5 】。 3 3 1 空分多路法 空分多路法是在分离的空间范围内进行多个目标识别的技术。一种方式是 将读头和天线的作用距离按空间区域进行划分，把多个阅读器和天线旋转在这 个阵列中。这样，当标签进入不同的阅读器范围时，就可以从空间上将电子标 签区别丌来。其实现的另外一种方式可以在阅读器上利用一个相控阵天线，并 使天线的方向性图对准某个标签，所以不同标签可以根据其在阅读器作用范围 内的角度位置开来空分多路方法的缺点是的复杂的天线系统和相当高的实施 费用，因此采用这种技术的系统一般是在一些特殊应用场合，例如这种方法在 大型的马拉松活动中获得了成功。 3 3 2 频分多路法 频分多路法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用 的技术。一般情况下，这种射频识别系统下行链路( 从阅读器到标签) 频率是固 定的，用于能量供应和命令数据的传输。而对于上行链路( 从标签到阅读器) ， 射频标签可以采用不同的、独立的副载波频率进行数据传输。频分多路的缺点 是阅读器的成本高，因为每个接收通路必须有自己的单独接收器供使用，射频 标签的差异更为麻烦。 3 3 3 时分多路法 时分多路法是把整个可供使用的通路容量按时问分配给多个用户的技术。 时分多路首先在数字移动系统范围推广使用。对射频识别系统来说，时分多路 是防碰撞算法最大的一族。这种方法又可分为标签控制法和阅读器控制法。标 签控制法的工作是非同步的，因为这里没有阅读器的数据传输控制，例如 a l o h a 法。按照射频标签成功完成数据读取后是否通过阅读器发出的命令进入 “静止”状态( 即不再发送自己的i d 号和数据) ，标签控制法又可分为“开关断 开法”和“非开关法”。在阅读器控制法中，所有的射频标签同时由阅读器进 行观察和控制。通过一种规定的算法，在阅读器作用范围内，首先在选择的标 签组中选中一个标签，然后完成阅读器和标签之间的通信( 如识别、读出和写入 数据) 。在同一时间只能建立一个通信关系，所以如果要选择另外一个标签，应 该解除与原来标签的通信关系。阅读器控制方法可以进一步划分为“轮询法” 和“二进制搜索法”等。轮询算法是r f i d 系统最基本的防碰撞算法。它需要有 所有可能用到的射频标签的序列号清单。所有的序列号被阅读器依次询问，直 至某个有相同序列号的射频标签响应为止。在只少数有标签的系统中，每个标 签都有自己固定的序列号，阅读器根据序列号依次询问每个标签，处于射频区 的标签接到属于自己的询问指令后响应阅读器。轮询算法易于实现，但是缺点 也很明显。对于标签数目比较多的r f i d 系统，运用这种算法会使防碰撞速度非 常慢。应用最广泛的是使用“二进制搜索法”，对这种方法来说，为了从一组 标签中选择其中之一，阅读器发出一个请求命令，阅读器通过合适的信号编码， 能够确定发生碰撞的准确比特位置，从而对电子标签返回的数据做出进一步的 判断，发出另外的请求命令，以最终确定阅读器作用范围的所有标签。二进制 搜索算法是最常用的r f i d 系统防碰撞算法，国际标准i s 0 1 4 4 4 3 a 所用的防碰撞 算法也是基于二进制搜索的思想。二进制搜索算法非常灵活，不会发生防碰撞 失败的情况。对于n 个标签冲突的情况，最多只需要n 1 次防碰撞循环就能将适 合的标签准确的识别出来。这种算法的基本思想就是阅读器判断出标签序列号 发送时产生的数据冲突位置，然后强制地命令那些在冲突位置发送信息为“1 ” 的标签退出冲突。当n 1 个标签退出冲突后信道就会被剩下的一个标签所完全 占有并被阅读器识别出来。 3 3 4 码分多路法 c d m a 是数字技术的分支一扩频通信技术发展起来的一种崭新的无线通信 技术。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，而用户具有特征码，即c d m a 包含 扩频( s s s p r e a ds p e c t r u m ) 与分码两个基本概念。扩频是信息带宽的扩展，即把 需要传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪 随机( p n ) 码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。 接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号 转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。码分是实现用户信道 和基站的标识问题。