RFID系統(tǒng)中多電子標(biāo)簽防碰撞改進(jìn)算法詳細(xì)教程

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通常由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成，通過(guò)DSRC短程通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。RFID系統(tǒng)工作時(shí)，如果遇到兩個(gè)以上電子標(biāo)簽都在讀寫(xiě)器信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)，則各個(gè)電子標(biāo)簽會(huì)同時(shí)對(duì)讀寫(xiě)器發(fā)出信號(hào)，從而造成各電子標(biāo)簽間數(shù)據(jù)的碰撞，使讀寫(xiě)器不能正常讀取各個(gè)電子標(biāo)簽內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)，這就是RFID系統(tǒng)中的多路存取問(wèn)題。因此只有解決好電子標(biāo)簽的碰撞問(wèn)題，才能使RFID系統(tǒng)正常工作，而解決電子標(biāo)簽防碰撞問(wèn)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BS（Binary search）算法兩大類。Aloha是一種隨機(jī)接入算法，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)入閱讀器的閱讀區(qū)域就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送其自身的ID，隨即標(biāo)簽和閱讀器間開(kāi)始通信。在標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，若有其他標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生信號(hào)重疊從而導(dǎo)致完全沖突或部分沖突，閱讀器檢測(cè)接收到的信號(hào)來(lái)判斷有無(wú)沖突。如果發(fā)生沖突，閱讀器將發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新發(fā)起查詢。該算法特點(diǎn)是：算法簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)，適用于低成本RFID系統(tǒng)。但是由于該算法的時(shí)隙是隨機(jī)分配的，當(dāng)大量標(biāo)簽并存時(shí)，幀沖突嚴(yán)重。而基于BS算法是通過(guò)多次比較，不斷篩選出不同的標(biāo)簽號(hào)，時(shí)分復(fù)用地進(jìn)行讀寫(xiě)器和射頻卡之間的信號(hào)交換，以一個(gè)獨(dú)特的序列號(hào)識(shí)別射頻卡為基礎(chǔ)。為了從一組射頻卡中選出其中的一個(gè)，讀寫(xiě)器需要發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求命令，有意識(shí)地將射頻卡序列號(hào)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)碰撞引導(dǎo)到讀寫(xiě)器上，即讓讀寫(xiě)器來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。如發(fā)生碰撞，則縮小范圍進(jìn)行進(jìn)一步搜索。這類算法雖然識(shí)別效率高，但是算法比較復(fù)雜，識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)。本文在二進(jìn)制防碰撞算法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的防碰撞算法。

1.兩種典型的二進(jìn)制防碰撞算法的分析

1.1二進(jìn)制搜索算法

實(shí)現(xiàn)BS算法系統(tǒng)的必要前提是能夠辨認(rèn)出在讀寫(xiě)器中數(shù)據(jù)沖突位的準(zhǔn)確位置，因此必須選用合適的編碼。曼徹斯特編碼能夠按位識(shí)別出碰撞位，這樣可以根據(jù)碰撞的位置，按一定的規(guī)則重新搜索標(biāo)簽。因此，使用曼徹斯特編碼是實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索防碰撞算法的必要前提。BS算法的工作流程如下：

（1）電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用范圍時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)送命令REQUEST（≤11111111），所有滿足此條件的電子標(biāo)簽響應(yīng)此命令，并將自己的EPC號(hào)傳給讀寫(xiě)器。

（2）讀寫(xiě)器對(duì)比電子標(biāo)簽響應(yīng)的EPC碼相同位數(shù)上的數(shù)，根據(jù)Manchester編碼規(guī)則，若出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，即可判斷出該比特位有碰撞。

（3）當(dāng)確定有碰撞后，將此次發(fā)生碰撞的最高位置“0”，最高碰撞位之前的比特位不變，最高碰撞位后的所有比特位都置“1”，并產(chǎn)生新的請(qǐng)求命令REQUEST，依次排除序列號(hào)大的標(biāo)簽，直到讀寫(xiě)器對(duì)比電子標(biāo)簽響應(yīng)的序列號(hào)中相同位數(shù)上的數(shù)完全一致時(shí)，則說(shuō)明無(wú)碰撞。此時(shí)，使用選擇命令（SELECT）選出一個(gè)唯一的標(biāo)簽。

（4）選出唯一的標(biāo)簽后，使用READ-DATA命令完成讀寫(xiě)器與該電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換。并使用選擇命令（UNSELECT）進(jìn)入“無(wú)聲”狀態(tài)，此時(shí)在讀寫(xiě)器范圍內(nèi)不再響應(yīng)（重新進(jìn)入讀寫(xiě)器范圍可再次響應(yīng)）。為了重新激活電子標(biāo)簽，必須進(jìn)行復(fù)位操作。

（5）重復(fù)前4個(gè)步驟，并選擇剩余的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)交換。多次循環(huán)后即可完成所有電子標(biāo)簽的讀取。

