RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之防碰撞機(jī)制分析與實(shí)現(xiàn)

《防碰撞機(jī)制分析與實(shí)現(xiàn)》

一、教學(xué)內(nèi)容的引入二、產(chǎn)生碰撞的原因三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容四、讀寫器防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)一、教學(xué)內(nèi)容的引入

澳洲RECALL公司，稽查文件，多個(gè)文件箱同時(shí)通過閘門讀寫器，如何正確識(shí)別？二、產(chǎn)生碰撞的原因在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，因?yàn)槎鄠€(gè)讀寫器或多個(gè)標(biāo)簽，造成的讀寫器之間或標(biāo)簽之間的相互干擾，統(tǒng)稱為碰撞。1什么是碰撞1、讀寫器碰撞2、標(biāo)簽碰撞2碰撞的類型Data1Data5Data4Data3Data5Data4Data3Data2Data2Data1RFID數(shù)據(jù)碰撞示意圖二、產(chǎn)生碰撞的原因TimeTime完全碰撞Time讀寫器TagATagBtag1閱讀器tag2tag3tag4tag5多標(biāo)簽碰撞二、產(chǎn)生碰撞的原因一個(gè)讀寫器的讀寫范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽存在，發(fā)生通信沖突。二、產(chǎn)生碰撞的原因R1RrRrReader2Reader1讀寫器-讀寫器頻率干擾

R1為Reader1的干擾范圍

Rr為Reader1和Reader2的讀取范圍

從標(biāo)簽T反射到讀寫器Reader2的信號(hào)很容易被從Reader1發(fā)出的信號(hào)干擾。Tag二、產(chǎn)生碰撞的原因Tag3Tag2Tag1Reader1Reader2多讀寫器一標(biāo)簽干擾

標(biāo)簽1接收到的信息為兩個(gè)讀寫器發(fā)射信號(hào)的矢量和,是一個(gè)未知信號(hào)。

如何解決碰撞的問題呢？三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)讀寫器Tag3Tag5Tag2Tag6Tag4Tag7Tag11、空分多址SDMA法1、空間分割多重存取ReaderTagTagTag三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

分離的空間范圍內(nèi)重新使用確定的資源（通信容量）1、自適應(yīng)SDMA，電子控制定向天線，天線的方向直接對(duì)準(zhǔn)某個(gè)標(biāo)簽2、減少單個(gè)讀寫器的作用范圍三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)讀寫器Tag1Tag3Tag5Tag4Tag2閱讀器廣播命令閱讀器讀寫區(qū)域f1f2f3f4f52、頻分多址FDMA法2、頻率分割多重存取ReaderTagTagTagabcabc三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

