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RFID系統(tǒng)如何防串讀?

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:27334

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(biāo)簽串讀問題,即多個標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽時可能會引起多讀寫器與標(biāo)簽之間的干擾,標(biāo)簽同時收到3個讀寫器的信號。在這種情況下,標(biāo)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(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多標(biāo)簽的防碰撞問題。
     多標(biāo)簽碰撞是指讀寫器同時收到多個標(biāo)簽的信號而導(dǎo)致無法正確讀取標(biāo)簽信息的問題。讀寫器發(fā)出識別命令后,各個標(biāo)簽都會在某一時間做出應(yīng)答。在標(biāo)簽應(yīng)答過程中會出現(xiàn)兩個或者多個標(biāo)簽同一時刻應(yīng)答,或一個標(biāo)簽還沒有完成應(yīng)答時其他標(biāo)簽就做出應(yīng)答的情況。這會使得標(biāo)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(biāo)簽無法被正常讀取。RFID讀寫器作用范圍內(nèi)的多個標(biāo)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(biāo)簽。

二、RFID系統(tǒng)中防串讀算法分類
   RFID電子標(biāo)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(biāo)簽沒有內(nèi)置電源,標(biāo)簽的能量來自于讀寫器,因此算法在執(zhí)行的過程中,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)盡量減少讀寫器和標(biāo)簽之間傳輸信息的比特數(shù)目;
3、標(biāo)簽不具備檢測沖突的功能而且標(biāo)簽間不能相互通信,因此沖突判決需要讀寫器來實現(xiàn);
4、標(biāo)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(biāo)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。空分多路法(Space Division Multiple Access,SDMA)是在分離的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)多個目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)單獨的標(biāo)簽,這樣標(biāo)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(biāo)簽)頻率是固定的,用于能量的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸。對于反向鏈路(從標(biāo)簽到讀寫器),不同的標(biāo)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(biāo)簽的識別。頻分多路法的缺點是導(dǎo)致讀寫器和標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽的工作是非同步的,標(biāo)簽獲得處理的時間不確定,因此標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽,在同一時間內(nèi)讀寫器與一個標(biāo)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(biāo)簽串讀問題。

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