rfid第4章標(biāo)簽識別協(xié)議

1、本章內(nèi)容4 RFID的標(biāo)簽識別協(xié)議4.1基于ALOHA的防沖突算法4.2基于二進(jìn)制樹的防沖突算法4.3 防沖突算法的性能分析4.4 小結(jié)4 RFID的標(biāo)簽識別協(xié)議與其他無線傳輸系統(tǒng)一樣，RFID系統(tǒng)也存在信號干擾問題。RFID系統(tǒng)中，主要存在以下兩種類型的信號干擾：閱讀器之間的沖突干擾（多個閱讀器同時發(fā)送信號）標(biāo)簽之間的沖突干擾（多個標(biāo)簽同時響應(yīng)閱讀器）因此，需要降低閱讀器之間以及標(biāo)簽之間的沖突來提高對標(biāo)簽的識別效率。4 RFID的標(biāo)簽識別協(xié)議針對閱讀器(處理能力較強(qiáng))之間的沖突問題，存在三種典型的防沖突協(xié)議：閱讀器之間的沖突基于時分多址（TDMA)基于頻分多址（FDMA) 基于載波偵聽多路訪

2、問（CSMA)4 RFID的標(biāo)簽識別協(xié)議基于時分多址（TDMA)的閱讀器之間將整個時間段劃分成多個間隔,，允許閱讀器在其分配到的時間間隔內(nèi)傳輸信息，來避免閱讀器之間的干擾?；陬l分多址（FDMA)把通信頻段分為多個信道，每一個信道每一次只能分配給一個用戶閱讀器之間使用多個互不干擾的信道，不會產(chǎn)生沖突基于載波偵聽多路訪問（CSMA)就是每個設(shè)備傳輸消息之前需要檢查媒介信道是否空閑，若忙則等待，直到信道被釋放為止，每個閱讀器的接收模塊，首先監(jiān)聽到信道空閑閱讀器將會發(fā)送信息，然后激活接收模塊檢測信號干擾。4 RFID的標(biāo)簽識別協(xié)議與閱讀器相比，標(biāo)簽受硬件資源限制，存儲能力和計(jì)算能力很有限。這使得標(biāo)簽

3、沒有沖突檢測功能，標(biāo)簽之間不能相互的通信，所有的沖突檢測都需要借助于閱讀器完成。從系統(tǒng)的復(fù)雜度以及成本方面考慮，TDMA可用于檢測RFID標(biāo)簽之間的沖突?；赥DMA的 標(biāo)簽之間的防沖突算法基于ALOHA的防沖突算法基于二進(jìn)制樹的防沖突算法4.1基于ALOHA的防沖突算法 基于ALOHA的防沖突算法采用了回退的機(jī)制，標(biāo)簽以概率的方法參與識別過程。三種基于ALOHA的防沖突算法：純ALOHA算法時隙ALOHA算法基于幀的時隙ALOHA算法基于ALOHA的協(xié)議的特點(diǎn)：簡單且公平4.1.1 純ALOHA算法tag1tag2tag31 2多標(biāo)簽信號沖突3成功確認(rèn)沖突確認(rèn)若標(biāo)簽收到成功識別確認(rèn)信息，則不

4、再繼續(xù)發(fā)送標(biāo)識符。否則其等待一段時間后將重新發(fā)送直至發(fā)送成功為止。4.1.1 純ALOHA算法算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但信道利用率僅為18.4%，性能差。4.1.2 時隙ALOHA算法S-ALOHA算法將純ALOHA算法的時間分為若干時隙，每個時隙大于或等于標(biāo)簽標(biāo)識符發(fā)送的時間長度，并且每個標(biāo)簽只能在時隙開始時刻發(fā)送標(biāo)識符。由于系統(tǒng)進(jìn)行了時間同步，S ALOHA協(xié)議的信道利用率達(dá)到36.8%，是純ALOHA的兩倍。4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法tag1tag2tag3幀長度f閱讀器廣播幀長度（f）標(biāo)簽在接收f以后隨機(jī)在0(f-1)中選擇一個整數(shù)作為其時隙序號，并存于寄存器（SN)在下一幀的每