把若干個(gè)使用不同載波頻率的傳輸通路同時(shí)供給通信用戶使用。3、時(shí)間分割TDMAa’b’c’abcReaderTag1Tag2Tag3a’ab’bc’c三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)TDMA是把整個(gè)可供使用的信道容量按時(shí)間分配給多個(gè)同戶的技術(shù)。(1).純-ALOHA(PureALOHA)法即標(biāo)簽只要有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求就立即發(fā)送出去，而不管無線信道中是否已有數(shù)據(jù)在傳輸。它是無線網(wǎng)絡(luò)中最早采用的多址技術(shù)，也是最為簡單的一種方法。在RFID系統(tǒng)中，這種方法僅適用于只讀標(biāo)簽(Readonlytag)。ALOHA系統(tǒng)所采用的多址方式基于TDMA，是一種無規(guī)則的時(shí)分多址，或者叫隨機(jī)多址。用于實(shí)時(shí)性不高的場合。1防碰撞的基本算法ALOHA基本思想很簡單：當(dāng)用戶想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它就可以在任何時(shí)候發(fā)送。有可能發(fā)生沖突。沖突導(dǎo)致傳輸不成功。得不到確認(rèn)或者本身偵聽到錯(cuò)誤。等待隨機(jī)長時(shí)間重發(fā)。通信量越大，碰撞的可能性也越大。主要特點(diǎn)是各個(gè)標(biāo)簽發(fā)射時(shí)間不需要同步，是完全隨機(jī)的，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。當(dāng)標(biāo)簽不多時(shí)它可以很好的工作。缺點(diǎn)就是數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中碰撞發(fā)生的概率很大。經(jīng)過分析，ALOHA法的最大吞吐率只有18.4％，80％以上的信道容量沒有被利用。對(duì)于較小的數(shù)據(jù)包量，無線信道的大部分時(shí)間沒有被利用，而隨著數(shù)據(jù)包量的增加，標(biāo)簽碰撞的概率又會(huì)明顯增加。（2）．時(shí)隙ALOHA法為了提高接入系統(tǒng)的吞吐量，可將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)隙，記為T0。規(guī)定數(shù)據(jù)幀只能在時(shí)隙的開始才能發(fā)送出去。如果一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有一個(gè)站點(diǎn)到達(dá)，則該分組會(huì)傳輸成功；如果有多于一個(gè)的分組到達(dá)，將會(huì)發(fā)生碰撞。和純ALOHA一樣，發(fā)生碰撞后，各標(biāo)簽仍是經(jīng)過隨機(jī)時(shí)延后分散重發(fā)的。如果有許多標(biāo)簽處于閱讀器的作用范圍內(nèi)，在最不利的情況下，經(jīng)過多次搜索也可能沒有發(fā)現(xiàn)序列號(hào)，因?yàn)闆]有唯一的標(biāo)簽?zāi)軉为?dú)處于一個(gè)時(shí)隙之中而發(fā)送成功。因此，需要準(zhǔn)備足夠大量的時(shí)隙，這樣做法降低了防碰撞算法的性能。算法

ISO18000-6協(xié)議中使用的是一種二進(jìn)制樹形防碰撞算法，通過標(biāo)簽內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生0、1及內(nèi)置計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的防碰撞。2防碰撞的基本算法——二進(jìn)制碰撞算法三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)樹分叉算法沖突節(jié)點(diǎn)非沖突節(jié)點(diǎn)011011100101樹分叉算法三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)基本思想是：將處于碰撞的標(biāo)簽分成左右兩個(gè)子集0和1，先查詢子集0，若沒有碰撞，則正確識(shí)別標(biāo)簽，若仍有碰撞則分裂，把1子集分成10和11兩個(gè)子集，直到識(shí)別子集1中所有標(biāo)簽?；诼鼜厮固鼐幋a信號(hào)的Manchester編碼可以讓讀寫器準(zhǔn)確地判斷出數(shù)據(jù)碰撞的比特位置，2防碰撞的基本算法——二進(jìn)制搜索算法（1）REQUEST——請(qǐng)求(序列號(hào))。此命令發(fā)送一序列號(hào)作為參數(shù)給射頻卡。應(yīng)答規(guī)則是，射頻卡把自己的序列號(hào)與接收到的序列號(hào)比較，如果自身序列號(hào)小于或等于REQUEST指令序列號(hào)參數(shù)，則此射頻卡回送其序列號(hào)給讀寫器。這樣可以縮小預(yù)選的射頻卡的范圍；如果大于，則不響應(yīng)。當(dāng)進(jìn)入“識(shí)別”有多個(gè)標(biāo)簽----防碰撞指令規(guī)則

三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

所有接收到FAIL指令且內(nèi)部計(jì)數(shù)器不等于0的標(biāo)簽計(jì)數(shù)器加1。所有接收到FAIL指令且內(nèi)部計(jì)數(shù)器等0的標(biāo)簽將產(chǎn)生一個(gè)1或者0的隨機(jī)數(shù)，如果是1，則標(biāo)簽計(jì)數(shù)器加1，如果是0，則標(biāo)簽計(jì)數(shù)器保持不變，并再次發(fā)送其識(shí)別碼。

