浅谈RFID读写器抗冲突研究应用

　　读写器即 射频标签读写设备是射频识别系统的两个重要组成部分（标签与读写器）之一。射频标签读写设备根据具体实现功能的特点也有一些其他较为流行的别称，如：阅读器（Reader），查询器（Interrogator），通信器（Communicator），扫描器（Scanner），读写器（Reader and Writer），编程器（Programmer），读出装置（Reading Device），便携式读出器，AEI设备等。

　　读写器分为接触式读写器，非接触式读写器，单界面读写器和双界面读写器以及多卡座接触式读写器。读写器从接口上来看主要有：并口读写器、串口读写器材、USB读写器、PCMICA卡读写器和IEEE 1394读写器。前两种读写器由于接口速度慢或者安装不方便已经基本被淘汰了，USB读写器是目前市场上的读写器。

　　1 读写器的干扰

　　读写器环境下的干扰按照其产生的原因主要分为两种，一种是读写器对读写器的干扰，另外一种是读写器对标签的干扰

　　读写器的冲突是指由一个读写器检测到，并且由另一个读写器所引起的干扰。它主要有三种表现形式。

　　（1）读写器与读写器之问的干扰：当一个读写器发射较强的信号与一射频标签反射回的微弱信号相干扰时，就引起了读写器与读写器之间的干扰，其示意图如图 1所示。读写器R1位于读写器R2干扰区。从射频标签Tl反射回的信号到达读写器R1，很容易被读写器R2发射的信号干扰。这种干扰即使两个读写器阅读范围没有重叠也有可能产生。

　　（2）多读写器到标签问的干扰：标签T同时在读写器R 1和R 2的读写区间内，当两个读写器同时读写标签T时会发生干扰，两个读写器可能 都不能准确的渎写该标签，该种情况类似于移动通信中的隐藏终端问题，如图2 所示，两个读写器阅读范围重叠。从读写器Rl和R2发射的信号可能在射频标签Tl处产生干扰。在这种情况下，标签T1不能解密任何查询信号并且读写器R1 和R2都不能阅读T1。因为读写器冲突，读写器Rl能阅读标签T2和T3，但是不能阅读标签Tl，因此，读写器R1指示两个射频标签存在而不是3个。

　　图１　读写器到读写器间的干扰

　　图２　读写器到标签间的干扰

　　（3）读写器冲突使载波侦听无效：另外一种读写器冲突的情况如图3所示。两个读写器阅读范围没有重叠，但读写器R2发射的信号与读写器R1发射的信号在标签T处干扰。这种情况同时发生在两个读写器不在相互侦听范围内时，使射频识别网络中载波侦听无效。

　　图３　读写器冲突使载波侦听无效

　　除了误操作，读写器冲突同时使射频识别系统总的阅读速率减慢，而且这些问题在移动或手持式读写器中更加严重。

　　多读写器环境下干扰的解决方法

　　传统的解决干扰的方法主要有三种：时分复用（TDMA），频分复用（FDMA），码分复用（CDMA）。

　　码分复用要求电路上更为复杂的标签电路，标签的使用数量往往非常大，考虑到成本因素标签电路应该尽量简单，所以一一般不会采用码分复用。频分复用使用多个信道传输，一般读写器用的下行通路（从读写器到标签）使用固定频率，而上行通路（从标签到读写器）采用不同的副载波频率通信，频分复用的缺点是读写器的成本较高，因为每一个信道都需要一个单独的接收机。时分复用是把可使用的信道按 时间分配给各个读写器，这种技术构成了防碰撞算法的一族。