5、個時隙中，閱讀器通過時隙開始命令啟動一個新時隙，若標(biāo)簽SN為0則立即發(fā)送標(biāo)識符號，否則SN-1.10f-1SN23若標(biāo)識符發(fā)送成功，則標(biāo)簽休眠，否則等待在下一幀中重新選擇時隙發(fā)送標(biāo)識符。在S-ALOHA基礎(chǔ)上，將若干個時隙組織為一幀，閱讀器按照幀為單元進(jìn)行識別。4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法FSA算法三種狀態(tài)時隙沖突時隙空時隙單時隙p 沖突時隙：不止一個標(biāo)簽響應(yīng)p 單 時 隙：只有一個標(biāo)簽響應(yīng)p 空 時 隙：沒有標(biāo)簽響應(yīng)4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法FSA算法的優(yōu)點(diǎn)在于邏輯簡單，電路設(shè)計(jì)簡單，所需內(nèi)存少，且在幀內(nèi)只隨機(jī)發(fā)送一次能夠更進(jìn)一步降低了沖突的概率。FSA成為RFID系統(tǒng)中最

6、常用的一種基于ALOHA的防沖突算法4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法FSA算法局限性：幀的長度固定p當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)大于幀長度標(biāo)簽沖突概率增大，識別標(biāo)簽的時間會極大地增加p當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于幀長度時隙會巨大浪費(fèi)，識別時間也會增加p當(dāng)幀的長度等于閱讀器場內(nèi)標(biāo)簽的數(shù)目時，F(xiàn)SA才能獲得最佳的識別性能，信道利用率最大為36.8%。信道利用率與幀長、標(biāo)簽數(shù)量之間的關(guān)系4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽數(shù)量往往是動態(tài)變化的。動態(tài)自適應(yīng)設(shè)置幀長度的算法可以解決FSA的局限性。常見的幀長調(diào)整方法：根據(jù)前一幀通信獲取的空的時隙數(shù)目，發(fā)生碰撞的時隙數(shù)目和成功識別標(biāo)簽的時隙數(shù)目的數(shù)量估計(jì)當(dāng)前的標(biāo)簽數(shù)并

7、設(shè)置下一幀的最優(yōu)的長度；根據(jù)前一時隙的反饋動態(tài)調(diào)整幀長為2的整數(shù)倍，這種方法最具代表性的是EPCglobalGen2標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)的Q算法4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法Q算法：當(dāng)一幀出現(xiàn)過多的沖突時隙時，閱讀器會提前結(jié)束該幀并重新發(fā)送一個更大的幀；當(dāng)一個幀出現(xiàn)過多的空閑時隙時，閱讀器也會提前結(jié)束該幀，重新啟動一個更小的幀Qfp：幀參數(shù)C：常量（0.10.5）Query:幀開始命令Q算法能夠自適應(yīng)地調(diào)整幀長，識別效率高，在超高頻識別系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。4.1.3基于幀的時隙ALOHA算法基于ALOHA的防沖突算法簡單，并且兼顧了公平性。但是，標(biāo)簽存在餓死的問題。當(dāng)一個標(biāo)簽選擇的時隙總是沖突

8、時隙，則該標(biāo)簽可能永遠(yuǎn)無法被識別。4.2 基于二進(jìn)制樹的防沖突算法基于二進(jìn)制樹的防沖突算法的基于二進(jìn)制樹的防沖突算法的基本思想基本思想：按照遞歸的方式將沖突的標(biāo)簽集合劃分為兩個子集，直到集合中只剩下一個標(biāo)簽為止。劃分子集的算法：劃分子集的算法：隨機(jī)二進(jìn)制樹算法：讓標(biāo)簽隨機(jī)選擇所屬的集合查詢二進(jìn)制樹算法：按照標(biāo)簽的標(biāo)示符劃分子集4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法需要每個標(biāo)簽維持一個計(jì)數(shù)器（初始值為0）。在每一個間隙開始時，如果標(biāo)簽的計(jì)數(shù)器為0則立即發(fā)送自己的標(biāo)識符號，否則該時隙不響應(yīng)。一般，標(biāo)簽被成功識別后將進(jìn)入沉默狀態(tài)，對以后時隙的閱讀器命令均不響應(yīng)。場內(nèi)標(biāo)簽調(diào)整計(jì)數(shù)器規(guī)則

