RFID防碰撞技術(shù)簡(jiǎn)介
1.碰撞產(chǎn)生的原因
     RFID技術(shù)是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體的技術(shù)。RFID系統(tǒng)中閱讀器負(fù)責(zé)發(fā)送廣播并接收標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息，標(biāo)簽收到廣播命令后將自身的標(biāo)識(shí)信息發(fā)送給閱讀器。然而由于閱讀器與所有標(biāo)簽共用一個(gè)無線信道，所以在RFID系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會(huì)有多個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)合，這樣就會(huì)造成標(biāo)簽之間或閱讀器之間的相互干擾，這種干擾統(tǒng)稱為碰撞（Collision）。
     電子標(biāo)簽含有可被識(shí)別的唯一信息（序列號(hào)），RFID系統(tǒng)的目的就是要讀出這些信息。如果只有一個(gè)標(biāo)簽位于閱讀器的可讀范圍內(nèi)，則無須其他命令形式即可直接進(jìn)行閱讀，但如果有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)位于一個(gè)閱讀器的可讀范圍內(nèi)，則標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)就會(huì)相互干擾形成所謂的數(shù)據(jù)沖突，從而造成閱讀器和標(biāo)簽之間的通信失敗。為了防止這些碰撞的產(chǎn)生，在RFID系統(tǒng)中需要設(shè)置一定的相關(guān)命令，并通過適當(dāng)?shù)牟僮鹘鉀Q碰撞問題，這些操作過程被稱為防碰撞命令或防碰撞算法（Anti-collision Algorithms）。
RFID的碰撞問題與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的沖突問題類似，但是由于RFID系統(tǒng)中的一些限制，使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的很多標(biāo)準(zhǔn)的防碰撞技術(shù)都不適于或很難在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用。這些限制因素主要有：標(biāo)簽不具有檢測(cè)沖突的功能而且標(biāo)簽間不能相互通信，因此沖突判決需要由閱讀器來實(shí)現(xiàn)；標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力有限，這就要求防碰撞協(xié)議盡量簡(jiǎn)單和系統(tǒng)開銷較小，以降低其成本；RFID系統(tǒng)的通信帶寬有限，因此需要防碰撞算法盡量減少閱讀器和標(biāo)簽間傳送信息的比特?cái)?shù)目。因此，如何在不提高RFID系統(tǒng)成本的前提下，提出一種快速高效的防沖突算法，以提高RFID系統(tǒng)的防碰撞能力，同時(shí)滿足識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽的需求，從而將RFID技術(shù)大規(guī)模地應(yīng)用于各行各業(yè)，是當(dāng)前RFID技術(shù)亟待解決的技術(shù)難題。

2.碰撞產(chǎn)生的類型
    隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多個(gè)閱讀器密集分布在同一區(qū)域的RFID傳感網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)中，存在兩類信息碰撞問題：一類稱為多標(biāo)簽信息碰撞問題，即多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)回復(fù)一個(gè)閱讀器時(shí)產(chǎn)生的信息碰撞；另一類稱為多閱讀器信息碰撞問題，即相鄰的閱讀器在其信號(hào)交疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相互干擾，導(dǎo)致閱讀器的閱讀范圍減小，甚至無法讀取任何標(biāo)簽。
1）標(biāo)簽的碰撞
閱讀器發(fā)出識(shí)別命令后，各個(gè)標(biāo)簽都會(huì)在某一時(shí)間做出應(yīng)答，但是在標(biāo)簽應(yīng)答過程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽在同一時(shí)刻應(yīng)答或在一個(gè)標(biāo)簽沒有應(yīng)答完成時(shí)其他標(biāo)簽就做出應(yīng)答的情況。這會(huì)使標(biāo)簽之間的信號(hào)互相干擾，降低閱讀器接收信號(hào)的信噪比，從而造成標(biāo)簽無法被正常讀取。如圖7-1所示為標(biāo)簽碰撞示意圖，圖中的標(biāo)簽（Tag）1能被閱讀器正常識(shí)別，而標(biāo)簽（Tag）2、3、4、5、6都將被錯(cuò)識(shí)讀取或漏讀取。
