RFID防碰撞技術(shù)簡介
1.碰撞產(chǎn)生的原因
     RFID技術(shù)是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性自動識別目標(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)識信息，標(biāo)簽收到廣播命令后將自身的標(biāo)識信息發(fā)送給閱讀器。然而由于閱讀器與所有標(biāo)簽共用一個無線信道，所以在RFID系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會有多個閱讀器和多個標(biāo)簽的應(yīng)用場合，這樣就會造成標(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)簽含有可被識別的唯一信息（序列號），RFID系統(tǒng)的目的就是要讀出這些信息。如果只有一個標(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，但如果有多個標(biāo)簽同時位于一個閱讀器的可讀范圍內(nèi)，則標(biāo)簽的應(yīng)答信號就會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現(xiàn)；標(biāo)簽的存儲容量和計算能力有限，這就要求防碰撞協(xié)議盡量簡單和系統(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數(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，同時滿足識別多個標(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)了多個閱讀器密集分布在同一區(qū)域的RFID傳感網(wǎng)絡(luò)。在這個傳感網(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，即多個標(biāo)簽同時回復(fù)一個閱讀器時產(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)出識別命令后，各個標(biāo)簽都會在某一時間做出應(yīng)答，但是在標(biāo)簽應(yīng)答過程中會出現(xiàn)兩個或多個標(biāo)簽在同一時刻應(yīng)答或在一個標(biāo)簽沒有應(yīng)答完成時其他標(biāo)簽就做出應(yīng)答的情況。這會使標(biāo)簽之間的信號互相干擾，降低閱讀器接收信號的信噪比，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能被閱讀器正常識別，而標(biāo)簽（Tag）2、3、4、5、6都將被錯識讀取或漏讀取。
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)多個閱讀器同時閱讀同一個標(biāo)簽時會引起多閱讀器與標(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且閱讀器R1和R2都不能閱讀T1；另外一種情況是兩個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)，在同一時間占用相同頻率與標(biāo)簽T1通信，閱讀器發(fā)射的信號對閱讀器R1發(fā)射的信號在標(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)一個閱讀器發(fā)射較強(qiáng)的信號與一個標(biāo)簽反射回的微弱信號相干擾時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反射回的信號到達(dá)閱讀器R1，很容易被閱讀器R2發(fā)射的信號干擾。這種干擾即使在兩個閱讀器的閱讀范圍沒有重疊時也有可能產(chǎn)生。
     現(xiàn)有解決多閱讀器信號碰撞問題的方法主要可以分為兩類：協(xié)調(diào)計劃算法和功率控制算法。協(xié)調(diào)計劃算法的主要思想是通過建立一個全網(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)通常需要耗費相當(dāng)多的資源來建立和實時維護(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)的一個主要優(yōu)點就是多目標(biāo)識別。當(dāng)系統(tǒng)工作時，閱讀器周圍可能會有多個標(biāo)簽同時存在，當(dāng)多個標(biāo)簽同時向閱讀器傳送數(shù)據(jù)時就會產(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)的實現(xiàn)則對射頻標(biāo)簽和閱讀器提出了特殊的要求，因為它必須使人們感覺不到時間的浪費，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)行多個目標(biāo)的識別技術(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，把多個閱讀器和天線放置在這個陣列中，這樣當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入不同的閱讀器范圍時，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相控陣天線，并且讓天線的方向性圖對準(zhǔn)某個電子標(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。空分多路法的缺點是復(fù)雜的天線系統(tǒng)和比較高的實施費用，因此采用這種技術(shù)的系統(tǒng)一般為某些特殊場合，如它應(yīng)用在大型的馬拉松活動中來區(qū)分所有的參賽運動員。
2）頻分多路法（FDMA）
     頻分多路法（FDMA）是把信道分解成若干個不同載波頻率提供給多個用戶使用的技術(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。閱讀器有多個接收器，每個接收器都具有各自的工作頻率，而每個接收器只響應(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的缺點是閱讀器的成本比較高，因為每個接收通路都必須有自己單獨的接收器以供使用，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)特殊場合上。
3）時分多路法（TDMA）
     時分多路法把整個可供使用的通路容量按照時間分配給多個用戶的技術(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）和閱讀器驅(qū)動法（詢問驅(qū)動），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而斷開，它又可分為“讀時斷開”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，因為所有電子標(biāo)簽可同時由閱讀器進(jìn)行掃描和控制。
閱讀器驅(qū)動法又可以稱為定時雙工法。
4）時分多路法的具體分析
     目前存在的時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、時隙ALODA算法（Slotted ALODA）、動態(tài)時隙ALODA算法（Dynamic Slotted ALODA），此外還有幀時隙ALODA算法（Frame-slotted ALODA）、動態(tài)幀時隙ALODA算法（Dynamic Frame-slotted ALODA）等。下面將對幾種重要算法進(jìn)行描述。

4.防碰撞方法的設(shè)計要求
防碰撞技術(shù)主要解決RFID系統(tǒng)一次對多個標(biāo)簽的識別問題。假設(shè)同時進(jìn)入閱讀器天線區(qū)域的標(biāo)簽共有n個，則防碰撞設(shè)計要求如下：
（1）當(dāng)1≤n≤N時，其中N為閱讀器一次可識別標(biāo)簽數(shù)量的上限，則在碰撞發(fā)生（n>1）的情況下，能識別n個標(biāo)標(biāo)簽并依次與它們完成通信；
（2）平均響應(yīng)時間τ足夠短，τ為某一時段內(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延。