9、：若該時隙為沖突時隙，參與相應(yīng)的標(biāo)簽會從0或1中隨機(jī)選擇一個，將其加到自己的計(jì)數(shù)器上。整個識別過程就像對二叉樹進(jìn)行中序遍歷。不存在標(biāo)簽餓死的問題，但需要維護(hù)計(jì)數(shù)器。4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010011010011110IDtag1tag2tag3tag44.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4REQUEST0000 SN 響應(yīng)(1,2,3,4)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2

10、tag3tag4沖突0010 SN 響應(yīng)(1,2,4)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4沖突1021 SN 響應(yīng)(2)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4成功0010 SN 響應(yīng)(1,4)標(biāo)簽2成功識別，沉默4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4沖突0021 SN 響應(yīng)(1)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制

11、樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4成功0010 SN 響應(yīng)(4)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4成功0010 SN 響應(yīng)(4)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag3tag4成功0000 SN 響應(yīng)(3)4.2.1基于隨機(jī)二進(jìn)制樹的防沖突算法隨機(jī)二進(jìn)制樹算法實(shí)例：0010 0110 10011110 ID tag1tag2tag

12、3tag4成功0000 SN 4.2.2基于查詢二進(jìn)制樹的防沖突算法查詢二進(jìn)制樹算法是一個無狀態(tài)協(xié)議，標(biāo)簽只需要根據(jù)閱讀器廣播的標(biāo)示符前綴作比較。閱讀器維持一個二進(jìn)制前綴（初始值為0）。每個間隙開始時，閱讀器廣播該二進(jìn)制前綴，標(biāo)簽將自己的標(biāo)簽標(biāo)識符前幾位與此二進(jìn)制前綴進(jìn)行筆記哦啊，若相同則該標(biāo)簽發(fā)送標(biāo)識符號。整個識別過程就像根據(jù)標(biāo)簽的表示符號建立一棵查詢二叉樹。可用于無可寫存儲區(qū)的標(biāo)簽，不存在標(biāo)簽餓死。受ID長度以及分布的影響。4.2.2基于查詢二進(jìn)制樹的防沖突算法查詢二進(jìn)制樹算法實(shí)例：步驟步驟請求比特串請求比特串S標(biāo)簽的響應(yīng)標(biāo)簽的響應(yīng)1 0 沖突200 沖突3000 空閑4001 沖突500

13、10 001060011 0011701 空閑81 沖突910 10011011 沖突11110 沖突121100 1100131101 110114111 11104.3 防沖突算法的性能分析基于ALOHA的防沖突算法與基于二進(jìn)制樹的防沖突算法各有利弊。同時，不同算法的性能也不同。4.3 防沖突算法的性能分析基于ALOHA的防沖突算法的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)果可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析標(biāo)簽識別性能良好算法簡單最壞情況，時延趨于+標(biāo)簽“餓死”4.3 防沖突算法的性能分析基于二進(jìn)制樹的防沖突算法的優(yōu)缺點(diǎn)不需要存儲中間狀態(tài)變量算法簡單標(biāo)簽識別時延受標(biāo)簽ID分布及長度影響4.3 防沖突算法的性能分析防沖突算法防沖突算法時間復(fù)雜度時間復(fù)雜度傳輸復(fù)雜度傳輸復(fù)雜度是否需要標(biāo)簽可寫是否需要標(biāo)簽可寫基于基于幀的時隙幀的時隙ALOHA算法算法 (FSA)是 (8比特或者16比特的內(nèi)存，用來計(jì)數(shù)，指示標(biāo)簽響應(yīng)的時隙)隨機(jī)隨機(jī)二進(jìn)制樹算法二進(jìn)制樹算法是 (8比特或16比特的內(nèi)存，用來存儲計(jì)數(shù)器的值，指示標(biāo)簽的響應(yīng)序列和響應(yīng)時間)查詢查詢二進(jìn)制樹算