2）閱讀器的碰撞
閱讀器碰撞問題的分析：在密集閱讀器的RFID傳感網(wǎng)絡(luò)中，閱讀器的碰撞問題主要分為以下兩種情況。
（1）多閱讀器與標(biāo)簽之間的干擾。當(dāng)多個(gè)閱讀器同時(shí)閱讀同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)會(huì)引起多閱讀器與標(biāo)簽之間的干擾。這里分為兩種情況：一種情況是兩個(gè)閱讀器的閱讀范圍重疊，如圖7-2所示，從閱讀器R1和R2發(fā)射的信號(hào)可能在標(biāo)簽T1處產(chǎn)生干擾，在這種情況下，標(biāo)簽T1不能解密任何查詢信號(hào)且閱讀器R1和R2都不能閱讀T1；另外一種情況是兩個(gè)閱讀器的閱讀范圍沒有重疊，如圖7-3所示，雖然閱讀范圍沒有重疊，但處于干擾范圍之內(nèi)，在同一時(shí)間占用相同頻率與標(biāo)簽T1通信，閱讀器發(fā)射的信號(hào)對(duì)閱讀器R1發(fā)射的信號(hào)在標(biāo)簽T1處產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。

（2）閱讀器與閱讀器之間的干擾。當(dāng)一個(gè)閱讀器發(fā)射較強(qiáng)的信號(hào)與一個(gè)標(biāo)簽反射回的微弱信號(hào)相干擾時(shí)就引起了閱讀器與閱讀器之間的干擾。閱讀器R1位于閱讀器干擾區(qū)。從射頻標(biāo)簽T1反射回的信號(hào)到達(dá)閱讀器R1，很容易被閱讀器R2發(fā)射的信號(hào)干擾。這種干擾即使在兩個(gè)閱讀器的閱讀范圍沒有重疊時(shí)也有可能產(chǎn)生。
     現(xiàn)有解決多閱讀器信號(hào)碰撞問題的方法主要可以分為兩類：協(xié)調(diào)計(jì)劃算法和功率控制算法。協(xié)調(diào)計(jì)劃算法的主要思想是通過建立一個(gè)全網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一收集閱讀器間的信息碰撞消息，將系統(tǒng)可用的資源合理分配給各個(gè)閱讀器進(jìn)行使用，其代表性算法有Colorwave算法、HiQ21eaming算法和PULSE算法等。這些算法的主要問題在于系統(tǒng)通常需要耗費(fèi)相當(dāng)多的資源來建立和實(shí)時(shí)維護(hù)這種全網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)，并且需要根據(jù)系統(tǒng)微小的變化重新調(diào)整全網(wǎng)范圍內(nèi)的資源分配，協(xié)議開銷大，收斂速度慢。功率控制算法則能克服上述問題。

3.防碰撞的主要方法
      RFID技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是多目標(biāo)識(shí)別。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器周圍可能會(huì)有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)存在，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器傳送數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖突問題。無線電通信系統(tǒng)中的多路存取方法一般有以下幾種：空分多路法（SDMA）、時(shí)分多路法（TDMA）、頻分多路法（FDMA）和碼分多路法（CDMA）。而RFID系統(tǒng)多路存取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)則對(duì)射頻標(biāo)簽和閱讀器提出了特殊的要求，因?yàn)樗仨毷谷藗兏杏X不到時(shí)間的浪費(fèi)，且必須可靠地防止由于射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)相互碰撞而不能讀出等問題的出現(xiàn)。
1）空分多路法（SDMA）
空分多路法（SDMA）是指在分離的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)的識(shí)別技術(shù)，空分多路法在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有兩種方式：一種方式是將閱讀器和天線的作用距離按空間進(jìn)行劃分，把多個(gè)閱讀器和天線放置在這個(gè)陣列中，這樣當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入不同的閱讀器范圍時(shí)，就可以從空間上將所有電子標(biāo)簽區(qū)分開來；另外一種方式是在閱讀器上使用一個(gè)相控陣天線，并且讓天線的方向性圖對(duì)準(zhǔn)某個(gè)電子標(biāo)簽，這樣不同的電子標(biāo)簽可以根據(jù)它在閱讀器工作區(qū)域的角度位置而區(qū)別開來。空分多路法的缺點(diǎn)是復(fù)雜的天線系統(tǒng)和比較高的實(shí)施費(fèi)用，因此采用這種技術(shù)的系統(tǒng)一般為某些特殊場(chǎng)合，如它應(yīng)用在大型的馬拉松活動(dòng)中來區(qū)分所有的參賽運(yùn)動(dòng)員。
