（通信与信息系统专业论文）超高频rfid读取防碰撞算法研究与实现.pdf

摘要 摘要 无线射频识别技术( r f i d ) 是一种非接触的自动识别技术，具有识别距离远、 穿透能力强、多物体识别等优点，现已广泛应用于自动化、交通运输、控制管理、 产品服务、证件防伪等领域，成为当前物联网研究热点技术之一。当阅读器作用 范围内存在多个标签，同一时刻有两个或以上的标签向读写器返回信息时，将产 生冲突，其结果会导致传输失败。因此需要制定防碰撞算法，尽量避免或减小碰 撞，从而提高r f i d 系统的标签读取效率。 目前，r f i d 防碰撞算法的研究主要集中在a l o h a 时隙防碰撞算法和二叉树搜 索防碰撞算法。但a l o h a 时隙防碰撞算法存在某个标签始终无法被识别的现象； 二叉树搜索算法可以避免这个问题，但当标签数量比较大时，识别周期长，影响 了r f i d 读写器的效率。 本文内容分为两部分，第一部分主要是对广泛应用的i n t e lr 1 0 0 0 超高频读写 器进行组网测试，该读写器固有算法以i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法为基础，但并 未完全实现该标准。论文分析了固有算法的缺陷，并通过n s 2 对标准算法进行仿 真，对固有算法提出一些改进方法。第二部分是基于i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 超高频 r f i d 标准，提出了一种新型时隙不完全竞争防碰撞算法( s p c ：s l o t - b a s e dp a r t i a l c o m p e t i t i v ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ) ，该算法首次将动态二叉树搜索技术引入竞 争性冲突避免机制，并加入了对空闲时隙和碰撞时隙的特殊处理策略。本文还基 于n s 2 平台建立了多标签读取仿真模型，分析对比了动态二叉树搜索算法， i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法和s p c 算法三种算法的多标签读取性能，仿真结果表 明s p c 算法识别时间分别比动态二叉树搜索算法和1 8 0 0 0 6 c 标准算法缩短约 3 0 和2 0 ，识别率比1 8 0 0 0 6 c 算法提高约3 5 ，具有良好的应用价值。 关键词：时隙；a l o h a ；二叉树搜索；r f i d ；不完全竞争 a b s t r a c t a bs 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 ) i san o n c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h e i rl o n gi d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c e ，s t r o n gp e n e t r a t i n ga b i l i t y ， m u l t i o b j e c tr e c o g n i t i o n ，t h et e c h n o l o g yi s n o ww i d e l yu s e di n a u t o m a t i o n ， t r a n s p o r t a t i o n ， c o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，p r o d u c ts e r v i c e sa n dc e a i f i c a t e sa n t i - f o r g e y a r e a s i ti so n eo fc u r r e n tr e s e a r c hh o tt e c h n o l o g i e so f “i n t e m e to ft h i n g s ”w h e nm o r e t h a no n et a gs e n dd a t aa tt h es a m et i m ei nt h es c o p eo ft h er e a d e r ，c o l l i s i o n sw i l l h a p p e n t h er e s u l t s w i l ll e a dt ot r a n s m i s s i o n f a i l u r e t h e r e f o r e ，a n t i - c o l l i s i o n a l g o r i t h m i sn e e d e dt oa v o i do rr e d u c et h e c o l l i s i o n ，t h e r e b ye n h a n c i n gt a g i d e n t i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo