射頻識別技術(shù)即RFID" title="RFID" target="_blank">RFID（Radio Frequency Identification）是一種通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，并對目標(biāo)加以識別和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。它由一個附在天線上的微芯片構(gòu)成，芯片中存儲唯一的電子產(chǎn)品代碼，用于標(biāo)識單個商品。它由于具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大，可實(shí)現(xiàn)非接觸目標(biāo)識別等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、交通、醫(yī)療、物流、資產(chǎn)管理等眾多領(lǐng)域。射頻識別主要由電子標(biāo)簽和讀寫器組成。通過讀寫器發(fā)射無線電波，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲的信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，以達(dá)到識別目的并交換數(shù)據(jù)。
    在許多應(yīng)用領(lǐng)域，單個標(biāo)簽已經(jīng)能夠滿足要求。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域像圖書館藏書、機(jī)場包裹管理、零售業(yè)等等，這些應(yīng)用場合標(biāo)簽數(shù)量較多，閱讀器讀取范圍內(nèi)可能會存在多個標(biāo)簽，這樣在讀取標(biāo)簽時就會不可避免地發(fā)生沖突。因此防碰撞協(xié)議的研究是必須的。本文提出一種新的防碰撞協(xié)議，新協(xié)議結(jié)合了兩種基本的防碰撞協(xié)議,與現(xiàn)有的RFID防碰撞協(xié)議相比新協(xié)議極大地提高了系統(tǒng)的讀取效率,協(xié)議設(shè)計更加靈活實(shí)用。
1 RFID系統(tǒng)中防碰撞協(xié)議
    為了解決碰撞問題，產(chǎn)生了很多的防碰撞算法，目的就是把眾多的標(biāo)簽按照某種方式分隔開進(jìn)行逐個讀取，主要有頻分多路法(FDMA)、空分多路法(SDMA)、時分多路法(TDMA)和碼分多路法(CDMA)四種方法。防碰撞算法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    空分多路法由于其復(fù)雜的天線系統(tǒng)的高費(fèi)用使得應(yīng)用不是很廣泛，頻分多路法由于其閱讀器的費(fèi)用比較高，應(yīng)用也受到了限制。碼分多路法的多路方式軟件設(shè)計困難，讀寫器每一路都需要相應(yīng)的硬件或軟件支持，非常復(fù)雜，所以不適合RFID系統(tǒng)。因此，TDMA成為反碰撞算法最廣泛的選擇，該方法又分為標(biāo)簽驅(qū)動法和閱讀器驅(qū)動法，標(biāo)簽驅(qū)動法中具有代表性的算法是Aloha算法。閱讀器驅(qū)動法需要準(zhǔn)確的同步進(jìn)而無錯誤的檢測出碰撞位，它再劃分為“輪詢法”和“分裂法”。由于Aloha算法不能有效地解決標(biāo)簽餓死的問題，所以本文的研究主要在分裂法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
1.1 二進(jìn)制防碰撞協(xié)議
    二進(jìn)制防碰撞協(xié)議中，閱讀器應(yīng)用二進(jìn)制搜索算法能夠成功地讀取它范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。標(biāo)簽含有唯一的ID序列號(由一些二進(jìn)制碼構(gòu)成)，閱讀器在每次查詢過程中只發(fā)送一位0或1，標(biāo)簽中與接收的位相同的才會發(fā)生應(yīng)答，并發(fā)送自己的下一位直至所有ID序列號傳完。標(biāo)簽中與接收到的位不相同的就會轉(zhuǎn)到待機(jī)狀態(tài)，直到某個標(biāo)簽被識別剩余的標(biāo)簽重置。在一個識別過程中，如果閱讀器發(fā)現(xiàn)沖突就會發(fā)0，否則發(fā)送從標(biāo)簽接收的那一位作為下一個查詢位。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

1.2 查詢樹防碰撞協(xié)議
    查詢樹算法是一種無記憶標(biāo)簽防碰撞算法。讀寫器發(fā)送一個前綴查詢信息，與這個前綴相匹配的標(biāo)簽做出響應(yīng)。讀寫器發(fā)出的前綴決定了碰撞的標(biāo)簽如何分裂。標(biāo)簽除了其自身的ID號以外無需記憶其他額外的信息。一旦一個標(biāo)簽被成功識別，讀寫器就開始新一輪的讀取操作。協(xié)議原理：讀寫器發(fā)送長度為k的前綴；ID中前k bit和前綴匹配的標(biāo)簽反饋第(k+1)bit至最后1 bit。如果閱讀器收到的ID碰撞，再先后將前綴加“0”或 “1”，作為新的前綴發(fā)送出去。如果沒有發(fā)生碰撞，就表明有一個標(biāo)簽被識別了。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

