RFID系统防碰撞协议的设计和实现

　　rfid是射频识别技术的英文（radio frequency identification）的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。

　　无线射频识别技术（rfid）已经成为一个很热门的话题。据业内人士预测，rfid技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上带来30至100亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。 或许这些预测过于乐观，但rfid将会成为未来的一个巨大市场是毫无疑问的。许多高科技公司正在加紧开发rfid专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔、微软、甲骨文、sap和sun,而近的零售商沃尔玛的一项要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用rfid技术，2006年1月前在单件商品中使用这项技术的决议，把rfid再次推到了聚光灯下。因此可以说无线射频识别技术（rfid）正在成为热门新科技。

　　1 RFID系统中防碰撞协议

　　为了解决碰撞问题，产生了很多的防碰撞算法，目的就是把众多的标签按照某种方式分隔开进行逐个读取，主要有频分多路法（FDMA）、空分多路法（SDMA）、时分多路法（TDMA）和码分多路法（CDMA）四种方法。防碰撞算法结构图如图1所示。

　　空分多路法由于其复杂的天线系统的高费用使得应用不是很广泛，频分多路法由于其阅读器的费用比较高，应用也受到了限制。码分多路法的多路方式软件设计困难，读写器每一路都需要相应的硬件或软件支持，非常复杂，所以不适合RFID系统。因此，TDMA成为反碰撞算法广泛的选择，该方法又分为标签驱动法和阅读器驱动法，标签驱动法中具有代表性的算法是Aloha算法。阅读器驱动法需要准确的同步进而无错误的检测出碰撞位，它再划分为"轮询法"和"分裂法".由于Aloha算法不能有效地解决标签饿死的问题，所以本文的研究主要在分裂法的基础上进行。

　　1.1 二进制防碰撞协议

　　二进制防碰撞协议中，阅读器应用二进制搜索算法能够成功地读取它范围内的所有标签。标签含有的ID序列号（由一些二进制码构成），阅读器在每次查询过程中只发送一位0或1,标签中与接收的位相同的才会发生应答，并发送自己的下一位直至所有ID序列号传完。标签中与接收到的位不相同的就会转到待机状态，直到某个标签被识别剩余的标签重置。在一个识别过程中，如果阅读器发现冲突就会发0,否则发送从标签接收的那一位作为下一个查询位。状态转换图如图2所示。

　　1.2 查询树防碰撞协议

　　查询树算法是一种无记忆标签防碰撞算法。读写器发送一个前缀查询信息，与这个前缀相匹配的标签做出响应。读写器发出的前缀决定了碰撞的标签如何分裂。标签除了其自身的ID号以外无需记忆其他额外的信息。一旦一个标签被成功识别，读写器就开始新一轮的读取操作。协议原理：读写器发送长度为k的前缀；ID中前k bit和前缀匹配的标签反馈第（k+1）bit至1 bit.如果阅读器收到的ID碰撞，再先后将前缀加"0"或 "1",作为新的前缀发送出去。如果没有发生碰撞，就表明有一个标签被识别了。状态转换图如图3所示。

　　2 改进型防碰撞协议

　　本文设计了一种新的防碰撞协议，它是结合了二进制防碰撞协议和查询树防碰撞协议而构成的，它能够在坏的情况下，减少状态转换数和时钟循环数，很大程度上减少了冲突的发生，增加了标签的读取速度。状态转换图如图4所示。

　　在改进型协议中，如果标签在状态S2下检测到碰撞的发生，它会转移到状态S3来接收阅读器发送的屏蔽位，而不是直接跳到S0.状态S3的加入很大程度上减少了标签识别过程中状态转换数和时钟循环数。这个效果是很明显的，如果两个标签的位相同而接下来的位都不相同，运用二进制和查询树协议时，阅读器必须发送两个不同的位来识别两个标签，标签经历两次从S0到S1再到S2的转换，而在改进型协议中由于S3的加入，一个标签在识别的同时其他标签只需向阅读器发送一个前缀位。这样既减少了识别过程中能量的消耗，又增加了识别速度。例如对#28（11100）和#30（11110）两个标签的识别，运用二进制防碰撞协议需要21次时钟转换和19次状态转换，查询树防碰撞协议需要21次时钟转换和8次状态转换，而改进型协议只需要15次时钟转换和7次状态转换（Ps为现在的状态；Ns为下一个状态），表1是在新协议下对两个标签的识别过程。

　　运用这个协议，需要增加一个硬件用来在S3状态下减少它的ID指针，标签在S3收到的屏蔽位需要与先前发送的那位相比较，来确定标签的下个状态。

　　3 性能分析

　　一个RFID系统性能的好坏，主要是衡量它的能量消耗和读取速度。本文主要从状态转换次数和时钟循环次数两个方面考虑。标签的识别过程各种情况的标签的分布都有可能发生，要衡量RFID防碰撞协议的性能，就要从坏的情况[1]考虑。

　　3.1 数学分析

　　在不计命令时间、前后缀开销及校验冗余等情况下对各算法进行数学分析，若在阅读器范围内有n个标签，标签的ID位数为N,则在满足2≤n≤2N-2情况下，以上三种协议的状态转换次数和时钟循环数如下：

　　3.2 仿真结果

　　仿真时笔者认为三种协议识别一个特定的标签时间是相等的。仿真环境：标签ID长度为2的整数倍，冲突标签数为4,30次仿真取均值。仿真结果如图5所示。

　　由仿真结果可见，改进型协议在识别效率上明显优于二进制协议和查询树协议，在标签ID位比较长的情况下尤为明显。

　　在研究了RFID系统中现有的防碰撞协议的基础上，本文提出了一种新的防碰撞协议。通过算法分析及仿真表明，该协议较大幅度减少了每条命令的信息量，使系统的传输数据量和传输时间大大减少，有效节省了传输信道，能更准确、更高效、更好地解决射频识别系统中多个标签之间的数据冲突问题，具有良好应用前景。