可以用不同移相的伪随机系列来实现基站的码分选址，用 一定的算法实现信道的选择，用周期足够长的p n 序列实现用户的识别和多速率 业务的识别。c d m a 缺点是频带利用率低、信道容量较小；地址码选择较难；接收 时地址码捕获时间较长。其通信频带及其技术复杂性等很难在r f i d 系统中推广 应用。 3 4 基于t d m a 的r f i d 阅读器控制防碰撞算法及设计要求 以上所介绍的实现防碰撞基本上的4 种不同方法中，时分多路( t d m a ) 法是把整 个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。t d m a 在数字移动无线电系统 中得到广泛应用。考虑到r f i d 系统通信形式、功耗、系统的复杂性及成本等因素， 选择t d m a 来实现射频识别系统的防碰撞机制是最普遍的方法。 t d m a 法通常被分为两大类：阅读器控制防碰撞法和标签控制防碰撞法。 阅读器控制防碰撞法是以阅读器为主动控制器，进入射频场的所有标签同时由阅 读器进行控制和检查。阅读器依据标签的i d 号( i d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ) 首先向标签发射 不同的询问信号或指令，阅读器依据选举方法或二进制树搜索方法，在同一时间内总 是建立起一个通信关系，并且可以快速地按时间顺序操作标签。 标签控制法以标签为主控制器，阅读器对数据传输没有控制。阅读器发出指令后， 由标签依据自己的i d 号( 每个标签的i d 号是唯一的) 随机产生应答时间。这时阅读器 发送信息如果有冲突，则标签要等到下一个时隙到来时再重新产生响应时间( 即自动 排队) ，使标签在不同的时间段发回数据，阅读器只是被动的接收数据。若有两张以 上的标签同时反应，则阅读器认为该数据无效，会重发指令，直到识别出场中的所有 标签。 本文主要针对阅读器控制法，即基于t d m a 的二进制搜索防碰撞算法进行分析 和研究，并分别在性能上作分析。二进制搜索算法的思路是：通过定义阅读器与多个 标签之间一组规定的指令序列，从中选出一张卡，并完成二者的数据交换。 基于t d m a 的r f i d 阅读器防碰撞技术主要解决r f i d 系统一次可以完成对多个 标签的识别问题。假设同时进入阅读器天线区域的标签共有n 个，设计要求如下： 当1 1 ) 的情况下，能识别n 个标签并依次与它们完成通信。 平均响应时间t 足够短。f 为某一时段内完成通信的所有标签在系统内的平均停留时问。t 与算 法有关，允许z 1 ( 4 - 8 ) 1 + 三一1 n 此时从上式( 4 8 ) 可知当标签数量和帧大小大致相同时，系统效率最大。由 此可以得出如果限制响应标签的数量为帧大小时，可以使系统效率最大。如果 未读标签的数量足够大( 超过了帧大小时) ，可以通过对标签进行分簇，仅允许 一个分簇来响应阅读器的方式对响应标签进行限制。通过取模来进行： 簇数m = 未读标签数n ，n 为最大的帧大小 考虑到计算的方便，把标签数分别按1 ，2 ，4 ，8 进行分簇，当帧大小设定 啡 晒 ” 。 系统效率 为n = 2 5 6 时，可以得到如图4 3 所示，当未读标签和帧大小大致相等时，这个算 法的系统效率是3 6 8 。 o 4 o 3 5 o 3 系o 2 5 统 效0 2 率o 1 5 一。、，、_ 一。一 ， ，一 ，。，、， ， ，“、 。，。 、 ， j 。7 。 ， 一k j j， 、 _ j， j ， j， 、一 i， ? ， ， 7 ， ， ， 标签分簇数为l ，7 标签分簇数为2 标签分簇数为4 髟 一一标签分簇数为8 标签数量 图4 - 3 系统效率与标签分簇数图 当未读标签的数量比帧的大小少时，如果不用模运算运行分簇并且减少了 帧大小，可以得到更高的系统效率。图4 4 表明了当帧长发生改变时系统效率的 变化。 0 4 o3 5 o3 0 2 5 系 统0 2 效 盎0 1 5 0 l ? “。 ，、一，、 。、 、 、 是，j ，八 、 i ! ， 、， 、 - = ! ， 臻 、 、 - ： 、 、 - ；， 7、 i y 、 - 1 i i ；? 八 7 、 、 、 、 、 ? 、 、 ， 1 6 、 孽! i 、 一一一3 2 、 6 4 矽 、 1 2 5 吼k t 、 2 5 6 - _ 、- l l 如 2 0 0 2 如枷3 5 0枷 图4 4 系统效率与帧大小的关系 e d f s a 算法选择帧大小，并且进行模运算这样可以取得比任何其它结合这 两种方法的算法更高的效率。无论是模2