fr f i ds y s t e m a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fa n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mi nr f i di sf o c u s e do nt h e a l o h as l o ta n t i c o l l i s i o na l g o r i t h ma n db i n a r yt r e es e a r c ha n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m h o w e v e r ，a l o h as l o t sa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h me x i s tt h ep h e n o m e n o nt h a tal a b e lc a n n e v e rb ei d e n t i f i e d b i n a r ys e a r c ha l g o r i t h mc a na v o i dt h i sp r o b l e m ，b u tw h e nt h e r e l a t i v e l yl a r g en u m b e ro ft a g sa r en e e d e dt oi d e n t i f y ，t h er e a d e rn e e d sal o n g i d e n t i f i c a t i o nc y c l e t h u st h er f i dr e a d e re f f i c i e n c yi sa f f e c t e d t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s tp a r ti sm a i n l ya p p l i e dt h ei n t e l r 10 0 0u h fr e a d e rt oc o n d u c tn e t w o r kt e s t 。t h er e a d e rsi n h e r e n ta l g o r i t h mi sb a s e d o ni s o i e c18 0 0 0 - 6 cs t a n d a r da l g o r i t h m s b u ti tn o tf u l l yr e a l i z e st h es t a n d a r d a l g o r i t h m t h ep a p e ra n a l y z et h ed e f e c t si nt h ei n h e r e n ta l g o r i t h m b yt h es i m u l a t i o n o fs t a n d a r da l g o r i t h mb a s e do nn s 2 ，t h ei m p r o v e m e n to fi n h e r e n t a l g o r i t h m s i s p r o p o s e d b a s e do nt h ei s o i e c 18 0 0 0 6 cu h fr f i ds t a n d a r da l g o r i t h m s ，t h i s p a p e rp r o p o s e dan e ws l o t b a s e dp a r t i a lc o m p e t i t i v e ( s p c ) a n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m ， w h i c hi n t r o d u c e sd y n a m i cb i n a r yt r e es e a r c ht e c h n o l o g yi n t ot h ec o m p e t i t i v ec o l l i s i o n a v o i d a n c em e c h a n i s mf o rt h ef i r s tt i m e m o r e o v e r ，t h es p ca l g o r i t h ma p p l i e st h e s p e c i f i ct e c h n o l o g i e st oi d l es l o t sa n dc o l l i s i o ns l o t s t h ep e r f o r m a n c e so ft h ed y n a m i c b i n a r yt r e es e a r c h ，18 0 0 0 6 ca n dt h es p ca l g o r i t h ma r ec o m p a r