2）頻分多路法（FDMA）
     頻分多路法（FDMA）是把信道分解成若干個(gè)不同載波頻率提供給多個(gè)用戶使用的技術(shù)，如圖7-6所示就是這種頻分復(fù)用的示意圖。
一般情況下，采用這種方法的RFID系統(tǒng)從閱讀器到標(biāo)簽的頻率均是固定的，用于能量供應(yīng)和命令傳輸。而對(duì)于從標(biāo)簽到閱讀器，則可以采用不同的副載波頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。閱讀器有多個(gè)接收器，每個(gè)接收器都具有各自的工作頻率，而每個(gè)接收器只響應(yīng)和自己相同頻率的電子標(biāo)簽，通過這種方式即可將工作區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)簽區(qū)別開來。FDMA的缺點(diǎn)是閱讀器的成本比較高，因?yàn)槊總€(gè)接收通路都必須有自己?jiǎn)为?dú)的接收器以供使用，電子標(biāo)簽的差異更為麻煩。因此，這種防碰撞算法也應(yīng)用在極少數(shù)特殊場(chǎng)合上。
3）時(shí)分多路法（TDMA）
     時(shí)分多路法把整個(gè)可供使用的通路容量按照時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)。在RFID系統(tǒng)中，TDMA構(gòu)成了防碰撞算法中最大的一族。這種方法又可分為電子標(biāo)簽控制法（電子標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)）和閱讀器驅(qū)動(dòng)法（詢問驅(qū)動(dòng)），電子標(biāo)簽控制法的工作是非同步的。按照電子標(biāo)簽成功地完成數(shù)據(jù)傳輸后是否通過閱讀器的信號(hào)而斷開，它又可分為“讀時(shí)斷開”法和“非開關(guān)”法。
    電子標(biāo)簽控制法一般是很慢而且不靈活的，但這種方法可以同步進(jìn)行觀察，因?yàn)樗须娮訕?biāo)簽可同時(shí)由閱讀器進(jìn)行掃描和控制。
閱讀器驅(qū)動(dòng)法又可以稱為定時(shí)雙工法。
4）時(shí)分多路法的具體分析
     目前存在的時(shí)分多路法主要分為基于二進(jìn)制樹的確定性算法和基于ALODA的不確定性算法?；诙M(jìn)制樹的確定性算法主要有二進(jìn)制搜索算法（Binary Search）和動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索（Dynamic Binary Search）算法，此外還有智能的尋呼樹算法（Intelligent Query Tree）、自適應(yīng)的被動(dòng)標(biāo)簽防碰撞算法（Adaptive Memoryless Tag Anti-collision Protocol）及基于返回式二進(jìn)制樹形搜索的反碰撞算法等?；贏LODA的不不確定性算法分為ALODA算法、時(shí)隙ALODA算法（Slotted ALODA）、動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALODA算法（Dynamic Slotted ALODA），此外還有幀時(shí)隙ALODA算法（Frame-slotted ALODA）、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALODA算法（Dynamic Frame-slotted ALODA）等。下面將對(duì)幾種重要算法進(jìn)行描述。

4.防碰撞方法的設(shè)計(jì)要求
防碰撞技術(shù)主要解決RFID系統(tǒng)一次對(duì)多個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別問題。假設(shè)同時(shí)進(jìn)入閱讀器天線區(qū)域的標(biāo)簽共有n個(gè)，則防碰撞設(shè)計(jì)要求如下：
（1）當(dāng)1≤n≤N時(shí)，其中N為閱讀器一次可識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量的上限，則在碰撞發(fā)生（n>1）的情況下，能識(shí)別n個(gè)標(biāo)標(biāo)簽并依次與它們完成通信；
（2）平均響應(yīng)時(shí)間τ足夠短，τ為某一時(shí)段內(nèi)完成通信的所有標(biāo)簽在系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時(shí)間，τ與算法有關(guān)，允許τ≤τ0，τ0為不同應(yīng)用中所允許的最大時(shí)延。