(2)SELECT——選擇(序列號(hào))。用某個(gè)(事先確定的)序列號(hào)作為參數(shù)發(fā)送給射頻卡。具有相同序列號(hào)的射頻卡將以此作為執(zhí)行其他命令(例如讀出和寫入數(shù)據(jù))的切入開關(guān)，即選擇這個(gè)射頻卡。具有其他序列號(hào)的射頻卡只對(duì)REQUEST命令應(yīng)答。

（3）READ-DATA——讀出數(shù)據(jù)。選中的射頻卡將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。

當(dāng)進(jìn)入“識(shí)別”有多個(gè)標(biāo)簽----防碰撞指令規(guī)則

三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

(4)UNSELECT

——取消選擇。取消一個(gè)事先選中的射頻卡，射頻卡進(jìn)入"無聲"狀態(tài)，在這種狀態(tài)下射頻卡完全是非激活的，對(duì)收到的REQUEST命令不作應(yīng)答。為了重新話化射頻卡，必須先將射頻卡移出讀寫器的作用范圍再進(jìn)入，以實(shí)行復(fù)位。

射頻卡進(jìn)入讀寫器的工作范圍，讀寫器發(fā)出一個(gè)最大序列號(hào)讓所有射頻卡響應(yīng)；同一時(shí)刻開始傳輸它們的序列號(hào)到讀寫器的接收模塊。讀寫器對(duì)比射頻卡響應(yīng)的序列號(hào)的相同位數(shù)上的數(shù)。出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象即有的序列號(hào)該位為0，而有的序列號(hào)該位為1把有不一致位的數(shù)從最高位到低位依次置O再輸出系列號(hào)，即依次排除序列號(hào)大的數(shù)，至讀寫器對(duì)比射頻卡響應(yīng)的序列號(hào)的相同位數(shù)上的數(shù)完全一致時(shí)，說明無碰撞。選出序列號(hào)最小的數(shù)后，對(duì)該標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后使該卡進(jìn)入“無聲”狀態(tài)。YN三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法的工作流程是：101100001110??????射頻卡1射頻卡2讀寫器譯碼三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

在二進(jìn)制搜索算法的實(shí)現(xiàn)中，起決定作用的是讀寫器所使用的信號(hào)編碼必須能夠確定碰撞的準(zhǔn)確比特位置。曼徹斯特碼(Mancherster)可在多卡同時(shí)響應(yīng)時(shí)，譯出錯(cuò)誤碼字，可以按位識(shí)別出碰撞。這樣可以根據(jù)碰撞的位置，按一定法則重新搜索射頻卡。范例：二元搜尋算法A:10100111B:10110101C:10101111D:10111101R:11111111R:11111111送REQUEST（11111111）命令，要求區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽應(yīng)答，根據(jù)曼徹斯特編碼，解碼數(shù)據(jù)為101??1?1,發(fā)生碰撞，算法做下如下，將碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得下次的REQUEST(10101111)???R表示閱讀器三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)范例：二元搜尋算法搜尋標(biāo)簽過程A:10100111C:10101111R:10101111R:10101111送REQUEST（10101111）命令，標(biāo)簽A和C應(yīng)答。解碼數(shù)據(jù)為1010?111,發(fā)生碰撞，算法做下如下，將碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得10100111?R表示閱讀器三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)范例：二元搜尋算法A:10100111C:10101111R:10100111R:10100111送REQUEST（10100111）命令，只有標(biāo)簽A應(yīng)答。沒有發(fā)生碰撞，閱讀器對(duì)標(biāo)簽A進(jìn)行閱讀操作。R表示閱讀器可以識(shí)別A三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)ImprovedAnti-collisionAlgorithm搜尋過程第一次搜尋第二次搜尋第三次搜尋第四次搜尋第五次搜尋發(fā)送序號(hào)接收序號(hào)TagATagBTagCTagD三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)1010011110110101101011111011110111111111101??1?11010111110100111101011111010?1111010011110100111識(shí)別TagA10110101101011111011110111111111101??1?11010111110101111識(shí)別TagCImprovedAnti-collisionAlgorithm搜尋過程第六次搜尋第七次搜尋第八次搜尋第九次搜尋第十次搜尋發(fā)送序號(hào)接收序號(hào)TagATagBTagC