e dv i an s - 2m u l t i t a g i d e n t i f i c a t i o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es p c i i a b s t r a c t a l g o r i t h mi sa b l et on o to n l yr e d u c et h er e c o g n i t i o nt i m eb y3 0 a n d2 0 c o m p a r e d w i t ht h eb i n a r yt r e es e a r c ha l g o r i t h ma n dt h e18 0 0 0 6 ca l g o r i t h m ，r e s p e c t i v e l y ，b u t a l s oi m p r o v et h er e c o g n i t i o nr a t eb y3 5 c o m p a r e d 、析t l l18 0 0 0 - 6 ca l g o r i t h m t h e a l g o r i t h mh a sag o o dv a l u e k e y w o r d s ：s l o t ；a l o h a ；b i n a r yt r e es e a r c h ；r f i d ；p a r t i a lc o m p e t i t i v e i i i 图目录 图目录 图1 1r f i d 系统示意图2 图2 1时隙a l o h a 算法示意图5 图2 2帧时隙m o h a 算法示意图一6 图2 3读写器调制波形8 图2 4标签信号调制。9 图2 51 8 0 0 0 6 c 标准算法示意图1 2 图2 - 6多天线读写器读取标签示意图1 4 图2 7多读写器读取标签示意图1 5 图2 8多读写器协同示意图1 6 图3 1s e l e c t 发送次数与漏读个数的关系2 3 图3 2q u e r y 发送次数与漏读个数的关系2 4 图3 3两种算法漏读个数比较2 5 图4 1曼彻斯特编码按位识别碰撞示意图2 8 图4 2碰撞时隙标签识别示意图3 5 图5 一l仿真模块设计图3 9 图5 2m a c 层模块设计4 0 图5 3函数调用流程示意图4 2 图5 - 4 q 参数调整示意图4 2 图5 5分组头格式4 4 图5 6平均碰撞次数与标签总数的关系4 5 图5 7漏读个数与误码率的关系4 6 图5 8标签总数与识别时间的关系- 4 7 v h 表目录 表目录 表2 1平均传输时延对比9 表2 - 2q u e r y 命令10 表2 3天线参数13 表2 4一对天线识别标签情况17 表2 5多天线防碰撞算法a 测试参数表1 8 表2 6多天线防碰撞算法a 的测试结果18 表2 7多天线防碰撞算法b 测试参数表1 9 表2 8多天线防碰撞算法b 的测试结果1 9 表5 1仿真参数表4 5 v i i i 缩略词表 英文缩写 s p c i t f i d m a c d s b a s k 英文全称 缩略词表 中文释义 s l o t - b a s e dp a r t i a lc o m p e t i t i v e时隙不完全竞争 r a d i o f r q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 射频识别 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l介质访问控制 d o u b l e - s i d eb a n da m p l i t u d es h i f tk e y i n g双边带幅值键控 s s b - a s k s i n g l e - s i d eb a n da m p l i t u d es h i f tk e y i n g单边带幅值键控 p r - a s kp h a s e r e v e r s a la m p l i t u d es h i f tk e y i n g 反相幅值键控 n s t d 【a n e t w o r ks i m u l a t o r网络仿真器 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址接入 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工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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。 签名： 壅豹缉! 