RFID系統(tǒng)如何防串讀？

發(fā)布日期：2021-02-26 10:13:37 作者：Ling 點擊：27687

RFID系統(tǒng)中的串讀與防串讀
一、RFID系統(tǒng)中的串讀

總體來說，RFID系統(tǒng)存在兩類串讀問題：一類稱為多標簽串讀問題，即多個標簽與同一個讀寫器同時通信時產(chǎn)生的串讀；另一類稱為多讀寫器碰撞問題，即相鄰的讀寫器在其信號交疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致讀寫器的閱讀范圍減小，甚至無法讀取標簽。

當(dāng)相鄰的RFID讀寫器作用范圍有重疊時，多個讀寫器同時讀取同一個標簽時可能會引起多讀寫器與標簽之間的干擾，標簽同時收到3個讀寫器的信號。在這種情況下，標簽就無法正確解析讀寫器發(fā)來的查詢信號。

RFID讀寫器自身有能量供應(yīng)，能夠進行較高復(fù)雜度的計算，所以讀寫器能夠檢測到碰撞的產(chǎn)生，并能夠通過與其他讀寫器之間的交流互通來解決讀寫器的碰撞問題，如讀寫器調(diào)度算法和功率控制算法都能比較容易地解決讀寫器碰撞問題，因此，一般討論防碰撞都是針對多標簽的碰撞而言的。本章后續(xù)部分討論的防碰撞也都是針對多標簽的防碰撞問題。
多標簽碰撞是指讀寫器同時收到多個標簽的信號而導(dǎo)致無法正確讀取標簽信息的問題。讀寫器發(fā)出識別命令后，各個標簽都會在某一時間做出應(yīng)答。在標簽應(yīng)答過程中會出現(xiàn)兩個或者多個標簽同一時刻應(yīng)答，或一個標簽還沒有完成應(yīng)答時其他標簽就做出應(yīng)答的情況。這會使得標簽之間的信號互相干擾，降低讀寫器接收信號的信噪比，從而造成標簽無法被正常讀取。RFID讀寫器作用范圍內(nèi)的多個標簽同時向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致讀寫器無法正確識別這些標簽。

二、RFID系統(tǒng)中防串讀算法分類
RFID電子標簽的低功耗、低存儲能力和有限的計算能力等限制，導(dǎo)致許多成熟的防碰撞算法（包括空分多路法、頻分多路法、碼分多路法和時分多路法）不能直接在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用。這些限制可以歸納為：
1、無源標簽沒有內(nèi)置電源，標簽的能量來自于讀寫器，因此算法在執(zhí)行的過程中，標簽功耗要求盡量低；
2、RFID系統(tǒng)的通信帶寬有限，因此防碰撞算法應(yīng)盡量減少讀寫器和標簽之間傳輸信息的比特數(shù)目；
3、標簽不具備檢測沖突的功能而且標簽間不能相互通信，因此沖突判決需要讀寫器來實現(xiàn)；

4、標簽的存儲和計算能力有限，這就要求防串讀協(xié)議盡可能簡單，標簽端的設(shè)計不能太復(fù)雜。
因此，需要根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點，在已有防串讀方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計相應(yīng)的防串讀算法。
1. 無線通信中的防串讀方法
無線通信技術(shù)中，解決防碰撞的方法主要包括空分多路法（SDMA）、頻分多路法（FDMA）、碼分多路法（CDMA）和時分多路法（TDMA）。

（1）空分多路法?？辗侄嗦贩ǎ⊿pace Division Multiple Access，SDMA）是在分離的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)多個目標識別，其實現(xiàn)的方法有兩種。一種方法是將讀寫器和天線之間的作用距離按空間區(qū)域進行劃分，把大量的讀寫器和天線安置在一個天線陣列中。當(dāng)標簽進入這個天線陣列的覆蓋范圍后，與其距離最近的讀寫器對該標簽進行識別。由于每個天線的覆蓋范圍較小，相鄰的讀寫器識別范圍內(nèi)的標簽同樣可以進行識別而不受相鄰讀寫器的干擾，如果多個標簽根據(jù)在天線陣列中的空間位置的不同，可以同時被識別。另外一種方法是，讀寫器利用一個相控陣天線，通過讓天線的方向性圖對準單獨的標簽，這樣標簽根據(jù)其在讀寫器作用范圍內(nèi)的角度位置的不同而區(qū)別開來?？辗侄嗦贩ǖ娜秉c是需要使用復(fù)雜的天線系統(tǒng)，會大幅度提高RFID設(shè)備的成本。

