RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中的防碰撞問題
    在 RFID 系統(tǒng)中, 讀寫器的作用范圍內(nèi)經(jīng)常有多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)要求通信, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常發(fā)生碰撞問題, 因此需要對(duì)防碰撞進(jìn)行研究。
1. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?
    RFID讀寫器與RFID電子標(biāo)簽之間的工作方式主要有3種, 分別為無線電廣播工作方式、多路存取工作方式以及多個(gè)讀寫器給多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作方式。
(1)無線電廣播方式。
    這是一種從一個(gè)讀寫器到多個(gè)電子標(biāo)簽的工作方式, 讀寫器發(fā)送的信號(hào)同時(shí)被多個(gè)電子標(biāo)簽接收。這種工作方式與一個(gè)廣播電臺(tái)發(fā)射信號(hào), 多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收相類似, 所以被稱為“無線 電廣播”工作方式。
(2)多路存取方式。
    在這種工作方式中, 讀寫器的工作范圍內(nèi)同時(shí)有多個(gè)電子標(biāo)簽, 多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給讀寫器。

     在多路存取的工作方式中, 各個(gè)電子標(biāo)簽會(huì)同時(shí)對(duì)讀寫器發(fā)出信號(hào), 從而造成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的碰撞, 使讀寫器不能正常讀取各個(gè)電子標(biāo)簽的有關(guān)數(shù)據(jù), 這就是 RFID系統(tǒng)中的多路存取問題.只有解決好電子標(biāo)簽的碰撞問題, 才能使 RFID 系統(tǒng)正常工作。解決防碰撞問題需要用到多路存取法。在無線通信中, 多路存取法主要有空分多路法 (SDMA)、頻分多路法(FDMA)、時(shí)分多路法(TDMA)和碼分多路法(CDMA),在RFID 系統(tǒng)中, 根據(jù)讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信特點(diǎn), 空分多路法、頻分多路法和碼分多路法在應(yīng)用中都受到一定的限制, 只能應(yīng)用到一些特定的場(chǎng)合, 一般系統(tǒng)主要采用時(shí)分多路法。
①空分多路法。
   在空分多路法(Space Division Multiple Access, SDMA)中, RFID系統(tǒng)利用天線空間分離的技術(shù)分別讀取電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。
② 頻分多路法。
    在頻分多路法(Frequency Division Multiple Access, FDMA)中, RFID系統(tǒng)把不同載波頻率的傳輸通道分別提供給電子標(biāo)簽用戶。
③ 時(shí)分多路法。
    在時(shí)分多路法(Time Division Multiple Access, TDMA)中, RFID系統(tǒng)把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間不同分配給多個(gè)用戶分別讀取數(shù)據(jù)。
(3)多個(gè)讀寫器給多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。
    這是一種由多個(gè)相鄰的讀寫器試圖同時(shí)與多個(gè)電子標(biāo)簽通信而引起的干擾。
2. 防碰撞算法
    解決電子標(biāo)簽防碰撞問題的關(guān)鍵是優(yōu)化的防碰撞算法。現(xiàn)有的 RFID 防碰撞算法都是基于TDMA算法, 可劃分為ALOHA 防碰撞算法和基于二進(jìn)制搜索(Binary Search, BS)算法兩大類ALOHA 防碰撞算法有ALOHA算法和時(shí)隙 ALOHA算法; BS防碰撞算法有二進(jìn)制樹型搜索算和修剪枝的二進(jìn)制樹型搜索算法等。防碰撞算法可以使系統(tǒng)的吞吐率及信道的利用率更高, 需的時(shí)隙更少, 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率更高, 能夠更好地解決 RFID系統(tǒng)的碰撞問題, 有助于推動(dòng) RFID術(shù)更廣泛的應(yīng)用。
(1)ALOHA算法。
    ALOHA是1968年美國(guó)夏威夷大學(xué)一項(xiàng)研究計(jì)劃的名字, ALOHA 網(wǎng)絡(luò)是世界上最早的無電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)70年代初, 美國(guó)夏威夷大學(xué)研制成功一種分組交換計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò), 種網(wǎng)絡(luò)采用無線廣播技術(shù), 這也是最早、最基本的無線數(shù)據(jù)通信方式。ALOHA 是夏威夷人表致意的問候語, 這項(xiàng)研究計(jì)劃是要解決夏威夷群島之間的通信問題。ALOHA 網(wǎng)絡(luò)可以使分散夏威夷各島的多個(gè)用戶通過無線信道來使用中心計(jì)算機(jī), 實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信, ALO采用的是一種隨機(jī)接人的信道訪問方式。

