UHF频段RFID系统中的防碰撞算法
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科技信息
UHF 频段 RFID 系统中的防碰撞算法研究
车晓明 1 封志宏 1 李高科 2 （1.兰州交通大学电子与信息工程学院 2.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所）
［摘 要］电子标签的“碰撞”在 RFID 系统中是一个很常见的问题，特别是在 UHF 频段，如何有效地解决这一问题显得尤为重要。本 文主要对 ISO/IEC 18000-6 中 A、B、C 三种模式进行了分析，比较其优缺点，并对 ISO/IEC 18000-6C 协议进行了详细的研究，提出了 改进其防碰撞算法的思路。 ［关键词］RFID 防碰撞 时隙 ALOHA 算法 时隙不完全竞争算法
类型 技术特征
TYPE A
TYPE B
TYPE C
工作频率
860～960MHZ
调制 方式
R→T T→R
ASK 反向散射
编码 方式
R→T T→R
PIE
曼彻斯特
FM0
FM0
PIE FM0 or Miller
数据 速率
R→T T→R
33kbps 10kbps or 40kbps 26.7～128kbps
40kbps
A-1 )。在多标签识别过程中，标签数比较多。因此，x 很大而 A-1 很小，
此时，二项分布近似为泊松分布。泊松分布参数：
λ
=n
×p=x×
1 A
3.ISO18000-6C 标准防碰撞算法分析 3.1 算法描述 ISO/IEC 18000-6C 标准采用的是时隙随机 ALOHA 算法，该标准已 经成为全球性超高频 RFID 主流规范之一，该算法流程如图 1 所示。
图 1 算法流程
Query 包含一个时隙计数参数 Q,当接收到一条 Query 命令时,在进
或 Query Rep 命令。处于仲裁状态的标签每接收到一条 Query Rep 命令
时,他们的时隙计数器值减 1 一次。时隙计数器调整后,值为 0 的标签转
移到应答状态,并立即与阅读器进行数据交换。
在一个轮询周期中，每个时隙内的标签响应有三种情况：没有标签
响应（空时隙）；有一个标签响应（没有碰撞的时隙）；有一个以上的标签
有两个或两个以上的标签同时向读写器发送数据，从而产生通信冲突，
导致阅读器无法读出数据，这就是所谓的碰撞。解决碰撞问题的算法
称为防碰撞算法。比较经典的两类基本方法是：ALOHA 算法和二进制
搜索算法。
2.UHF 频段 RFID 系统防碰撞算法
对于 UHF 频段的 RFID 系统，由于信号识别的距离远，覆盖的范围
命令。其他没有得到时隙计数器值的标签仍然保持休眠状态。
然后,处于仲裁和应答状态的标签,接收一条 Query Adjust 命令ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,Q
值调整(增大、减小或不变),然后在含(0, 2Q -1)范围内选出一个随机数,
置入它们的时隙计数器。选到零值的标签应转移到应答状态,并立即
回答。选到非零值的标签应移到仲裁状态,并等待下一条 Query Adjust
40kbps
FM0:40～640kbps Miller:5～320kbps
防碰撞算法
ALOHA 二进制树
时隙随机防碰撞
其中 R→T 表示于阅读器向标签发送数据，T→R 表示标签向阅读器发 送数据
TYPE A 采用的是一种动态时隙 ALOHA 算法防碰撞协议，电子标 签内部需要有随机数发生器和比较器，设计相对简单。ALOHA 算法本 质上是基于概率的，在确定时间内依靠一定的概率分辨出所有读写器 工作范围内的电子标签，但如果在识别区域内的电子标签的数目相对 开始识别命令中指定的初始时隙数较多时，防冲突的过程就会比较长， 这是 TYPE A 防冲突机制的不足之处。Type B 应用的防冲突机制要较 Type A 的更有效一些，但防碰撞的效率会随应答器的数量增多而下降， 而且该算法时延长，泄露的信息较多，安全性差。TYPE C 应用的防碰 撞算法是时隙随机防碰撞仲裁机制，是动态 ALOHA 算法的改进，在帧 大小调整方面比以往动态帧时隙 ALOHA 算法有很大改进。它具有较 高的阅读速率，在美国已达到 1500 标签/秒,欧洲可达 600 标签/秒，同时 也适合在高密度多个读写器的环境下工作。因此本文重点分析该算法 及其改进方法。