1.2動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法（DBS）

在BS搜索算法中，從讀寫(xiě)器和單個(gè)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)流可以看出，讀寫(xiě)器發(fā)出的請(qǐng)求命令中，最高碰撞位后的所有比特位都被置“1”，對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別不能提供任何的信息。而標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)中，最高碰撞位以前的比特位及最高碰撞位不包含給讀寫(xiě)器的補(bǔ)充信息，因?yàn)檫@些位是已知且給定的，屬于多余的重復(fù)信息。基于此人們提出了動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法（DBS），當(dāng)讀寫(xiě)器檢測(cè)到碰撞后，下一次讀寫(xiě)器在請(qǐng)求命令中只發(fā)送搜索序列號(hào)中的最高位和最高碰撞位之間的部分作為搜索依據(jù)，然后中斷傳輸，所有在與最高位和最高碰撞位之間的部分相同的電子標(biāo)簽響應(yīng)并送回它們序列號(hào)的剩余各位，即最高碰撞位之后的比特位作為應(yīng)答。因此，DBS算法避免了序列號(hào)中多余部分的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間明顯縮短。DBS算法較BS算法在傳輸數(shù)據(jù)量和所需時(shí)間上可減少50%。

2.改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法

2.1算法約定

鑒于BS算法的缺點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法，算法約定如下：

（1）采用曼徹斯特編碼的電子標(biāo)簽序列號(hào)每個(gè)比特位上的取值不是“0”就是“1”。因此，如果當(dāng)讀寫(xiě)器探測(cè)到僅有一位碰撞位時(shí)，讀寫(xiě)器不需要發(fā)送請(qǐng)求命令，可以直接識(shí)別出2個(gè)標(biāo)簽。

（2）讀寫(xiě)器如果檢測(cè)到有N個(gè)碰撞位，則說(shuō)明這N個(gè)碰撞位的比特位對(duì)讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)是未知的，而其他的比特位對(duì)讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)是已知的。因此讀寫(xiě)器只需要對(duì)未知的碰撞位處理，而不需要傳輸那些已知的比特位，從而減少傳輸時(shí)延。

為了便于描述以及實(shí)現(xiàn)該算法，給出如下防碰撞命令：

①查詢命令request（DX，MX；DX1，MX1）。參數(shù)DX、DX1分別為檢測(cè)到碰撞位的最高位和次高位，參數(shù)MX、MX1為0、1的二維排列組合，例如檢測(cè)到1？1？00？1，那么讀寫(xiě)器發(fā)送request（D6，0；D4，0）符合條件的標(biāo)簽響應(yīng)并返回沖突位及相關(guān)信息。

②退出選擇命令unselect.取消事先選中的電子標(biāo)簽，使標(biāo)簽進(jìn)入“無(wú)聲”狀態(tài)。在這種狀態(tài)下標(biāo)簽完全是非激活的，對(duì)收到的request命令不做應(yīng)答。為了重新激活標(biāo)簽，必須暫時(shí)離開(kāi)讀寫(xiě)器的作用范圍，然后再次進(jìn)入該讀寫(xiě)器范圍。

2.2算法原理

下面以讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的8個(gè)編碼為8 bit的標(biāo)簽為例說(shuō)明該算法，8個(gè)標(biāo)簽的編碼如下：tag1：01001000，tag2：01010100，tag3：01011010，tag4：01000000，tag5：01000010，

tag6：01010000，tag7：01001010，tag8：01011000.

（1）request≤11111111命令，讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽應(yīng)答，讀寫(xiě)器譯碼的結(jié)果為010？？？？0碰撞位為D4，D3，D2，D1，最高碰撞位為D4，次高碰撞位為D3，因此下次查詢命令為request（D4，0；D3，0）。

（2）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4，0；D3，0），標(biāo)簽通過(guò)比較各自的D4、D3位，與之相同的標(biāo)簽則發(fā)送自己的相關(guān)信息給讀寫(xiě)器。通過(guò)比較后標(biāo)簽4和標(biāo)簽5響應(yīng)，編碼后得到010000？0，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽4和標(biāo)簽5.讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽4和標(biāo)簽5處于“無(wú)聲”狀態(tài)。

（3）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4，0；D3，1），標(biāo)簽1和標(biāo)簽7響應(yīng)，編碼后得到010010？0，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽1和標(biāo)簽7.讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài)。

（4）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4，1；D3，0），標(biāo)簽2和標(biāo)簽6響應(yīng)，編碼后得到01010？00，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽2和標(biāo)簽6.讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài)。

（5）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4，1；D3，1），標(biāo)簽3和標(biāo)簽8響應(yīng)，編碼后得到010110？0，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽3和標(biāo)簽8.讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài)。至此，讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都別正確識(shí)別完畢。算法流程如圖1所示。

3.算法性能比較

假設(shè)讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)有N個(gè)電子標(biāo)簽，則BS算法完成所有標(biāo)簽識(shí)別的搜索命令次數(shù)S（N）為：

通過(guò)理論和仿真比較，采用改進(jìn)后的二進(jìn)制搜索算法較其他兩個(gè)算法有三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：其一減少了查詢標(biāo)簽次數(shù)，使計(jì)算時(shí)間減??；其二減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量，提高了標(biāo)簽的識(shí)別速率；其三較大地提高了系統(tǒng)的吞吐率。

本文對(duì)BS算法及DBS算法過(guò)程進(jìn)行了分析，找出了其中的不足之處，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法，并通過(guò)Matlab仿真得到該算法的查詢次數(shù)和吞吐率方面的數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該改進(jìn)算法可以減少系統(tǒng)的查詢次數(shù)，提高系統(tǒng)的吞吐率。從而驗(yàn)證了該改進(jìn)算法的優(yōu)越性。