    ALOHA 算法因具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廠的算法之一。ALOHA 算法是本ALOHA 思想的基礎(chǔ)上, 根據(jù) RFID 系統(tǒng)的特點(diǎn)不斷改進(jìn)而形成的算法體系, 它的本質(zhì)是分離電子標(biāo)簽的應(yīng)答時(shí)間, 使電子標(biāo)簽在不同的時(shí)隙發(fā)送應(yīng)答。ALOHA 算法是一種隨機(jī)接人算法。這種算法多采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式, 即標(biāo)簽一旦進(jìn)入讀寫器的閱讀區(qū)域, 就自動(dòng)向讀寫器發(fā)泌其自身的ID, 隨即標(biāo)簽和讀寫器間開始通信。一旦發(fā)生碰撞, 一般采取退避原則, 等待下一微周期再發(fā)送應(yīng)答。
     純ALOHA 算法信道利用率不高。分析表明, 純ALOHA算法的信道吞吐率S與幀產(chǎn)生率之間的關(guān)系為
                                                                S=Ge-2G
    例如, 計(jì)算可以得出, 當(dāng)G=0. 5時(shí), 信道吞吐率S=18. 4%。
(2)時(shí)隙ALOHA算法。
    幀時(shí)隙(Framed Slotted Aloha, FSA)ALOHA算法是基于通信領(lǐng)域的 ALOHA 協(xié)議提出的, 在FSA中, 幀(Frame)是由讀寫器定義的一段時(shí)間長(zhǎng)度, 其中包含若干個(gè)時(shí)隙(Slot), 電子標(biāo)簽在每幀內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。所有電子標(biāo)簽應(yīng)答都要同步, 即只能在時(shí)隙開始點(diǎn)向讀寫器發(fā)送信息, 每個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)隙是隨機(jī)選擇的。時(shí)隙可以分為3類, 分別為空閑時(shí)隙、應(yīng)答時(shí)隙和碰撞時(shí)隙。在空閑時(shí)隙中沒有識(shí)別任何標(biāo)簽; 在應(yīng)答時(shí)隙中可以正確識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽; 當(dāng)一個(gè)時(shí)隙中有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送應(yīng)答時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生碰撞, 形成碰撞時(shí)隙。碰撞的標(biāo)簽退出當(dāng)前循環(huán), 等待參與新的幀循環(huán)。在幀時(shí)隙 ALOHA 算法中, 信道的利用率有所提高。幀時(shí)(Frame time)表示發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的幀所需的時(shí)間, 吞吐率表示平均每幀時(shí)成功傳送的幀數(shù), 幀產(chǎn)生率表示每幀時(shí)嘗試傳送的總次數(shù)。分析表明, 幀時(shí)隙 ALOHA算法的信道吞吐率S與幀產(chǎn)生率G之間的關(guān)系為
                                                                            S=Ge-G
例如, 計(jì)算可以得出, 當(dāng)G=0. 5時(shí), 信道吞吐率S=0. 368%。
1. 3 RFID中數(shù)據(jù)完整性的實(shí)施策略
    在讀寫器與電子標(biāo)簽的無線通信中, 存在多種干擾因素, 最主要的干擾因素是信道噪聲和信號(hào)沖突。采用恰當(dāng)?shù)男盘?hào)編碼、調(diào)制與校檢方法, 并采取信號(hào)防沖突控制技術(shù), 能顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/span>
1. 信號(hào)的編碼、調(diào)制與校檢
    RFID 系統(tǒng)基帶編碼的方式有多種, 編碼方式與系統(tǒng)所用的防碰撞算法有關(guān)。RFID系統(tǒng)一般采用曼徹斯特編碼, 該編碼半個(gè)bit周期中的負(fù)邊沿表示1, 正邊沿表示0。該編碼若碼元片內(nèi)沒有電平跳變, 則被識(shí)別為錯(cuò)誤碼元。這樣可以按位識(shí)別是否存在碰撞, 易于實(shí)現(xiàn)讀寫器對(duì)多個(gè)標(biāo)
簽的防碰撞處理。信號(hào)傳輸前先進(jìn)行降噪處理, 去除信號(hào)中的低頻分量和高頻分量, 以減少誤碼率。然后進(jìn)行載波調(diào)制, 載波調(diào)制主要有ASK、FSK 和 PSK 等幾種制式, 分別對(duì)應(yīng)于正弦波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號(hào)。在RFID系統(tǒng)中, 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本, 大多數(shù)系統(tǒng)采用ASK的調(diào)制技術(shù)。