（2）頻分多路法。頻分多路法（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）是把若干個使用不同載波頻率的調(diào)制信號在同時供通信用戶使用的信道上進行傳輸?shù)募夹g(shù)。通常情況下，RFID系統(tǒng)的前向鏈路（從讀寫器到標簽）頻率是固定的，用于能量的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸。對于反向鏈路（從標簽到讀寫器），不同的標簽采用不同頻率的載波對數(shù)據(jù)進行調(diào)制，這些信號之間不會產(chǎn)生干擾，讀寫器對接收到的不同頻率的信號進行分離，從而實現(xiàn)對不同標簽的識別。頻分多路法的缺點是導(dǎo)致讀寫器和標簽的成本要求較高。因此在實際RFID系統(tǒng)的應(yīng)用中，頻分多路法也很少使用。

（3）碼分多路法。碼分多路法（Code Division Multiple Access，CDMA）是在擴頻通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無線通信技術(shù)。擴頻技術(shù)包含擴頻（Spread Spectrum）與多址（Multiple Access）兩個基本的概念。擴頻的目的是擴展信息帶寬，即把需要發(fā)送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于其信號帶寬的偽隨機碼進行調(diào)制，這樣使原來的信息數(shù)據(jù)的帶寬被擴展，最后通過載波調(diào)制發(fā)送出去。解擴是指在接收端采用完全一致的偽隨機碼，與接收到的寬帶信號進行相關(guān)處理，把寬帶信號轉(zhuǎn)換成原來的信息數(shù)據(jù)。多址是給每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊。碼分多路法具有抗干擾性好、保密安全性高、信道利用率高等優(yōu)點；但是該技術(shù)也存在諸多缺點，如頻帶利用率低、信道容量小、偽隨機碼的產(chǎn)生和選擇較難、接收時地址碼捕獲時間長等，所以該方法很難應(yīng)用于實際的RFID系統(tǒng)中。

（4）時分多路法。時分多路法（Time Division Multiple Access，TDMA）是把整個可供使用的通路容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)。時分多路復(fù)用是按傳輸信號的時間進行分割的，它使不同的信號在不同的時間內(nèi)傳輸，將整個傳輸時間分為許多時間間隔，每個時間片被一路信號占用。TDMA就是通過在時間上交叉發(fā)送每一路信號的一部分來實現(xiàn)一條電路傳輸多路信號的，電路上的每一短暫時刻只有一路信號存在。因為數(shù)字信號是有限個離散值，所以時分多路復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括計算機網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)。

2．RFID中防碰撞算法分類
目前RFID系統(tǒng)的標簽防碰撞算法大多采用時分多路法，該方法可以分為非確定性算法和確定性算法，防碰撞算法的分類如圖所示。

非確定性算法也稱為標簽控制法，在該方法中，讀寫器沒有對數(shù)據(jù)傳輸進行控制，標簽的工作是非同步的，標簽獲得處理的時間不確定，因此標簽存在“串讀”問題（Tag Starvation）。ALOHA算法是一種典型的非確定性算法，實現(xiàn)簡單，廣泛用于解決標簽的碰撞問題。
確定性算法也稱為讀寫器控制法，由讀寫器觀察和控制所有標簽。按照規(guī)定的算法，在讀寫器作用范圍內(nèi)，首先選中一個標簽，在同一時間內(nèi)讀寫器與一個標簽建立通信關(guān)系。二進制樹形搜索是典型的確定性算法，該類算法比較復(fù)雜、識別時間較長，但沒有標簽串讀問題。