RFID系統(tǒng)中的串讀與防串讀
一、RFID系統(tǒng)中的串讀
總體來(lái)說(shuō)，RFID系統(tǒng)存在兩類(lèi)串讀問(wèn)題：一類(lèi)稱(chēng)為多標(biāo)簽串讀問(wèn)題，即多個(gè)標(biāo)簽與同一個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)通信時(shí)產(chǎn)生的串讀；另一類(lèi)稱(chēng)為多讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題，即相鄰的讀寫(xiě)器在其信號(hào)交疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致讀寫(xiě)器的閱讀范圍減小，甚至無(wú)法讀取標(biāo)簽。
當(dāng)相鄰的RFID讀寫(xiě)器作用范圍有重疊時(shí)，多個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)讀取同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)可能會(huì)引起多讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的干擾，標(biāo)簽同時(shí)收到3個(gè)讀寫(xiě)器的信號(hào)。在這種情況下，標(biāo)簽就無(wú)法正確解析讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的查詢(xún)信號(hào)。
RFID讀寫(xiě)器自身有能量供應(yīng)，能夠進(jìn)行較高復(fù)雜度的計(jì)算，所以讀寫(xiě)器能夠檢測(cè)到碰撞的產(chǎn)生，并能夠通過(guò)與其他讀寫(xiě)器之間的交流互通來(lái)解決讀寫(xiě)器的碰撞問(wèn)題，如讀寫(xiě)器調(diào)度算法和功率控制算法都能比較容易地解決讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題，因此，一般討論防碰撞都是針對(duì)多標(biāo)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(duì)多標(biāo)簽的防碰撞問(wèn)題。
多標(biāo)簽碰撞是指讀寫(xiě)器同時(shí)收到多個(gè)標(biāo)簽的信號(hào)而導(dǎo)致無(wú)法正確讀取標(biāo)簽信息的問(wèn)題。讀寫(xiě)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。在標(biāo)簽應(yīng)答過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽同一時(shí)刻應(yīng)答，或一個(gè)標(biāo)簽還沒(méi)有完成應(yīng)答時(shí)其他標(biāo)簽就做出應(yīng)答的情況。這會(huì)使得標(biāo)簽之間的信號(hào)互相干擾，降低讀寫(xiě)器接收信號(hào)的信噪比，從而造成標(biāo)簽無(wú)法被正常讀取。RFID讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫(xiě)器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致讀寫(xiě)器無(wú)法正確識(shí)別這些標(biāo)簽。
二、
RFID系統(tǒng)中防串讀算法分類(lèi)
RFID電子標(biāo)簽的低功耗、低存儲(chǔ)能力和有限的計(jì)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(shí)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(wú)源標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)置電源，標(biāo)簽的能量來(lái)自于讀寫(xiě)器，因此算法在執(zhí)行的過(guò)程中，標(biāo)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(xiě)器和標(biāo)簽之間傳輸信息的比特?cái)?shù)目；
3、標(biāo)簽不具備檢測(cè)沖突的功能而且標(biāo)簽間不能相互通信，因此沖突判決需要讀寫(xiě)器來(lái)實(shí)現(xiàn)；
4、標(biāo)簽的存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，這就要求防串讀協(xié)議盡可能簡(jiǎn)單，標(biāo)簽端的設(shè)計(jì)不能太復(fù)雜。
因此，需要根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)，在已有防串讀方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的防串讀算法。
1. 無(wú)線通信中的防串讀方法
無(wú)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(shí)分多路法（TDMA）。
（1）空分多路法。空分多路法（Space Division Multiple Access，SDMA）是在分離的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)識(shí)別，其實(shí)現(xiàn)的方法有兩種。一種方法是將讀寫(xiě)器和天線之間的作用距離按空間區(qū)域進(jìn)行劃分，把大量的讀寫(xiě)器和天線安置在一個(gè)天線陣列中。 當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入這個(gè)天線陣列的覆蓋范圍后，與其距離最近的讀寫(xiě)器對(duì)該標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。由于每個(gè)天線的覆蓋范圍較小，相鄰的讀寫(xiě)器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽同樣可以進(jìn)行識(shí)別而不受相鄰讀寫(xiě)器的干擾，如果多個(gè)標(biāo)簽根據(jù)在天線陣列中的空間位置的不同，可以同時(shí)被識(shí)別。