射頻識(shí)別技術(shù)即RFID" title="RFID" target="_blank">RFID（Radio Frequency Identification）是一種通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，并對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。它由一個(gè)附在天線上的微芯片構(gòu)成，芯片中存儲(chǔ)唯一的電子產(chǎn)品代碼，用于標(biāo)識(shí)單個(gè)商品。它由于具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、讀取距離大，可實(shí)現(xiàn)非接觸目標(biāo)識(shí)別等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、交通、醫(yī)療、物流、資產(chǎn)管理等眾多領(lǐng)域。射頻識(shí)別主要由電子標(biāo)簽和讀寫器組成。通過(guò)讀寫器發(fā)射無(wú)線電波，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。
    在許多應(yīng)用領(lǐng)域，單個(gè)標(biāo)簽已經(jīng)能夠滿足要求。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域像圖書館藏書、機(jī)場(chǎng)包裹管理、零售業(yè)等等，這些應(yīng)用場(chǎng)合標(biāo)簽數(shù)量較多，閱讀器讀取范圍內(nèi)可能會(huì)存在多個(gè)標(biāo)簽，這樣在讀取標(biāo)簽時(shí)就會(huì)不可避免地發(fā)生沖突。因此防碰撞協(xié)議的研究是必須的。本文提出一種新的防碰撞協(xié)議，新協(xié)議結(jié)合了兩種基本的防碰撞協(xié)議,與現(xiàn)有的RFID防碰撞協(xié)議相比新協(xié)議極大地提高了系統(tǒng)的讀取效率,協(xié)議設(shè)計(jì)更加靈活實(shí)用。
1 RFID系統(tǒng)中防碰撞協(xié)議
    為了解決碰撞問(wèn)題，產(chǎn)生了很多的防碰撞算法，目的就是把眾多的標(biāo)簽按照某種方式分隔開(kāi)進(jìn)行逐個(gè)讀取，主要有頻分多路法(FDMA)、空分多路法(SDMA)、時(shí)分多路法(TDMA)和碼分多路法(CDMA)四種方法。防碰撞算法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    空分多路法由于其復(fù)雜的天線系統(tǒng)的高費(fèi)用使得應(yīng)用不是很廣泛，頻分多路法由于其閱讀器的費(fèi)用比較高，應(yīng)用也受到了限制。碼分多路法的多路方式軟件設(shè)計(jì)困難，讀寫器每一路都需要相應(yīng)的硬件或軟件支持，非常復(fù)雜，所以不適合RFID系統(tǒng)。因此，TDMA成為反碰撞算法最廣泛的選擇，該方法又分為標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法和閱讀器驅(qū)動(dòng)法，標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法中具有代表性的算法是Aloha算法。閱讀器驅(qū)動(dòng)法需要準(zhǔn)確的同步進(jìn)而無(wú)錯(cuò)誤的檢測(cè)出碰撞位，它再劃分為“輪詢法”和“分裂法”。由于Aloha算法不能有效地解決標(biāo)簽餓死的問(wèn)題，所以本文的研究主要在分裂法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
1.1 二進(jìn)制防碰撞協(xié)議
    二進(jìn)制防碰撞協(xié)議中，閱讀器應(yīng)用二進(jìn)制搜索算法能夠成功地讀取它范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。標(biāo)簽含有唯一的ID序列號(hào)(由一些二進(jìn)制碼構(gòu)成)，閱讀器在每次查詢過(guò)程中只發(fā)送一位0或1，標(biāo)簽中與接收的位相同的才會(huì)發(fā)生應(yīng)答，并發(fā)送自己的下一位直至所有ID序列號(hào)傳完。標(biāo)簽中與接收到的位不相同的就會(huì)轉(zhuǎn)到待機(jī)狀態(tài)，直到某個(gè)標(biāo)簽被識(shí)別剩余的標(biāo)簽重置。在一個(gè)識(shí)別過(guò)程中，如果閱讀器發(fā)現(xiàn)沖突就會(huì)發(fā)0，否則發(fā)送從標(biāo)簽接收的那一位作為下一個(gè)查詢位。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

1.2 查詢樹(shù)防碰撞協(xié)議
    查詢樹(shù)算法是一種無(wú)記憶標(biāo)簽防碰撞算法。讀寫器發(fā)送一個(gè)前綴查詢信息，與這個(gè)前綴相匹配的標(biāo)簽做出響應(yīng)。讀寫器發(fā)出的前綴決定了碰撞的標(biāo)簽如何分裂。標(biāo)簽除了其自身的ID號(hào)以外無(wú)需記憶其他額外的信息。一旦一個(gè)標(biāo)簽被成功識(shí)別，讀寫器就開(kāi)始新一輪的讀取操作。協(xié)議原理：讀寫器發(fā)送長(zhǎng)度為k的前綴；ID中前k bit和前綴匹配的標(biāo)簽反饋第(k+1)bit至最后1 bit。如果閱讀器收到的ID碰撞，再先后將前綴加“0”或 “1”，作為新的前綴發(fā)送出去。如果沒(méi)有發(fā)生碰撞，就表明有一個(gè)標(biāo)簽被識(shí)別了。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