日期：7 _ o l o 年乡月7日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：杨尹手 导师签名：跨曼纠彻弓 日期：z o o 年乡月7 日 第一章引言 1 1研究背景及意义 第一章引言弟一早ji 目 射频识别技术( r a d i of r q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触式的自动 识别技术，它通过射频信号自动识别目标前对象并获取相关数据，识别过程无须 人工干预，可工作于各种恶劣的环境。该技术是从二十世纪八十年代走向成熟的。 随着大规模集成电路技术的成熟，射频识别系统的体积大大缩小，r f i d 系统开 始进入实用化阶段。r f i d 在对象识别、跟踪、资产管理、库存控制等领域应用 广泛，是现代工业进步的保证。读写器通过无线信道和标签通信，标签贴在物体 上具有唯一的i d 号，标签将自身i d 传送给读写器达到身份识别的目的【l 】。r f i d 技术是物联网核心技术，物联网就是利用r f i d 技术，结合已有的网络技术、数 据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成 的比互联网更为庞大的物联网【2 】。因此，r f i d 成为了物联网发展的排头兵。有专 家认为，射频识别行业将从中受益。r f i d 领域处于物联网发展的最前端，也是 实现物联网的基础技术之一。 r f i d 系统工作的时候，由于读写器和标签在一个共享的无线信道中通信， 就可能出现信号的碰撞。碰撞分为阅读器碰撞和标签碰撞两种，读写器碰撞是指 两个邻近的读写器同时对一个标签进行识别，造成标签不能对任何一个读写器进 行回应。这种碰撞很容易解决，因为读写器功能强大可以检测出碰撞，并且读写 器之间可以进行相互通信【3 】。而标签由于自身功能少，不能发射信号，只能通过 读写器反射过来的信号将自身的i d 传送给读写器，因此标签无法感知周围其它 标签的存在，更不能检测到碰撞。这样当有多个标签同时发送数据的时候就会出 现数据的干扰，这个干扰被称为碰撞( c o l l i s i o n ) ，其结果将会导致一次传输的失败 1 4 j 。目前主要有a l o h a 时隙防碰撞算法和二叉树搜索算法两大类算法，a l o h a 时隙 防碰撞算法识别速度快，缺点是识别率低；二叉树搜索算法识别率高，但当标签 数量比较大时识别速度慢。在实际应用中，r f i d 系统必须在高误码率环境下， 以最快的速度无漏读的识别大量标签。这就需要结合两种算法的优点设计一种新 的算法，提高r f i d 系统识别速度和标签读取率。 电子科技大学硕士学位论文 12主要研究内容 解决冲突的算法称为反碰撞算法。本文主要针对防碰撞算法进行咀下研究： ( 1 ) 研究r f i d 标签读取防碰撞算法的分类、协议流程和特点，整理r f i d 系统性能评估的基本方法、目前国内外研究进展及存在的基本问题。 ( 2 ) 掌握时隙a l o h a 算法的原理，阅读i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 c 标准，运用超高 频读写器i n t e lr 1 0 0 0 进行组网测试，根据测试结果研究读写器固有算法的缺陷 与不足，运用1 8 0 0 06 c 标准算法对固有算法提出一些改进方法，并进行仿真分析， 对比改进前后的性能。 ( 3 ) 研究i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法，分析标准算法的缺陷与不足吸收 二叉树搜索算法识别率高的优势，提出一种全新的算法：r f i d 系统时隙不完全竞 争防碰撞算法( s p c ) 算法。 ( 4 ) 运用n s 2 进行仿真，对比s p c 算法、i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法二叉 树搜索算法这三种算法在延时、识别率和标签平均碰撞次数方面的性能差别。 13国内外研究现状 后台控制 器 图i 1r f i d 系统示意围 由图i - 1 所示，典型的r f i d 系统主要包括两部分：标签( t a g ) 和读写器 ( r e a d e r ) 。标签适用于对象身份识别，它的主要模块集成在一个芯片中，芯片上内 存用来存储i d 或其他数据。读写器主要由一个r f 模块和控制单元组成，通常有 内置天线，通过射频信号与标签通信，标签将自身i d 号发送给读写器，达到身 第一章引言 份识别的目的。当阅读器作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或以上的标 签向读写器返回信息时，将产生冲突，称为标签冲突【5 】， 目前低频段和高频段的r d i d 技术已经比较成熟，而超高频段尚在起步阶段， 各标准化组织对该频段的r f i d 标准不断的进行完善中，其中关于超高频r f i d 的标准i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 应用最为广泛，国内标准也在积极的筹备之中。本论文 的工作正是在这种情况下对r f i d 技术中的防碰撞算法进行研究。其中以基于帧 时隙a l o h a 算法和二叉树搜索算法的应用晟为广泛。 