术研究已成为全球 RFID 产业和研究部门关注的热点。
一个典型的 RFID 系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag，简称标
签)、天线 (Antenna)以及数据处理系统组成。标签可以存储被识别物体
的相关信息，读写器通过射频信号与标签进行通信，并与后端数据库进
行连接。而当 RFID 系统工作时，读写器的周围存在多个标签，就可能
广，因而需要识别的标签数量大，所以更需要良好的防碰撞算法以减少
冲突，达到快速、准确识别多个标签的目的。
针对 UHF 频段，主要的国际标准是 ISO/IEC18000-6 协议，它包括
Type A、B、C 三种类型。如表 1 所示它们之间的主要区别在于编码方式
及防碰撞算法的不同。
表 1 ISO/IEC18000-6 标准三种类型比较
1.引言
RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式自动识别技
术，它利用射频信号与空间耦合及传输特性来双向通信，实现对物体自
动识别与信息采集。由于超高频（UHF）860～960MHz 具有读写速度
快、识别距离远、抗干扰能力强、标签小等优点，对 UHF 频段的相关技
入识别区域内的所有标签中随机选取 2Q 个标签,参与的标签应在含(0,
2Q -1)范围内选出一个随机数,并将这个数置入它们的时隙计数器,若进
入识别范围的标签数 m 小于 2Q 则随机数取值(0,m)。选到零值的标签
应转移到应答(Reply)状态,开始与阅读器的数据交换。选到非零数的标
签应转移到仲裁(Arbitrate)状态,并等待下一条 Query Adjust 或 Query Rep
响应（碰撞时隙）。设标签数量为 x，阅读器通过 Query 命令来产生随机
数 Q 所给出的时隙数为 A= 2Q 。对于每个时隙而言，某个标签在其中响
应的概率为 A-1 ，该标签不在其中响应的概率为(1- A-1 )。共有 x 个标
签，可以看成对每个时隙进行 x 次试验，上述情况符合二项分布 B(x,
UHF 频段 RFID 系统中的防碰撞算法研究
车晓明 1 封志宏 1 李高科 2 （1.兰州交通大学电子与信息工程学院 2.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所）
［摘 要］电子标签的“碰撞”在 RFID 系统中是一个很常见的问题，特别是在 UHF 频段，如何有效地解决这一问题显得尤为重要。本 文主要对 ISO/IEC 18000-6 中 A、B、C 三种模式进行了分析，比较其优缺点，并对 ISO/IEC 18000-6C 协议进行了详细的研究，提出了 改进其防碰撞算法的思路。 ［关键词］RFID 防碰撞 时隙 ALOHA 算法 时隙不完全竞争算法
类型 技术特征
TYPE A
TYPE B
TYPE C
工作频率
860～960MHZ
调制 方式
R→T T→R
ASK 反向散射
编码 方式
R→T T→R
PIE
曼彻斯特
FM0
FM0
PIE FM0 or Miller
数据 速率
R→T T→R
33kbps 10kbps or 40kbps 26.7～128kbps
40kbps
A-1 )。在多标签识别过程中，标签数比较多。因此，x 很大而 A-1 很小，
此时，二项分布近似为泊松分布。泊松分布参数：
λ
=n
×p=x×
1 A
3.ISO18000-6C 标准防碰撞算法分析 3.1 算法描述 ISO/IEC 18000-6C 标准采用的是时隙随机 ALOHA 算法，该标准已 经成为全球性超高频 RFID 主流规范之一，该算法流程如图 1 所示。
图 1 算法流程
Query 包含一个时隙计数参数 Q,当接收到一条 Query 命令时,在进
或 Query Rep 命令。处于仲裁状态的标签每接收到一条 Query Rep 命令
时,他们的时隙计数器值减 1 一次。时隙计数器调整后,值为 0 的标签转
移到应答状态,并立即与阅读器进行数据交换。
在一个轮询周期中，每个时隙内的标签响应有三种情况：没有标签
响应（空时隙）；有一个标签响应（没有碰撞的时隙）；有一个以上的标签
