RFID系统的关键技术之防碰撞机制分析与实现

《防碰撞机制分析与实现》

一、教学内容的引入二、产生碰撞的原因三、防碰撞机制的实现主要内容四、读写器防碰撞机制的实现一、教学内容的引入

澳洲RECALL公司，稽查文件，多个文件箱同时通过闸门读写器，如何正确识别？二、产生碰撞的原因在RFID系统应用中，因为多个读写器或多个标签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰，统称为碰撞。1什么是碰撞1、读写器碰撞2、标签碰撞2碰撞的类型Data1Data5Data4Data3Data5Data4Data3Data2Data2Data1RFID数据碰撞示意图二、产生碰撞的原因TimeTime完全碰撞Time读写器TagATagBtag1阅读器tag2tag3tag4tag5多标签碰撞二、产生碰撞的原因一个读写器的读写范围内有多个标签存在，发生通信冲突。二、产生碰撞的原因R1RrRrReader2Reader1读写器-读写器频率干扰

R1为Reader1的干扰范围

Rr为Reader1和Reader2的读取范围

从标签T反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰。Tag二、产生碰撞的原因Tag3Tag2Tag1Reader1Reader2多读写器一标签干扰

标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和,是一个未知信号。

如何解决碰撞的问题呢？三、防碰撞机制的实现三、防碰撞机制的实现读写器Tag3Tag5Tag2Tag6Tag4Tag7Tag11、空分多址SDMA法1、空间分割多重存取ReaderTagTagTag三、防碰撞机制的实现

分离的空间范围内重新使用确定的资源（通信容量）1、自适应SDMA，电子控制定向天线，天线的方向直接对准某个标签2、减少单个读写器的作用范围三、防碰撞机制的实现读写器Tag1Tag3Tag5Tag4Tag2阅读器广播命令阅读器读写区域f1f2f3f4f52、频分多址FDMA法2、频率分割多重存取ReaderTagTagTagabcabc三、防碰撞机制的实现

把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通信用户使用。3、时间分割TDMAa’b’c’abcReaderTag1Tag2Tag3a’ab’bc’c三、防碰撞机制的实现TDMA是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个同户的技术。(1).纯-ALOHA(PureALOHA)法即标签只要有数据发送请求就立即发送出去，而不管无线信道中是否已有数据在传输。它是无线网络中最早采用的多址技术，也是最为简单的一种方法。在RFID系统中，这种方法仅适用于只读标签(Readonlytag)。ALOHA系统所采用的多址方式基于TDMA，是一种无规则的时分多址，或者叫随机多址。用于实时性不高的场合。1防碰撞的基本算法ALOHA基本思想很简单：当用户想要发送数据帧时，它就可以在任何时候发送。有可能发生冲突。冲突导致传输不成功。得不到确认或者本身侦听到错误。等待随机长时间重发。通信量越大，碰撞的可能性也越大。主要特点是各个标签发射时间不需要同步，是完全随机的，实现起来比较简单。当标签不多时它可以很好的工作。缺点就是数据帧发送过程中碰撞发生的概率很大。经过分析，ALOHA法的最大吞吐率只有18.4％，80％以上的信道容量没有被利用。对于较小的数据包量，无线信道的大部分时间没有被利用，而随着数据包量的增加，标签碰撞的概率又会明显增加。（2）．时隙ALOHA法为了提高接入系统的吞吐量，可将时间划分为一段段等长的时隙，记为T0。规定数据帧只能在时隙的开始才能发送出去。如果一个时隙内只有一个站点到达，则该分组会传输成功；如果有多于一个的分组到达，将会发生碰撞。和纯ALOHA一样，发生碰撞后，各标签仍是经过随机时延后分散重发的。如果有许多标签处于阅读器的作用范围内，在最不利的情况下，经过多次搜索也可能没有发现序列号，因为没有唯一的标签能单独处于一个时隙之中而发送成功。因此，需要准备足够大量的时隙，这样做法降低了防碰撞算法的性能。算法

ISO18000-6协议中使用的是一种二进制树形防碰撞算法，通过标签内随机产生0、1及内置计数器实现标签的防碰撞。2防碰撞的基本算法——二进制碰撞算法三、防碰撞机制的实现树分叉算法冲突节点非冲突节点011011100101树分叉算法三、防碰撞机制的实现基本思想是：将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有碰撞，则正确识别标签，若仍有碰撞则分裂，把1子集分成10和11两个子集，直到识别子集1中所有标签。基于曼彻斯特编码信号的Manchester编码可以让读写器准确地判断出数据碰撞的比特位置，2防碰撞的基本算法——二进制搜索算法（1）REQUEST——请求(序列号)。此命令发送一序列号作为参数给射频卡。应答规则是，射频卡把自己的序列号与接收到的序列号比较，如果自身序列号小于或等于REQUEST指令序列号参数，则此射频卡回送其序列号给读写器。这样可以缩小预选的射频卡的范围；如果大于，则不响应。当进入“识别”有多个标签----防碰撞指令规则

三、防碰撞机制的实现

所有接收到FAIL指令且内部计数器不等于0的标签计数器加1。所有接收到FAIL指令且内部计数器等0的标签将产生一个1或者0的随机数，如果是1，则标签计数器加1，如果是0，则标签计数器保持不变，并再次发送其识别码。