TagD三、防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)1011010110111101111111111011?10110110101101101011011110110111101識(shí)別TagB識(shí)別TagD采用二進(jìn)制樹形搜索算法的RFID系統(tǒng)特點(diǎn)是：具有較高的穩(wěn)定性，屬于TDMA方式，易于用軟件實(shí)現(xiàn)，吞吐率最高可達(dá)36．4％。但I(xiàn)D不能太長，ID越長所需要的時(shí)間就越長，當(dāng)時(shí)間超過一定限度時(shí)，這種算法將不再適用。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制樹搜索算法標(biāo)簽的ID達(dá)到幾個(gè)字節(jié)以上時(shí)，不但不能在有效的時(shí)間內(nèi)正確識(shí)別出標(biāo)簽，還會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，考慮采用動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法。一般說來，ID總有相同的高位，假設(shè)20個(gè)ID中有5個(gè)的最高三位是相同的，REQUEST先發(fā)送這相同的高三位就可以先處理這五個(gè)ID，再處理其他的ID，這種已知部分ID動(dòng)態(tài)查詢ID的方法就是動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法。采用動(dòng)態(tài)二進(jìn)制樹搜索算法的RFID系統(tǒng)特點(diǎn)是：隨機(jī)性小，準(zhǔn)確率高，吞吐率大，穩(wěn)定性好。1、RFID讀寫器沖突及解決途徑

密集讀寫器環(huán)境中的讀寫器沖突四、讀寫器防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)密集讀寫器環(huán)境就是指在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，在預(yù)定區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)RFID讀寫器，以滿足對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行完全的、高可靠的讀取要求。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)讀寫器和一個(gè)中央計(jì)算機(jī)，讀寫器與中央計(jì)算機(jī)之間一般采用局域網(wǎng)（LAN）或無線局域網(wǎng)（WLAN）方式進(jìn)行通信連接。密集讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)分時(shí)傳輸解決讀寫器沖突

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)讀寫器通常具有不同范圍的識(shí)讀區(qū)域，各讀寫器的識(shí)讀區(qū)域可能有交集，即識(shí)讀區(qū)域有相互重疊的部分。為了便于說明，用圖7-17近似地描繪了密集讀寫器環(huán)境下的讀寫器沖突。每個(gè)圓圈代表一個(gè)讀寫器的識(shí)讀區(qū)域（實(shí)際應(yīng)用中的識(shí)讀區(qū)域可能為不規(guī)則形狀），圓點(diǎn)代表相應(yīng)的讀寫器。如果兩個(gè)讀寫器的識(shí)讀區(qū)域有相互重疊，如圖7-17中的R1和R2，則當(dāng)R1、R2同時(shí)工作時(shí)，如果不采取防沖突措施，就會(huì)產(chǎn)生讀寫器沖突，甚至使整個(gè)RFID系統(tǒng)無法正常工作。

四、讀寫器防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)密集環(huán)境下讀寫器沖突示意圖解決讀寫器沖突

Colorwave算法：

該算法是一種分布式的TDMA算法，通過給閱讀器分配不同的時(shí)隙來避免閱讀器之間的碰撞。該算法需要所有閱讀器之間時(shí)間同步，還要求所有閱讀器都可以檢測RFID系統(tǒng)中的碰撞。四、讀寫器防碰撞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)Q．Learing算法：——Q．Learing算法是一個(gè)分等級(jí)的，在線學(xué)習(xí)算法。——閱讀器發(fā)送碰撞信息給閱讀器等級(jí)服務(wù)器(R—sever)。一個(gè)獨(dú)立的R—server給閱讀器分配資源，用這個(gè)方法使閱讀器的通信之間