2 改進(jìn)型防碰撞協(xié)議
    本文設(shè)計了一種新的防碰撞協(xié)議，它是結(jié)合了二進(jìn)制防碰撞協(xié)議和查詢樹防碰撞協(xié)議而構(gòu)成的，它能夠在最壞的情況下，減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時鐘循環(huán)數(shù)，很大程度上減少了沖突的發(fā)生，增加了標(biāo)簽的讀取速度。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

    在改進(jìn)型協(xié)議中，如果標(biāo)簽在狀態(tài)S2下檢測到碰撞的發(fā)生，它會轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3來接收閱讀器發(fā)送的屏蔽位，而不是直接跳到S0。狀態(tài)S3的加入很大程度上減少了標(biāo)簽識別過程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時鐘循環(huán)數(shù)。這個效果是很明顯的，如果兩個標(biāo)簽的第一位相同而接下來的位都不相同，運(yùn)用二進(jìn)制和查詢樹協(xié)議時，閱讀器必須發(fā)送兩個不同的位來識別兩個標(biāo)簽,標(biāo)簽經(jīng)歷兩次從S0到S1再到S2的轉(zhuǎn)換，而在改進(jìn)型協(xié)議中由于S3的加入，一個標(biāo)簽在識別的同時其他標(biāo)簽只需向閱讀器發(fā)送一個前綴位。這樣既減少了識別過程中能量的消耗，又增加了識別速度。例如對#28（11100）和#30（11110）兩個標(biāo)簽的識別，運(yùn)用二進(jìn)制防碰撞協(xié)議需要21次時鐘轉(zhuǎn)換和19次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，查詢樹防碰撞協(xié)議需要21次時鐘轉(zhuǎn)換和8次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而改進(jìn)型協(xié)議只需要15次時鐘轉(zhuǎn)換和7次狀態(tài)轉(zhuǎn)換（Ps為現(xiàn)在的狀態(tài)；Ns為下一個狀態(tài)），表1是在新協(xié)議下對兩個標(biāo)簽的識別過程。

    運(yùn)用這個協(xié)議，需要增加一個硬件用來在S3狀態(tài)下減少它的ID指針，標(biāo)簽在S3收到的屏蔽位需要與先前發(fā)送的那位相比較，來確定標(biāo)簽的下個狀態(tài)。
3 性能分析
    一個RFID系統(tǒng)性能的好壞，主要是衡量它的能量消耗和讀取速度。本文主要從狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時鐘循環(huán)次數(shù)兩個方面考慮。標(biāo)簽的識別過程各種情況的標(biāo)簽的分布都有可能發(fā)生，要衡量RFID防碰撞協(xié)議的性能，就要從最壞的情況[1]考慮。
3.1 數(shù)學(xué)分析
    在不計命令時間、前后綴開銷及校驗(yàn)冗余等情況下對各算法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，若在閱讀器范圍內(nèi)有n個標(biāo)簽，標(biāo)簽的ID位數(shù)為N，則在滿足2≤n≤2N-2情況下，以上三種協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時鐘循環(huán)數(shù)如下：

3.2 仿真結(jié)果
    仿真時筆者認(rèn)為三種協(xié)議識別一個特定的標(biāo)簽時間是相等的。仿真環(huán)境：標(biāo)簽ID長度為2的整數(shù)倍，沖突標(biāo)簽數(shù)為4，30次仿真取均值。仿真結(jié)果如圖5所示。

    由仿真結(jié)果可見，改進(jìn)型協(xié)議在識別效率上明顯優(yōu)于二進(jìn)制協(xié)議和查詢樹協(xié)議,在標(biāo)簽ID位比較長的情況下尤為明顯。
    在研究了RFID系統(tǒng)中現(xiàn)有的防碰撞協(xié)議的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的防碰撞協(xié)議。通過算法分析及仿真表明，該協(xié)議較大幅度減少了每條命令的信息量，使系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸時間大大減少，有效節(jié)省了傳輸信道，能更準(zhǔn)確、更高效、更好地解決射頻識別系統(tǒng)中多個標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)沖突問題，具有良好應(yīng)用前景。
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