(2)SELECT——选择(序列号)。用某个(事先确定的)序列号作为参数发送给射频卡。具有相同序列号的射频卡将以此作为执行其他命令(例如读出和写入数据)的切入开关，即选择这个射频卡。具有其他序列号的射频卡只对REQUEST命令应答。

（3）READ-DATA——读出数据。选中的射频卡将存储的数据发送给读写器。

当进入“识别”有多个标签----防碰撞指令规则

三、防碰撞机制的实现

(4)UNSELECT

——取消选择。取消一个事先选中的射频卡，射频卡进入"无声"状态，在这种状态下射频卡完全是非激活的，对收到的REQUEST命令不作应答。为了重新话化射频卡，必须先将射频卡移出读写器的作用范围再进入，以实行复位。

射频卡进入读写器的工作范围，读写器发出一个最大序列号让所有射频卡响应；同一时刻开始传输它们的序列号到读写器的接收模块。读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数。出现不一致的现象即有的序列号该位为0，而有的序列号该位为1把有不一致位的数从最高位到低位依次置O再输出系列号，即依次排除序列号大的数，至读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数完全一致时，说明无碰撞。选出序列号最小的数后，对该标签进行数据交换，然后使该卡进入“无声”状态。YN三、防碰撞机制的实现二进制搜索算法的工作流程是：101100001110??????射频卡1射频卡2读写器译码三、防碰撞机制的实现

在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码(Mancherster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射频卡。范例：二元搜寻算法A:10100111B:10110101C:10101111D:10111101R:11111111R:11111111送REQUEST（11111111）命令，要求区域内所有标签应答，根据曼彻斯特编码，解码数据为101??1?1,发生碰撞，算法做下如下，将碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得下次的REQUEST(10101111)???R表示阅读器三、防碰撞机制的实现范例：二元搜寻算法搜寻标签过程A:10100111C:10101111R:10101111R:10101111送REQUEST（10101111）命令，标签A和C应答。解码数据为1010?111,发生碰撞，算法做下如下，将碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得10100111?R表示阅读器三、防碰撞机制的实现范例：二元搜寻算法A:10100111C:10101111R:10100111R:10100111送REQUEST（10100111）命令，只有标签A应答。没有发生碰撞，阅读器对标签A进行阅读操作。R表示阅读器可以识别A三、防碰撞机制的实现ImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第一次搜寻第二次搜寻第三次搜寻第四次搜寻第五次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagCTagD三、防碰撞机制的实现1010011110110101101011111011110111111111101??1?11010111110100111101011111010?1111010011110100111识别TagA10110101101011111011110111111111101??1?11010111110101111识别TagCImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第六次搜寻第七次搜寻第八次搜寻第九次搜寻第十次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagC

TagD三、防碰撞机制的实现1011010110111101111111111011?10110110101101101011011110110111101识别TagB识别TagD采用二进制树形搜索算法的RFID系统特点是：具有较高的稳定性，属于TDMA方式，易于用软件实现，吞吐率最高可达36．4％。但ID不能太长，ID越长所需要的时间就越长，当时间超过一定限度时，这种算法将不再适用。动态二进制树搜索算法标签的ID达到几个字节以上时，不但不能在有效的时间内正确识别出标签，还会增加系统的负担，考虑采用动态二进制算法。一般说来，ID总有相同的高位，假设20个ID中有5个的最高三位是相同的，REQUEST先发送这相同的高三位就可以先处理这五个ID，再处理其他的ID，这种已知部分ID动态查询ID的方法就是动态二进制算法。采用动态二进制树搜索算法的RFID系统特点是：随机性小，准确率高，吞吐率大，稳定性好。1、RFID读写器冲突及解决途径

密集读写器环境中的读写器冲突四、读写器防碰撞机制的实现密集读写器环境就是指在RFID系统应用中，在预定区域内部署多个RFID读写器，以满足对区域内的所有标签进行完全的、高可靠的读取要求。系统网络中包含多个读写器和一个中央计算机，读写器与中央计算机之间一般采用局域网（LAN）或无线局域网（WLAN）方式进行通信连接。密集读写器网络拓朴结构分时传输解决读写器冲突

网络中的每个读写器通常具有不同范围的识读区域，各读写器的识读区域可能有交集，即识读区域有相互重叠的部分。为了便于说明，用图7-17近似地描绘了密集读写器环境下的读写器冲突。每个圆圈代表一个读写器的识读区域（实际应用中的识读区域可能为不规则形状），圆点代表相应的读写器。如果两个读写器的识读区域有相互重叠，如图7-17中的R1和R2，则当R1、R2同时工作时，如果不采取防冲突措施，就会产生读写器冲突，甚至使整个RFID系统无法正常工作。

四、读写器防碰撞机制的实现密集环境下读写器冲突示意图解决读写器冲突

Colorwave算法：

该算法是一种分布式的TDMA算法，通过给阅读器分配不同的时隙来避免阅读器之间的碰撞。该算法需要所有阅读器之间时间同步，还要求所有阅读器都可以检测RFID系统中的碰撞。四、读写器防碰撞机制的实现Q．Learing算法：——Q．Learing算法是一个分等级的，在线学习算法。——阅读器发送碰撞信息给阅读器等级服务器(R—sever)。一个独立的R—server给阅读器分配资源，用这个方法使阅读器的通信之间