　　2 相关工作和研究

　　2.1 读写器冲突的主要特点

　　读写器冲突主要有下列特点：

　　①隐藏节点问题是读写器冲突问题的一个方面。两个读写器不在相互侦听范围内而在标签处干扰时，使射频识别网络中正常的载波侦听无法工作。

　　②当多个读写器询问／发射的信号在某射频标签处冲突时，该点的信号会变得非常杂乱并且射频标签不能再接收任何读写器询问／发射的信号。

　　③所研究的射频标签是被动式标签，因此标签本身既不能调整也不能主动与读写器通信以避免冲突。射频标签是在被读写器询问信号激活后才能通信。

　　2.2 相关的多址机制

　　常用的多址机制不能直接应用在射频识别系统中，因为：

　　①FDMA。FDMA方式中，读写器使用不同的频率和射频标签通信。由于射频标签没有频率调谐电路，因此射频标签不能选择一个特定的读写器与其通信。如果射频标签增设频率调谐电路功能，将大大增加射频标签的成本，因此FDMA不适合应用在射频识别系统中。

　　FDMA，频分多址（frequencypisionmultipleaccess），是把分配给无线蜂窝电话通讯的频段分为30个信道，每一个信道都能够传输语音通话、数字服务和数字数据。频分多址是模拟移动电话服务（AMPS）中的一种基本的技术，是北美地区应用广泛的蜂窝电话系统。采用频分多址，每一个信道每只能分配给一个用户。频分多址还用于全接入通信系统（TACS）。

　　②TDMA。TDMA方式中，读写器被分配不同的时隙，以避免读写器同时询问／发送射频信号。这类似于图论中的图形着色问题，是一个NP-hard问题。在移动式网络中，没有干扰的读写器因为移动靠近而出现干扰，需要重新分配时隙。动态的分配时隙减小了RFID系统阅读速率。

　　TDMA：Time Division Multiple Access 时分多址 。时分多址是把时间分割成周期性的帧（Frame）每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

　　③CSMA.RFID网络，像其他的无线网络一样，存在隐藏节点问题。读写器不在互相侦听范围内在标签处发生干扰，因此仅仅依靠载波侦听无法避免RFID网络中的冲突问题。

　　CSMA即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。

　　④CDMA。CDMA需要在射频标签上增设额外的电路，大大增加了标签的成本，并且分配码给所有网络中的标签是一件非常复杂的工作。因此CDMA不是一种成本低且有效的方案。

　　CDMA （Code Division Multiple Access） 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带（1.2288Mhz），且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 （collision） 问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMA（WCDMA）宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。

　　2.3 相关的抗冲突机制

　　常见的抗冲突协议，如RTS-CTS，不能直接应用在RFID系统中，因为：

　　①传统的无线网络，只有一个节点回发CTS信号给发送者。然而在RFID系统中，如果读写器广播发送一RTS信号，所有在读写器阅读范围内的标签都得回发CTS信号给发送者读写器。这需要给这些CTS信号设计另外的抗冲突机制，将使这种协议更加复杂。

　　②有可能因为冲突，一些标签（如T1）没有接收到RTS信号而另外一些标签（如T2）接收到了RTS信号。在这种情况下，从T2回发的CTS信号不能确定在读写器的阅读范围内没有冲突。如何确定读写器接收了在其阅读范围内的所有标签的CTS信号，对于读写器是否存在冲突是非常重要的。

　　2.4 相关的读写器抗冲突方法

　　2.4.1 UHF第二代标签标准：UHF特高频。分米波段UHF波段则是指频率为300~3000MHz的特高频无线电波。VHF包含1-12频道，UHF包含13-68频道， 。该标准把读写器和射频标签的信号传输分割开，这样冲突只能在标签与标签间或者读写器与读写器问发生。这种分割使读写器和射频标签信号在不同的频道上传输，解决了读写器问的干扰。然而，标签没有频率选择性。因为当两个读写器用不同的频率同时与标签通信时，标签不能调谐到特定的频率。所以会在标签处发生冲突。因此该标准仍存在多读写器到标签间的干扰。

　　2.4.2 Colorwave算法：Colorwave算法是一种基于TDMA分布式算法。该算法规定每一个读写器从0到maxColors中随机选择一个时隙（颜色）传输数据。如果发生了冲突，读写器选择一个新的时隙（颜色），并且发送一个kick（较小的控制包）给它所有邻近的读写器，告诉它们它选择了一个新的时隙（颜色）。如果邻近的读写器有同样的时隙（颜色），它重新选择一个新的时隙（颜色）并发送一个kick。这样一直继续下去。这种转换和驻留的动作就被称为kick。每一个读写器跟踪当前的时隙是什么颜色。Colorwave算法要求在读写器之间时间同步，同时假定读写器能够检测到 RFID系统中的冲突。