r f i d 系统的防碰撞算法通常分为a l o h a 算法和二叉树搜索算法。a l o h a 算法 又分为时隙a l o h a ，帧时隙a l o h a ，时隙随机a l o h a 等。文献 6 】提出了二叉树搜索 算法，该算法的实现中使用了曼彻斯特编码，该算法的原理是阅读器对区域内所 有标签同时发送读取命令，收到读写器询问命令的所有标签在同一时刻开始传送 其i d 或其他数据，r f i d 读写器在接收标签数据时利用曼彻斯特编码准确地检测 碰撞位的发生，从而可以在多标签响应时按位识别出碰撞，根据碰撞的位置，按 一定法则重新搜索读写器区域内的所有标签。文献 7 提出了基于返回式二进制树 形搜索算法，由于读写器性能复杂，具有良好的记忆性能，该算法主要是指当阅 读器检测不到碰撞时，下一次r e q u s e t 命令的序列号可从上一层的r e q u e s t 命令的序列号获得，从而减少了搜索次数，在信道中传输的数据减少，增加了吞 吐量，使读写器可以迅速识别别标签。传统的二进制算法需要传输的数据量大， 传输时间长，影响了r f i d 系统的效率。文献 8 】提出的动态二叉树搜索算法把传 输的数据分成两部分，收发双方各自传送其中一部分数据，可把传输的数据减小 到一半，提高了信道利用率，达到缩短传输时间的目的。i s o f l e c1 8 0 0 0 6 b 标准 则采用了一种典型的动态二叉树搜索算法。该算法的优点是识别率高，在一定的 误码率下无漏读产生。缺点是当标签数量增加时，搜索次数增加，识别速度会很 慢，影响r f i d 系统效率。 帧时隙a l o h a 算法是在时隙a l o h a 算法的基础上，把n 个时隙组成一帧，标 签在每个帧中随机选择一个时隙发送数据以减少标签冲突概率【9 】。而在时隙随机 a l o h a 已经没有了帧的概念，读写器可以在一个识别周期内随时更改时隙数，让 前个周期未被识别的标签在这个识别周期重新选择时隙，实现时隙数和标签个数 的自适应调整u o 。 时隙随机a 1 0 h a 算法被i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准采用，该标准已经成为全球性 超高频r f i d 主流规范之一，在业界得到广泛应用。i n t e l 公司提供的r 1 0 0 0 超 高频读写器芯片使用了该标准1 1 1 1 。 3 电子科技大学硕士学位论文 理论q 值算法是一种与前两种算法完全不同的算法，这种算法可以估算出在 读写器前大约有多少标签，从而选择最佳的q 初值。该算法是从时隙算法发展过 来的，他把所有的时隙分为三类，第一种是一个时隙内没有一个标签反射信号； 第二种是一个时隙内只有一个标签反射信号，这是我们要想达到的最理想的目标： 第三种就是一个时隙有多个标签同时发射信号，造成读写冲突。这里要用到大数 定律，假设一个循环共有n 个时隙，读写器范围内有k 个标签，经过一次循环后， 就可以根据相应的计算公式，推算出k 的数值，然后可以计算出q 值，尽量使q 值和标签数k 接近，从而可以使读写器读取标签达到最佳效果【1 2 】【l 3 1 。 1 4论文组织结构 本文主要对r f i d 系统时隙不完全竞争算法进行了研究，重点关注读写器识 别标签的延时、识别率及标签平均碰撞次数等性能参数。 第一章简要介绍了本文的研究背景和意义，讨论了目前r f i d 防碰撞算法的 研究现状，阐述了本文的主要工作。 第二章论述了i s o i e c18 0 0 0 6 c 标准算法，分析其协议流程。并用应用该标 准算法的超高频读写器i n t e lr 1 0 0 0 进行读标签测试，分析了测试结果，提出了一 些改进的测试方法。 第三章分析了i m e lr 1 0 0 0 读写器固有算法的缺陷与不足，通过i s o i e c 1 8 0 0 0 6 c 标准算法，对固有算法提出一些改进方法，并对改进后的算法进行分析 仿真。 第四章基于i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法，引入二叉搜索机制，设计了r f i d 系统时隙不完全竞争防碰撞算法，并对该算法的思想和算法流程进行了详细的介 绍分析。 第五章应用n s 2 网络仿真工具完成了r f i d 系统时隙不完全竞争算法的仿真 模块设计，对其性能进行了仿真验证，并对仿真结果进行分析和对比。 第六章对全文进行了总结，并提出有待进一步解决的问题。 4 第二章i s o f l e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法概述及应用 第二章i s o ，i e c18 0 0 0 6 c 标准算法概述及应用 本章首先对i s o f l e c1 8 0 0 0 6 c 协议从物理层到m a c 层进行了分析，i n t e l r 1 0 0 0 超高频读写器算法是以1 8 0 0 0 6 c 标准算法为基础的，为了验证1 8 0 0 0 6 c 算法的优劣，应用r 1 0 0 0 读写器进行了组网测试，并对测试结果进行了分析。 