另外一種方法是，讀寫(xiě)器利用一個(gè)相控陣天線，通過(guò)讓天線的方向性圖對(duì)準(zhǔn)單獨(dú)的標(biāo)簽，這樣標(biāo)簽根據(jù)其在讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的角度位置的不同而區(qū)別開(kāi)來(lái)?？辗侄嗦贩ǖ娜秉c(diǎn)是需要使用復(fù)雜的天線系統(tǒng)，會(huì)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(gè)使用不同載波頻率的調(diào)制信號(hào)在同時(shí)供通信用戶使用的信道上進(jìn)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(xiě)器到標(biāo)簽）頻率是固定的，用于能量的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于反向鏈路（從標(biāo)簽到讀寫(xiě)器），不同的標(biāo)簽采用不同頻率的載波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，這些信號(hào)之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，讀寫(xiě)器對(duì)接收到的不同頻率的信號(hào)進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同標(biāo)簽的識(shí)別。頻分多路法的缺點(diǎn)是導(dǎo)致讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的成本要求較高。因此在實(shí)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(kuò)頻通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線通信技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)包含擴(kuò)頻（Spread Spectrum）與多址（Multiple Access）兩個(gè)基本的概念。擴(kuò)頻的目的是擴(kuò)展信息帶寬，即把需要發(fā)送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于其信號(hào)帶寬的偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，這樣使原來(lái)的信息數(shù)據(jù)的帶寬被擴(kuò)展，最后通過(guò)載波調(diào)制發(fā)送出去。解擴(kuò)是指在接收端采用完全一致的偽隨機(jī)碼，與接收到的寬帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成原來(lái)的信息數(shù)據(jù)。多址是給每個(gè)用戶分配一個(gè)地址碼，各個(gè)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(diǎn)；但是該技術(shù)也存在諸多缺點(diǎn)，如頻帶利用率低、信道容量小、偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生和選擇較難、接收時(shí)地址碼捕獲時(shí)間長(zhǎng)等，所以該方法很難應(yīng)用于實(shí)際的RFID系統(tǒng)中。
（4）時(shí)分多路法。時(shí)分多路法（Time Division Multiple Access，TDMA）是把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)。時(shí)分多路復(fù)用是按傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割的，它使不同的信號(hào)在不同的時(shí)間內(nèi)傳輸，將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔，每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。TDMA就是通過(guò)在時(shí)間上交叉發(fā)送每一路信號(hào)的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)一條電路傳輸多路信號(hào)的，電路上的每一短暫時(shí)刻只有一路信號(hào)存在。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)是有限個(gè)離散值，所以時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)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(lèi)
目前RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽防碰撞算法大多采用時(shí)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(lèi)如圖所示。
非確定性算法也稱(chēng)為標(biāo)簽控制法，在該方法中，讀寫(xiě)器沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，標(biāo)簽的工作是非同步的，標(biāo)簽獲得處理的時(shí)間不確定，因此標(biāo)簽存在“串讀”問(wèn)題（Tag Starvation）。ALOHA算法是一種典型的非確定性算法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，廣泛用于解決標(biāo)簽的碰撞問(wèn)題。
確定性算法也稱(chēng)為讀寫(xiě)器控制法，由讀寫(xiě)器觀察和控制所有標(biāo)簽。按照規(guī)定的算法，在讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)，首先選中一個(gè)標(biāo)簽，在同一時(shí)間內(nèi)讀寫(xiě)器與一個(gè)標(biāo)簽建立通信關(guān)系。二進(jìn)制樹(shù)形搜索是典型的確定性算法，該類(lèi)算法比較復(fù)雜、識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)，但沒(méi)有標(biāo)簽串讀問(wèn)題。