　　2.4.3 ETSl EN 208标准：ETSI EN 208是一个为RFID读写器开发的标准，它基于CSMA协议的“先听再说”。读写器首先在一特定的小时间段里侦听数据通道里任何正在进行的通信。如果在那段时间里，数据通道空闲，它将阅读标签；如果通道忙，它随机选择一段退避时间。

　　2.4.4 Q学习算法：增强学习（Q-learning）要解决的是这样的问题：一个能感知环境的自治agent，怎样通过学习选择能达到其目标的动作。这个很具有普遍性的问题应用于学习控制移动机器人，在工厂中学习操作工序以及学习棋类对奕等。当agent在其环境中做出每个动作时，施教者会提供奖励或惩罚信息，以表示结果状态的正确与否。例如，在训练agent进行棋类对奕时，施教者可在游戏胜利时给出正回报，而在游戏失败时给出负回报，其他时候为零回报。agent的任务就是从这个非直接的，有延迟的回报中学习，以便后续的动作产生的累积效应。该算法通过学习读写器的冲突模式和有效地分配频率给读写器，动态地解决 RFID系统中读写器的冲突问题。Q学习算法多层结构如图4所示。读写器发送冲突消息给读写器级服务器层（R-Server）。然后单个的R- server然后分配资源给它的读写器，这样的方式可使它们之间的相互通信不出现干扰。R-Server通过Q学习服务器（Q-server）被分配到频率和时隙。根Q-server具有所有频率和时隙资源的全部知识，并且能分配它们。Qserver不像R-Server一样，没有单个读写器问约束关系，这种关系通过该层下面的服务器之问的相互作用来推断。

　　图４　Q学习算法多层结构

　　这种方法如果应用在RFID系统中，将存在下面的问题：

　　①协议保持多层结构需要额外的管理开销。

　　②对于移动的读写器来说，网络拓扑结构不确定的变化将会改变Q学习算法的多级结构。这就需要重新分配时隙，将花去更多的时间并使系统无效。

　　③Q学习假定读写器的冲突检测不在读写器相互的侦听范围内。然而，并不是所有的冲突都能检测到，这将导致协议的不正确操作。

　　④使用时隙需要所有的读写器同步，这种同步将是整个系统的额外开销。

　　综上所述，这些读写器抗冲突方法不适合具有移动读写器的RFID网络系统。因此，必须寻求一种具有实际意义且有效的适合各种情况的RFID系统。

　　3 一种减少读写器冲突的新算法

　　3.1 新算法的提出

　　在设计读写器抗冲突协议时，要考虑的一个重要因素就是射频标签是被动式的，因此不能参与抗冲突；同时任何增加给标签的新功能都将增加标签的成本。因此希望寻求一种标签不参与的抗冲突协议。

　　RFTD网络存在隐藏节点问题，如图5所示。R1和R2不在相互的侦听范围内，但是在T处从读写器R2发射的信号与从读写器R1发射的信号发生干扰。在这种情形下，R1和R2间需要一个通知机制。这样，当Rl和T正在通信，R2被通知R1的通信，因此R2可以延迟与射频标签的通信。我们把这种通过广播形式发送的消息称为“信标”。当一个读写器正在与射频标签通信时，它将周期性地在一个独立的控制通道里发送信标。

　　图５　新算法控制通道范围

　　控制通道的通信范围，指任何两个读写器在相互的数据通道（该通道用来阅读标签）干扰，能够在控制通道通信。图5中尽管读写器R1和R2相互在数据通道干扰，但它们将在控制通道通信。这是通过在控制通道比数据通道发射更高的功率达到的。控制通道是RFID频谱中除那些用作读写器与标签间通信的频谱外的子频带。数据通道被用作读写器与标签之间的通信，而控制通道被用作读写器与读写器之间的通信。假定读写器能够同时接收控制通道和数据通道上的信号。