2 1 时隙防碰撞算法 i s o 九e c1 8 0 0 0 - 6 c 标准算法是在a l o h a 算法的基础上发展过来的，a l o h a 算 法不断改进，期间出现了时隙a l o h a 、帧时隙a l l o h a 和动态帧时隙a l o h a 等算法。 下面介绍一下这几种算法，从而可以更好的了解1 8 0 0 0 6 c 标准算法。 2 11 时隙a l o h a 算法 a l o h a 算法最初用来解决网络通信中数据包拥塞问题，目前被广泛应用在 r t i d 系统中。标签一进入读写器的阅读区域就自动向读写器发送其自身的i d 或 数据，标签和读写器开始通信，这称为“标签先发言”的方式【l 。 在纯a l o h a 系统中，用户可以在任意时间发送数据，通过监听信道来了解发 送是否成功。如不成功，则重新发送。通过一系列的分析和计算，最后得出信道 的最大利用率为1 84 。分析纯a l o h a 算法的运行机制，发现当一个标签发送数 据给读写器时，假如此时另外一个标签也开始发送数据给读写器，这时标签的数 据不可避免地发生碰撞i i 。针对这个缺陷，人们提出了时隙a l o h a 算法。 十z 重垃 一川 图2 1 时隙a l o h a 算法示意图 电子科技人学硕七学位论立 由图2 1 所示，时隙a l o h a 算法的基本思想足将时间分成时间片，每个时间 片可以用来发送一个帧；标签仅能在每个时间片的开始传输数据，用户有数据要 发送时，必须等到下一个时间片的开始才能发送。这些时间片称之为时隙，标签 就在这些时隙内传输数据，这些时隙是由读写器控制的，只有当读写器分配所有 的时隙后，标签才能利用这些时隙传输数据，通过分析其信道的壤大利用率可达 到3 68 1 1 ”。因为标签只在确定的时隙中传输自身i d 或数据，所以该算法的碰撞 概率仅仅是纯a l o h a 算法的一半；同时时隙a l o h a 算法的吞口土量比纯a l o h a 算法 的吞吐量增加一倍。 2 12 帧时隙a l o h a 算法 图2 2 所示为帧时隙a l o h a 算法工作原理，在r f i d 系统中，帧时隙a l o h a 算法的“帧”是由读写器定义的一段时间长度，其巾包括若干叫隙【l7 1 。标签在每 个帧内随机选择一个时隙发送数据，所有标签应答同步，即只能在时隙( s 1 0 0 开始 点向读写器发送信息。时隙可以分为三类：空闲时隙、应答时隙和碰撞时隙。在 空闲时隙没有t ；! 别仟何标签，应菩时隙可以正确识别一个标签。当一个时隙有两 个或两个以上的标签同时应答就会产生碰撞，称为碰撞时隙i ”。 标签 1 标签 2 标签 3 标签 4 茫享信 道 _ 广隧 图2 - 2 帧时隙a l o h a 算法不恿曰 每个标签在一个帧中只能被识别一次，这样如果标签数远远多于固定的时隙 数，会产生过多的碰撞；反之，会产生较多空闲时隙，造成资源浪费【嘲。只有在 标签数和一个帧的时隙数差不多的情况下，信道的利用率比较高。即帧时隙a l o h a 算法的时隙数不能根据读写器周围的标签数而变化，系统无法获得稳定的吞吐量 口0 1 第二章i s 0 i e c18 0 0 0 6 c 标准算法概述及应用 2 1 3 动态帧时隙a l o h a 算法 文献【2 1 】提出的动态帧时隙a l o h a 算法是每帧时隙数都会根据标签数的不l 司 而变化。为获得系统最大吞吐率，该算法需要在识别过程中估算标签数，用以确 定匹配的时隙数。 读写器不能获取标签的具体数量，只能根据上一帧中碰撞时隙、空闲时隙和 只有一个标签选择的时隙的关系来调整时隙。如果上一帧中碰撞时隙大于空闲时 隙，说明帧的时隙数小于标签数，应增大帧的时隙数；反之，应减小帧的时隙数 【2 2 】 o 设标签总数为k ，帧时隙长度为n ，其中空闲时隙数为i 个，碰撞时隙数为c 个，成功时隙数s 个。则i + c + s = n 。假设一个时隙为成功时隙的概率为p ，为空 闲时隙的概率为p ，为碰撞时隙的概率为p ；三种时隙的概率及期望值如下所示： 只= 丁k ( n - 1 ) k - i 删= 心= 等磐； 忍= 掣坝d = 肥= 譬； p 。= l - 只- p ，= 1 一等箬一学删= 幄= 一可k ( n - 一1 ) k - i 一簪 读写器效率：成功时隙的婀总时隙数：等：= 弘i k - l ，求读写器效率的最 大值需要使上式的导数等于0 ，对上式以n 为未知数求导： 譬) ：_ k ( 1 - 卜l _ _ ? - i ) f - c 即一护) 专嘲一护寿 = k ( k 一1 ) ( 1 一万1 ) 扣2 ( 一1 ) ( 一1 ) 一2 + k ( 1 一万1 ) 七_ 1 ( 一1 ) n - 2 = o ； - 1 一上：墨一土 n ： 即当时隙总数n 和标签总数k 相等时，读写器效率达到最大值【2 3 1 。 由上述分析可得，动态帧时隙算法就是通过动态的调整帧的长度，使帧的长 度和未识别的标签的数量接近，使系统的标签识别率达到最大。因此正确地获取 当前未识别的标签的数量是该算法的关键1 。1 8 0 0 0 6 c 标准算法类似于动态帧时 隙算法，但标准算法没有了帧的概念，称为时隙随机算法。