RFID技术和防冲撞算法的设计

摘要：本文针对RFID技术中标签碰撞问题进行了详细的分析和研究，提出了一种改进的基于序列号对时隙数运算的排序算法用于解决标签碰撞问题，通过算法仿真得到了较好的效果，具有一定的推广意义。

关键词：RFID 防冲撞 标签冲突

1 概述

无线射频识别(RFID)是目前应用较为广泛的非接触式自动识别技术，主要利用射频信号与电磁耦合原理进行信号传输与识别，可以对载有射频标签的物体进行跟踪和识别。RFID技术最初使用在第二次世界大战期间的货物运输方面，后来被广泛应用在民间，目前是物流等领域应用较多的技术[1]。RFID技术的发展极大地推动了各行各业自动化进程，在不断改进的RFID技术中，未来会呈现体积小、识别范围广、信号传输带宽大等特点，具有良好的发展前景。

RFID技术是一个半自动化的系统，主要包括电子标签和读写器两部分，标签用于标注物体，一般是附着在货物或人员上面，读写器的作用是识别范围内的多个标签信息。通常情况，读写器会同时读取到多个标签，这就需要读写器具有标签信息仲裁机制，从而规避数据碰撞问题。同时，由于标签的体积要求较小，读写器的功率有一定限制等特点，需要对RFID系统设计要求较高[2]。

2 RFID标签防碰撞方法

当读写器同时读取到多个标签的时候，需要利用读写器与标签之间的无线信道进行数据交换，并区分多个标签之间的数据来源与归属，当数据不能按照各个标签的识别标志进行读写时，就会发生标签碰撞现象。防止RFID标签碰撞的技术可以解决标签读写信道的仲裁机制。目前，RFID标签有EPC和ISO两个标准，但对于无源标签都采用了RTF工作方式，因此本文研究的协议基础也是基于RTF[3]。

在RFID系统发生信息碰撞时，往往分为标签碰撞和阅读器碰撞，前者是由于当阅读器对周围的标签进行识别时，多个标签同时向阅读器发出信号供其进行识别，造成阅读器无法正确判断标签数据归属[4]。而后者阅读器碰撞也经常发生，是由于多个阅读器同时对其工作范围内的标签进行识别时，同时识别到标签，并且发生互斥操作。解决阅读器碰撞问题，需要通过对标签读写的时间和频率进行合理地分配，可以有效地规避碰撞问题[5]。而对于标签碰撞问题，需要借助其他方法进行解决，是目前研究较多的问题。

3 基于改进的序列号对时隙数运算的排序算法

由于标签ID是由一些列规则的序列号进行分配，因此可以使用基于序列号特点的时隙数运算对标签进行时分复用，利用这种方法具有响应时间短的优点，对于RFID系统中单个阅读器同时识别多个标签的情况较为适用[6]。

由于该算法中队多个标签识别时采用对标签进行单个应答的方法，使得算法存在效率低下的缺点，因此需要对其进行相应的改进，本文所设计的算法包括如下五个步骤完成标签与阅读器之间的数据通信。

第一步：阅读器在识别到工作范围内的标签时，主动发出信道争用命令，按照RTF的标准，包括同步时钟参数和争用周期时隙数参数两个参数，按照信道应答方法将其工作范围内的应答器全部激活。

第二步：当应答器接收到信道争用的命令后，按照同步时钟参数进行时钟同步，同时开始信道争用周期的计算。

第三步：当工作范围内的应答器都按照同步时钟参数和争用周期时隙数参数进行各自的发送时隙后，确定发送位后，为了能够标示当前信道被标签占用，在争用周期内发送的争用数据帧相应时隙发送位填充数据“1”。

第四步：应答器需要监听工作范围内的所有监听帧，按照序列号排序方法对待发送的数据在周期内的顺序发送数据。

第五步：当数据在信道周期内进行传递时，应答器发送数据后通过时隙标志位告知阅读器在接收到数据后对发送指令进行休眠处理，避免信道内产生碰撞的数据。

4 算法仿真与分析

在对上述算法进行仿真的时候，基于序列号对时隙数运算按照争用周期模拟，首先使用应答器序列号除以时隙数的余数作为应答器在争用周期数据帧的发送时隙；其次，使用应答器序列号除以争用周期时隙数的商作为应答器在争用帧内的时隙发送位，同时为了能够标识数据帧再去爱发送周期内的互斥性，将发送为填充为“1”；最后，在争用周期内，应答器按照发送序列在发送位商不断进行数据传递，当应答器中所有数据帧发送位为“1”的数据全部发送完成，或者时间片结束，则完成该争用周期的数据通讯工作。

对于时隙数固定的系统而言，M为应答器的数量，E为系统效率，E定义为有效数据传输与数据传输总量的比值。当M较少时，E会随着M的增加而快速增加；当应答器数目较多时，E会随着M的增大而缓慢增大;而M接近满荷时，时隙数对E没有显著影响. 但是对于同一系统，如果取不同的时隙数，则随着时隙数的增大，E会有所下降，这是因为时间利用率下降了。

通过实验，E与M之间的关系如下图所示。

由图1可知，对于应答器数目固定的系统而言，效率会随着时隙数的增多而缓慢下降，这是因为时间的利用率降低了；而对于时隙数固定的系统而言，E会随着应答器数目的增多而有所提高。

5 结论

本文研究的算法利用标签序列号对时隙数进行排序，将争用周期内的数据帧按照发送位标识进行数据分配，有效地解决了阅读器工作范围内多标签发生碰撞的问题。

参考文献：

[1]Klaus Finkenzeller，RFID Handbook，John Wiley and Sons，Inc.，New York,2011.

[2]游战清，李苏剑，张益强等.无线射频识别技术(RFIDI理论与应用.电子工业出版社，北京，2011.

[3]Want.R. An introduction to RFID technology．Pervasive Computing IEEE.Volume 5，Issue 1.2010．

[4]梁彪，胡爱群，秦中元.一种新的RFID防碰撞算法设计，电子与信息学报，2011.09.

[5]Christian Floerkemeier．Transmission control scheme for fast RFID objcot dentification，4th Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops，2011．PerCom Workshops 2011.

[6]余松森，詹宜巨等.基于后退式索引的二进制树形搜索反碰撞算法及其实现.计算机应用工程，2011，16：26-28.

作者简介：

胡峰松，男，副教授，硕士生导师，研究方向：计算机网络，现工作单位:湖南大学计算机与通信学院。