2 改進(jìn)型防碰撞協(xié)議
    本文設(shè)計(jì)了一種新的防碰撞協(xié)議，它是結(jié)合了二進(jìn)制防碰撞協(xié)議和查詢樹(shù)防碰撞協(xié)議而構(gòu)成的，它能夠在最壞的情況下，減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)，很大程度上減少了沖突的發(fā)生，增加了標(biāo)簽的讀取速度。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

    在改進(jìn)型協(xié)議中，如果標(biāo)簽在狀態(tài)S2下檢測(cè)到碰撞的發(fā)生，它會(huì)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3來(lái)接收閱讀器發(fā)送的屏蔽位，而不是直接跳到S0。狀態(tài)S3的加入很大程度上減少了標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)。這個(gè)效果是很明顯的，如果兩個(gè)標(biāo)簽的第一位相同而接下來(lái)的位都不相同，運(yùn)用二進(jìn)制和查詢樹(shù)協(xié)議時(shí)，閱讀器必須發(fā)送兩個(gè)不同的位來(lái)識(shí)別兩個(gè)標(biāo)簽,標(biāo)簽經(jīng)歷兩次從S0到S1再到S2的轉(zhuǎn)換，而在改進(jìn)型協(xié)議中由于S3的加入，一個(gè)標(biāo)簽在識(shí)別的同時(shí)其他標(biāo)簽只需向閱讀器發(fā)送一個(gè)前綴位。這樣既減少了識(shí)別過(guò)程中能量的消耗，又增加了識(shí)別速度。例如對(duì)#28（11100）和#30（11110）兩個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別，運(yùn)用二進(jìn)制防碰撞協(xié)議需要21次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和19次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，查詢樹(shù)防碰撞協(xié)議需要21次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和8次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而改進(jìn)型協(xié)議只需要15次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和7次狀態(tài)轉(zhuǎn)換（Ps為現(xiàn)在的狀態(tài)；Ns為下一個(gè)狀態(tài)），表1是在新協(xié)議下對(duì)兩個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別過(guò)程。

    運(yùn)用這個(gè)協(xié)議，需要增加一個(gè)硬件用來(lái)在S3狀態(tài)下減少它的ID指針，標(biāo)簽在S3收到的屏蔽位需要與先前發(fā)送的那位相比較，來(lái)確定標(biāo)簽的下個(gè)狀態(tài)。
3 性能分析
    一個(gè)RFID系統(tǒng)性能的好壞，主要是衡量它的能量消耗和讀取速度。本文主要從狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)次數(shù)兩個(gè)方面考慮。標(biāo)簽的識(shí)別過(guò)程各種情況的標(biāo)簽的分布都有可能發(fā)生，要衡量RFID防碰撞協(xié)議的性能，就要從最壞的情況[1]考慮。
3.1 數(shù)學(xué)分析
    在不計(jì)命令時(shí)間、前后綴開(kāi)銷及校驗(yàn)冗余等情況下對(duì)各算法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，若在閱讀器范圍內(nèi)有n個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽的ID位數(shù)為N，則在滿足2≤n≤2N-2情況下，以上三種協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)如下：

3.2 仿真結(jié)果
    仿真時(shí)筆者認(rèn)為三種協(xié)議識(shí)別一個(gè)特定的標(biāo)簽時(shí)間是相等的。仿真環(huán)境：標(biāo)簽ID長(zhǎng)度為2的整數(shù)倍，沖突標(biāo)簽數(shù)為4，30次仿真取均值。仿真結(jié)果如圖5所示。

    由仿真結(jié)果可見(jiàn)，改進(jìn)型協(xié)議在識(shí)別效率上明顯優(yōu)于二進(jìn)制協(xié)議和查詢樹(shù)協(xié)議,在標(biāo)簽ID位比較長(zhǎng)的情況下尤為明顯。
    在研究了RFID系統(tǒng)中現(xiàn)有的防碰撞協(xié)議的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的防碰撞協(xié)議。通過(guò)算法分析及仿真表明，該協(xié)議較大幅度減少了每條命令的信息量，使系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸時(shí)間大大減少，有效節(jié)省了傳輸信道，能更準(zhǔn)確、更高效、更好地解決射頻識(shí)別系統(tǒng)中多個(gè)標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，具有良好應(yīng)用前景。
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