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2i s o18 0 0 0 6 c 标准算法分析 本节首先对i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法物理层调制与数据编码进行了介绍， 然后介绍了读写器和标签之间进行交互的几个关键命令。h t e lr 1 0 0 0 超高频读写 器虽然以i s o h e c18 0 0 0 6 c 标准算法为基础，但并没有完全实现18 0 0 0 6 c 标准 算法【2 4 】。通过n s 2 仿真工具对r 1 0 0 0 超高频读写器算法进行了仿真分析，并提出 一些改进方法。 2 2 1 调制与数据编码 2 2 1 1 读写器至标签通信 i s o i e c18 0 0 0 6 c 标准规定询问机应采用d s b a s k 、s s b - a s k 或p r - a s k 调制方式进行通信。标签应能够解调上述三种类型的调制。 数据o 数据1 图2 - 3 读写器调制波形 读写器发送给标签的信号应该按照图2 3 所示的波形调制，t a d 值是读写器 向标签发送信号时的基准时间间隔，即数据至0 的持续时间。其中，高位值代表 所发送的连续波，低位值代表减弱的连续波。所有参数的公差应为+ - 1 ，p w 规 定应与数据o 和数据1 的p w 相同。读写器应在一个盘存周期期间采用一个固定 的p w 和嘲。 读写器应采用6 2 5 9 s 至2 5 9 s 的删值和标签进行通信。应按照规定的最佳 的t a d 值和表2 1 所示的编码x = 0 5 t a r i 和x = 1 0 t a d 对读写器的相关性进行评估。 读写器规定在一个盘存周期期间必须采用固定的数据0 和数据1 的符号长度。 第二章i s o a e c1 8 0 0 0 6 c 标准算法概述及应用 表2 1平均传输时延对比 读写器以前同步码或帧同步开始所有r _ t 发信。前同步码先于q u e r y 命令， 表明了盘存周期开始。其它发送信号则以帧同步开始，所有以t a f t 为单位的参数 公差应为+ a 1 。 2 2 12 标签至读写器通信 标签利用反向散射调制与读写器通信，在反向散射中，标签根据正在发送的 数据在两种状态间切换天线的反射系数。标签应利用在一个盘存周期期间的固定 调制形式、数据编码和数据速率进行反向散射。标签选择调制形式，读写器借助 启动盘存周期的q u e r y 命令选择编码和数据速率。 标签反向散射应采用a s k 或p s k 调制，标签选择调制形式，读写器应能够 解调上述两种调制。标签将反射散射的数据编为该数据速率的目u 载波f m 0 基带， 读写器发出编码选择的命令。 f m 0 基本功能 数据- 0 数据 s 3 ( t ) 2 一s 2 ( t ) s “t 户一s 1 ( t ) 问( n f m 0 发生器状态图 图2 4 标签信号调制 图2 - 4 显示了生成f m 0 ( 两相空间) 编码的基本功能和状态图。f m 0 在每个 边界恻转基带相位，数据- 0 有一个附加的中间符号相位倒转。图2 - 4 的状态图描 绘了所发送的f m o 基本功能的逻辑数据序列。s i - s 一状态标记表明四种可能f m 电子科技大学硕士学位论文 编码符号，代表各f m 0 基本功能的两个相位。这些状态标签还表示键入状态后即 传输的f m 0 波形。状态转换的标签表示被编码的数据序列的逻辑值。例如，从状 态s 2 转换到状态s 3 是不允许的，因为由此产生的传输在符号边界上没有相转化。 2 2 2 命令约定 ( 1 ) s e l e c t 命令t 在读写器正式发出询问命令之前需要发送给命令，用来选择基于用户定义标 准的标签群。s e l e c t 命令可以确认或取消确认标签的s l ( 选中) 标记，也可以在四个 通话的其中一个通话中将标签的已盘标记设置为a 或b 。s e l e c t 命令含有参数目 标( t a r g e t ) 、动作( a c t i o n ) 、存储体( m e m b a n k ) 、指针( p o i n t e r ) 、长度( l e n g t h ) 、掩模 ( m a s k ) 和截断( t r u n c a t e ) 。目标和动作表示s e l e c t 命令是否修改和如何修改标签的 s l 标记或已盘标记，若是在已盘标记的情况下，则要看是哪个通话。修改s l 标 记的s e l e c t 命令不应修改已盘标记，反之亦然。存储体规定m a s k 是否适用于e p c 、 t i d 或用户存储器。必须有长度位长的掩模含有标签用以与规定存储范围相比较 的位串。截断规定标签是否反向散射其全部e p c ，或者仅仅在m a s k 后反向散射 该部分e p c 。截断应答始终跟随在e p c 存储器0 0 h 至0 f h 存储位置c r c 1 6 后， 标签不为截断应答计算此c r c 。