　　3.2 新算法信标的帧格式

　　新算法只为读写器设计，因为射频标签不参与抗冲突活动。信标的帧格式如下：

　　①帧类型，指示该数据包是信标数据。它可以分割成帧类型和序列号，序列号指明将被发送的信标的数量。

　　②源地址，包括发射信标的读写器的地址。源地址转换即内网地址向外访问时，发起访问的内网ip地址转换为指定的ip地址（可指定具体的服务以及相应的端口或端口范围），这可以使内网中使用保留ip地址的主机访问外部网络，即内网的多部主机可以通过一个有效的公网ip地址访问外部网络……

　　③CRC检验，用来检测错误和校正，是数据包循环冗余检验部分。利用CRC进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码（CRC码），附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共k+r位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则，在差错控制理论中称为“生成多项式”。

　　3.3 新算法的工作流程和步骤

　　图6为该算法的工作流程图，主要包括下列步骤：

　　图６　新算法流程图

　　①读写器在与射频标签通信前，必须在等待状态至少等待tmin时长。该时长等于3倍的信标间隔时间。时长tmin类似于802.11算法DIFS时间。在该状态，读写器每接收到一个信标，它重新复位等待时长为tmin。

　　②读写器如果在时长tmin消耗完了还没有接收到任何信标，读写器推断出在其附近没有其他的读写器在阅读标签。于是读写器进入竞争阶段，并且从时间间隔 [OACW]中选择一随机退避时间。如果它选择i，那么读写器必须在竞争状态等待i个信标时间间隔时间。如果读写器现在接收到一个信标，它就丢失现在的周期，在下一个周期等待。例如在tmin时长接收到了信标，它将在下一个tmin时长等待。如果随机退避时间结束，读写器还没有接收到信标，该读写器就认为没有其他的读写器和它竞争，因此该读写器就在控制通道上发送信标，并且在数据通道上和标签通信。该随机退避时间帮助读写器问避免产生冲突。

　　③当读写器与标签通信时，读写器在控制通道上每隔一信标间隔时长发送一个信标。该信标通知邻近的读写器，以便阻止它们与标签的通信，这样避免了冲突。在与标签通信结束后，读写器重新回位到等待状态，继续余下的周期。

　　④每次读写器发送一信标，它首先检测控制通道。如果控制通道忙，就一直检测下去。一旦检测到控制通道空闲，读写器就等待一随机延迟并再检测通道和发送信标。该随机延迟是多倍的信标传播延迟，以避免冲突。算法中的竞争延迟及发信标前延迟与通常的无线网络中的退避相似。一旦控制通道检测到空闲竞争延迟和发信标前延迟，计数器减少；当检测到发送时，计数器停止计时；当控制通道检测到空闲后，计数器重新计数。并且，如果读写器在竞争阶段的退避期间接收到信标，它就会存储余下的退避计算时间等待下机会。

　　4 结论

　　分布式读写器抗冲突算法，通过在控制通道上周期地发送信标来达到抗冲突的目的。与CSMA机制相比，它可以降低读写器冲突1％～2％，提高读写器的阅读速率高达98％。它需要读写器较少的花销，完全不需要射频标签参与抗冲突。该算法同时还适合移动或手持式阅读器的射频网络，具有重大的实用价值。

　　本文提出了一种结合分时和色波算法的RFID 多读写器环境下的抗干扰方案，全面地解决了RFID 多读写器环境中的读写器对读写器干扰和读写器对标签干扰。采用分时算法不要求读写器。采用多套接收机，也不要求标签采用更为复杂的电路，相对于频分复用和码分复用实现的成本更低，是当前采用的多的抗干扰手段。色波算法作为一种分布式的在线算法可以灵活有效地适应各种读写器拓扑网络，两者相结合可以有效地解决多读写器环境中的干扰问题。