有两个或两个以上的标签同时向读写器发送数据，从而产生通信冲突，
导致阅读器无法读出数据，这就是所谓的碰撞。解决碰撞问题的算法
称为防碰撞算法。比较经典的两类基本方法是：ALOHA 算法和二进制
搜索算法。
2.UHF 频段 RFID 系统防碰撞算法
对于 UHF 频段的 RFID 系统，由于信号识别的距离远，覆盖的范围
命令。其他没有得到时隙计数器值的标签仍然保持休眠状态。
然后,处于仲裁和应答状态的标签,接收一条 Query Adjust 命令ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,Q
值调整(增大、减小或不变),然后在含(0, 2Q -1)范围内选出一个随机数,
置入它们的时隙计数器。选到零值的标签应转移到应答状态,并立即
回答。选到非零值的标签应移到仲裁状态,并等待下一条 Query Adjust
40kbps
FM0:40～640kbps Miller:5～320kbps
防碰撞算法
ALOHA 二进制树
时隙随机防碰撞
其中 R→T 表示于阅读器向标签发送数据，T→R 表示标签向阅读器发 送数据
TYPE A 采用的是一种动态时隙 ALOHA 算法防碰撞协议，电子标 签内部需要有随机数发生器和比较器，设计相对简单。ALOHA 算法本 质上是基于概率的，在确定时间内依靠一定的概率分辨出所有读写器 工作范围内的电子标签，但如果在识别区域内的电子标签的数目相对 开始识别命令中指定的初始时隙数较多时，防冲突的过程就会比较长， 这是 TYPE A 防冲突机制的不足之处。Type B 应用的防冲突机制要较 Type A 的更有效一些，但防碰撞的效率会随应答器的数量增多而下降， 而且该算法时延长，泄露的信息较多，安全性差。TYPE C 应用的防碰 撞算法是时隙随机防碰撞仲裁机制，是动态 ALOHA 算法的改进，在帧 大小调整方面比以往动态帧时隙 ALOHA 算法有很大改进。它具有较 高的阅读速率，在美国已达到 1500 标签/秒,欧洲可达 600 标签/秒，同时 也适合在高密度多个读写器的环境下工作。因此本文重点分析该算法 及其改进方法。
术研究已成为全球 RFID 产业和研究部门关注的热点。
一个典型的 RFID 系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag，简称标
签)、天线 (Antenna)以及数据处理系统组成。标签可以存储被识别物体
的相关信息，读写器通过射频信号与标签进行通信，并与后端数据库进
行连接。而当 RFID 系统工作时，读写器的周围存在多个标签，就可能
广，因而需要识别的标签数量大，所以更需要良好的防碰撞算法以减少
冲突，达到快速、准确识别多个标签的目的。
针对 UHF 频段，主要的国际标准是 ISO/IEC18000-6 协议，它包括
Type A、B、C 三种类型。如表 1 所示它们之间的主要区别在于编码方式
及防碰撞算法的不同。
表 1 ISO/IEC18000-6 标准三种类型比较
1.引言
RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式自动识别技
术，它利用射频信号与空间耦合及传输特性来双向通信，实现对物体自
动识别与信息采集。由于超高频（UHF）860～960MHz 具有读写速度
快、识别距离远、抗干扰能力强、标签小等优点，对 UHF 频段的相关技
入识别区域内的所有标签中随机选取 2Q 个标签,参与的标签应在含(0,
2Q -1)范围内选出一个随机数,并将这个数置入它们的时隙计数器,若进
入识别范围的标签数 m 小于 2Q 则随机数取值(0,m)。选到零值的标签
应转移到应答(Reply)状态,开始与阅读器的数据交换。选到非零数的标
签应转移到仲裁(Arbitrate)状态,并等待下一条 Query Adjust 或 Query Rep
响应（碰撞时隙）。设标签数量为 x，阅读器通过 Query 命令来产生随机
数 Q 所给出的时隙数为 A= 2Q 。对于每个时隙而言，某个标签在其中响
应的概率为 A-1 ，该标签不在其中响应的概率为(1- A-1 )。共有 x 个标
签，可以看成对每个时隙进行 x 次试验，上述情况符合二项分布 B(x,