通过发出多个同等s e l e c t 命令后，询问机可以渐 近挑选出与选择标准匹配的所有标签，尽管标签可能会出现短期射频减弱。q u e r y 命令利用已盘标记和s l 标记决定标签是否参与盘存。询问机可以盘存和访问s l 或 - s l 标签，或者可以选择忽略全部s l 标记。 ( 2 ) q u e r y 命令 表2 2 q u e r y 命令 字段名称所占比特数不同值的含义 命令 41 0 0 0 d r1 0 ：d r = 8 ；1 ：d r = 6 4 3 m2 0 0 ：m = 1 ；0 1 ：m = 2 ；1 0 ：m = 4 ；1 1 ：m = 8 s e l2 0 0 ：全部；0 1 ：全部；1 0 ：- s l ；11 ：s l 通话 2 0 0 ：s 0 ；0 1 ：s 1 ；1 0 ：s 2 ；1 1 ：s 3 q 4 o 1 5 c r c 55由前面字段的值决定 由表2 2 所示，q u e r y 命令包括以下字段：d r ( d r c a l 除法比率) 表示弘 r 1 0 第二章i s o i e c18 0 0 0 6 c 标准算法概述及应用 链路频率，s e l 选择与q u e r y 命令匹配的标签。通话选择用于该盘存周期的通话。 目标选择已盘标记为a 或b 的标签参与盘存周期。标签可以在单化后将其从a 盘存到b ( 或相反) 。q 设置盘存周期中的槽数。 收到q u e r y 命令后，s e l 和目标匹配的标签在( 0 ，2 q 1 ) 的范围内挑选一个随机 数，将该数值载入其槽计数器【2 5 】。如果响应该q u e r y 命令的标签以零载入其槽计 数器，则该标签应反射r n l 6 应答命令，否则该标签不作任何响应。q u e r y 命令可 以启动新通话中的或以前通话中的盘存周期。如果处于确认状态、开放状态或保 护状态的标签收到的q u e r y 命令的通话参数与前通话匹配，则应为该通话倒转其 已盘标记。如果处于确认状态、开放状态的标签收到的q u e r y 命令的通话参数与 前通话不匹配，则应在开始新的盘存周期时保持前通话的已盘标记不变。 ( 3 ) q u e r y r e p 俞今 读写器在正确识别当前时隙的标签后，接着发送q u e r y r e p 命令准备识别下一 个时隙的标签。该命令指示标签使其槽计数器减1 ，若槽计数器在减值后槽计数 值为0 ，则应向询问机反向散射一个r n l 6 应答命令，否则该标签应保持沉默。 标签只有在收到前一个q u e r y 命令后才应答q u e r y r e p 命令。处于确认状态、开放 状态或保护状态下的标签收到q u e r y r e p 命令后应为当前通话倒转其已盘标记( 即a b 或b a ，视具体情况而定) ，并转换成就绪状态。 ( 4 ) q u e r y a d j u s t 命令 读写器在读取标签的过程中，如果发现时隙数和标签数相差较大而造成碰撞 时隙或空闲时隙大量出现时，可以发送q u e r y a d j u s t 命令调整q 值来改变时隙数。 该命令主要包括两个字段：通话和u p d n 。如果标签收到的q u e r y a d j u s t 命令的通 话数与启动该盘存周期的q u e r y 命令中的通话数不同，则应忽略该命令。u p d n 字段决定标签是否调整或如何调整q ，110 ：q 增值( 即q = q + 1 ) ；0 0 0 - 不改变q 值；0 1 1 ：q 减值( 即q - - q 1 ) 。 若标签收到的q u e r y a d j u s t 命令的u p d n 值与上述规定值不同，则应忽略该命 令。标签应保持当前q 值的计数。启动该盘存周期的q u e r y 命令规定初始q 值。 一个或一个以上的后续q u e r y a d j u s t 命令可以修改q 值。收到q u e r y a d j u s t 命令后， 标签应首先更新q 值，然后在( 0 ，2 q 。1 ) 范围内挑选一个随机值，将该值载入其槽 计数器内。如果应答q u e r y a d j u s t 命令的标签以零载入其槽计数器，则该标签应向 读写器发送r n l 6 应答命令。标签只有在收到前一个q u e r y 命令后才应答 q u e r y a d j u s t 命令。处于确认状态、开放状态或保护状态下的标签收到q u e r y a d j u s t 命令后应为当前通话倒转其已盘标记，并转换成就绪状态。 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) a c k 俞夸 如果没有发生碰撞，读写器诈确收到一个标签的r n l 6 ，则向该标签发出a c k 命令确认标签，标签收到a c k 命令后转换为确认状态，开始反射自身的e p c 数 据。如果询问机向处于应答状态或确认状态的标签发出一个a c k ，则回应的r n l 6 应为当标签从仲裁状态转换为应答状态时以前反向散射的r n l 6 t 埘。 ( 6 ) n a k 命令 读写器如果收到错误的e p c ，则向标签发送n a k 命令。标签收到命令后， 会认为读写器没有正确收到自身