无线射频标签群组化研究

引言：在无线射频辨识系统（Radio Frequency Identification，简称 RFID）中，读取器透过无线电波读取卷标上的数据，以获取信息；然而，在许多情况底下，例如物流监控的应用上，货物于快速运送等种种因素里，将会影响 RFID 标签的辨识效率，以及多个卷标同时进行数据传送时所造成的碰撞。为了提升标签的辨识率与预防标签碰撞，我们提出一套群组的机制，利用群组的方式把相关的标签组合起来形成一个群，从这个群里面选出一个leader，作为整群共同辨识的代表信号来源，并且结合 CSMA 或是二元树防碰撞的算法，以进一步提高辨识率。

一、RFID 介绍

无线射频辨识系统是利用无线电讯号来辨识物品，系统主要包含RFID读取器、RFID卷标以及计算机系统，整个RFID系统的架构如图1。RFID对电子标签存取数据时是透过计算机应用程序之控制来完成。首先，计算机应用程序对RFID读取器发出命令，要求读取器送出无线电波的能量及命令至电子卷标，此时电子标签收到命令之后，将其唯一标识符（UID）回传至读取器，读取器收到UID且经过认证许可后，电子卷标就可以进行数据的传送，最后读取器会将所收到的数据传送给计算机应用程序处理。

在RFID系统中，是以电子卷标置于标的物品上，电子卷标内部除了存有唯一的序号（UID）之外，尚可储存数据以及对数据做相关的处理。标签依据电池的有无，可分为有供应电池的主动式电子卷标、半主动式电子卷标以及没有供应电池的被动式电子卷标。

二、主动式电子卷标

主动式电子卷标基本架构如图3，本身具有内建电池，用以供应内部IC所需电源，且可藉由内部电力，随时主动发射内部卷标的内存数据到读取器上。主动式标签拥有较长的读取距离，最远可达 50 公尺；拥有较大的内存容量，最大可达 32 K byte，用来储存读取器所传送来的一些附加讯息。

三、半主动式电子卷标

半主动式电子卷标基本架构，内部具有内建电池，但是此内建电池只供应电子卷标内部数据储存内存或传感器所需的工作电源，电子卷标其余内部芯片所需的工作电源则由读取器所发射的电磁波供应。

被动式电子卷标基本架构，内部芯片电路所需的工作电源均由读取器所发射的电磁波供应。RFID读取器主要的作用在接收计算机系统的命令后，将数据透过无线电波传送的方式写入电子卷标内；或是接收电子卷标所传送的无线电波信号后，加以处理再传送到后端的计算机系统，其主要的构造可分为天线、高频接口、控制单元、电源四个部分。在RFID通讯的过程当中，常常因为多种原因而产生干扰的现象，我们把这些干扰归纳为四个部分，主要有频率干扰、电子卷标的干扰、读取器对读取器的干扰以及读取器对电子卷标的干扰。

（一）频率干扰

频率干扰是指有两个以上距离非常接近的读取器在同一时间内使用相同的工作频率产生的干扰。

（二）电子卷标的干扰

电子卷标的干扰是指邻近距离的读取器在相同的时间对相同的电子卷标作存取时产生的干扰。

（三）读取器对读取器的干扰

读取器对读取器的干扰是指一个读取器所传的信号干扰到另外一个读取器，使该读取器无法与其所属的电子卷标通信。此现象发生在读取器所传送信号的强度太大进而影响到另一个读取器与电子卷标的通讯，即便在读取器的工作区没有重迭也会发生。

（四）读取器对电子卷标的干扰

读取器对电子卷标的干扰指的是一个电子卷标同时位于两个以上读取器的工作区中，因而造成一个以上的读取器在同一时间都对该电子卷标作存取，此时电子标签就在同一时间内与两个以上的读取器进行通讯。RFID 传送频率主要分为四个部份，分别为低频（LF）、高频（HF）、特高频（UHF）、微波。LF的频带125或134.2kHz，读取范围10公分；HF的频带13.56MHz，读取范围1公尺；UHF的频带868～956MHz，读取范围1～2公尺；微波的频带2.45GHz，读取范围1～2公尺。

总结与建议

RFID系统是目前最广为使用之近距离无线通信技术，举凡大众捷运系统人员进出之控管、高速公路之电子收费服务、无人图书馆之管理、大楼门禁之控管等，均因此项技术而在当今世界上蓬勃发展所赐 ；然而，所有架设在 RFID系统环境下的应用，其通讯的质量与效能将会是我们最先关切的部分。当今，在这个通讯领域当中，讯号在传送时因相互碰撞所造成数据的遗失，是当前所面临到的问题，也是我们研究改善的对象。

为了解决多个电子卷标同时传送讯号所发生碰撞的问题，我们可以运用Static grouping及Dynamic grouping两个防碰撞算法，在这两个防碰撞算法中，Static grouping是利用手机直接输入的方式来进行标签群组，而Dynamic grouping是以相关的标签为同一组的特性来进行标签群组。无论如何，我们主要的目的是以群组的方式来降低标签碰撞发生的机率，有别于目前使用Slot方式来防止标签碰撞之二元树、Slotted ALOHA等算法。

然而，以C语言进行算法仿真的过程当中，为了更贴近现实生活上可能发生的情况，我们设定每个电子卷标在单位时间下有固定的机率会发生位置的变动，以及每个RFID读取器的读取效率，在这些条件参数的设定之下，电子卷标移动时读取器所读取到的标签个数，以及读取器读取标签时所发生错误之比率，将可作为我们评估算法效能之依据。经由实验模拟的结果我们可以清楚地看出，在不同标签数的仿真中，当标签的数目变大时，Reader读取tag的数目也会随之增加；然而，在我们所提出的演算法模拟中，每个条件参数都相同的情况下，使用Static grouping及Dynamicgrouping算法得到的读取错误率以及标签个数，皆比未群组标签时来的低，由此，可以验证我们提出的算法，除了能够降低讯号碰撞时造成的读取错误率，而且能减少数据传送之流量；另外，在不同读取率之实验模拟中，我们也可以进行验证，当系统的读取率愈高时，所得到之读取错误率会愈低，而且使用Staticgrouping及Dynamic Grouping算法时，确实能够降低系统读取之错误率。

（作者单位：河南中烟工业有限责任公司许昌卷烟厂）