基于RFID的电子标签防碰撞技术的研究

七、ALOHA算法简介
• 下面将上述公式利用 MATLAB 软件工具来进行模拟， 得到平均数据包交换量 G和吞吐率S的关系如下图所示 ：
七、ALOHA算法简介
算法性能分析： • 从上图中可以看出当输入负载 G 在[0，0.5]区间 上时，随着数据包交换量 G 的增加，吞吐率也在 不断增加，但是传输通路中的大部分时间是空闲 的，没有得到充分利用； • 当输入负载G=0.5时，S达到最大值，为18.4%； • 当输入负载 G 大于 0.5 时，吞吐率明显下降，多 个标签之间的冲突立即增加。该算法 80%以上的 通路容量都没有被利用。
五、RFID系统防碰撞
下图是标签碰撞示意图：
五、RFID系统防碰撞
下图是阅读器碰撞示意图：
五、RFID系统防碰撞
• 当发生碰撞的时候，阅读器不能正确读取电子标签 中的数据，造成通信的失败。发生失败的标签将会 重新发送，这样会浪费时间，增加电子标签与阅读 器的通信量，严重影响RFID系统的效率，限制着 RFID的发展。 • 为了解决这些问题，就需要使用防碰撞技术。防碰 撞研究主要解决如何快速和准确地从多个标签中选 出一个与阅读器进行数据交换，而其他的标签同样 可以在接下来的防碰撞循环中被选出来与阅读器通 讯。
基于RFID的电子标签防碰撞 技术的研究
报告人： 颜汇 邮箱： yanhui0107@
一、RFID技术简介
• RFID，即Radio Frequency Identification（无线射频识别）， 它是随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的 一种高速、实时、准确的信息采集与处理技术，被世界公认 为21世纪十大重要技术之一。 • RFID技术实质上是一项利用无线射频信号通过空间耦合实现 非接触双向数据传递，并通过所传递的数据来获取相关信息， 从而达到自动识别目标对象的目的的技术。RFID技术是自动 识别技术的一种。 • 自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识 别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息， 并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种 技术。总之，自动识别技术是一种高度自动化的信息或者数 据采集技术。
三、电子标签简介
电子标签具有以下特点： • 具有一定的存储容量，存储待识别物体的相关信息； • 在一定的工作环境和技术条件下，能够对其中存储的数据 进行读取和写入操作； • 维持待识别物体相关信息的完整； • 可编程，保持其内部永久性数据不被破坏； • 对于有源标签，通过阅读器能够显示电池的工作状态等。 电子标签的结构图如下所示：
三、电子标签简介
• 电子标签是一种由IC芯片和无线通信天线所构成的超微 型小标签，它是RFID系统中必不可少的组成部分，是真 正的数据载体。 • 电子标签的内部保存有待识别物体的相关信息，在实际 应用中一般被安装或粘贴在待识别物体上。 • 每一个电子标签都有一个唯一的ID号（Identification）， 用以区别开不同的电子标签。 • 存储在电子标签中的数据，由阅读器以无线电波的形式 非接触的读取，并由阅读器进行信息解读并进行相关的 处理。 • 因此可以说，电子标签技术是一种非接触式的自动识别 技术，是目前使用的条形码的无线版本。电子标签能够 做到大规模生产，并能够做到日常免维护。
六、RFID防碰撞技术简介
下图是频分多址法示意图：
六、RFID防碰撞技术简介
3、码分多址法（CDMA）
• 码分多址法是把若干个使用不同码的传输通路同 时提供给通信用户使用的技术。 • 码分多址法中存在着很多的缺点:频带的利用率低、 通道容量小、地址码的选取困难且捕获所需的时 间长； • 码分多址法虽然在移动通信中应用非常广泛，但 目前在射频识别系统中尚未得到普遍应用。
射频接口 天 线
调制器 解调器 电压调节器 EEPROM
芯片
逻辑控制单元
三、电子标签简介
• 根据电子标签的工作频率可分为低频、高频及超高频和微波标签， 基本上划分为四个主要范围：低频(30~300KHz)、高频(3~30MHz) 和超高频(300MHz~3GHz)以及微波(2.45GHz以上)。 • 低频标签一般工作在 100~500KHz，常见的工作频率有 125 KHz， 一般用于短距离(典型阅读距离为 10cm)、低成本、阅读天线方向性 不强的应用中； • 高频标签工作在 10~15MHz，常见的工作频率为 13.56MHz，通常 用于门禁控制和需传送大量数据的场合 ； • 超高频标签工作频率大于300MHz，典型的工作频段有：433MHz ， 915MHz 等； • 微波标签工作在 2.4～5GHz的微波频段。超高频以及微波标签成本 均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米至十几 米)、适应物体高速运动性能好，阅读天线及应答器天线均有较强的 方向性、用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合。
五、RFID系统防碰撞
• RFID系统中有两种类型的通信碰撞存在。 • 第一种：阅读器碰撞是指多个阅读器同时与一个标签 通信，致使标签无法区分阅读器的信号，导致碰撞的 发生； • 第二种：电子标签碰撞是指多个标签同时响应阅读器 的命令而发送信息，引起信号碰撞，使阅读器无法识 别标签； • 由于阅读器能检测碰撞并且阅读器之间能相互通信， 所以阅读器碰撞能很容易得到解决。因而，射频识别 系统中的碰撞一般是指电子标签碰撞。
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六、RFID防碰撞技术简介
1、空分多址法（SDMA）
• 空分多址法是根据阅读器周围标签的位置的不 同而进行区分不同标签完成防碰撞算法的； • 空分多址法的读写器使用相控阵天线，使天线 的波束依次对准作用范围内不同标签来实现多 路存取。 • 该方法中天线系统的结构设计十分复杂且实施 成本很高，所以，这种方式不利于大规模普遍 性使用，仅适用于某些特定场合。
六、RFID防碰撞技术简介
下图是空分多址法示意图：
六、RFID防碰撞技术简介
2、频分多址法（FDMA）
• 频分多址法在区分阅读器读取范围内的多个标签时，是 以通信频率的不同而对标签进行防碰撞识别的，它把若 干个使用不同通信频率的传输通路同时提供给通信用户 使用； • 在使用频分多址法的 RFID 系统中，由于不同的标签使 用的是不同的通信频率，阅读器接收端需要设置多个接 收器。每个接收器只识别各自对应不同通信频率的标签。 • 该方法造成阅读器的设计复杂，成本很高，因此该方法 也只适用与特定的场合。
• 自动识别技术又分为多种：条码识别技术、光学字符识别 技术、语音识别技术、生物识别技术、磁卡识别技术、IC 卡识别技术以及射频识别（RFID）技术等等。常见的自动 识别技术的性能比较如下表所示：
一、RFID技术简介
• RFID(射频识别)这种非接触式的自动识别技术，通过射频 信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人 工干预，可工作于各种恶劣环境，并且 RFID技术可识别高 速运动物体且可同时识别多个标签，操作快捷方便。 • 总之，它与其他各项自动识别技术相比，具有识别距离远 、识别速度快、精度高、使用寿命长、不受污染潮湿的影 响、也不受方向位置的影响等多项优势。 • 目前RFID技术已逐渐成为企业提高物流和供应链管理水平 、降低成本、实现管理信息化、参与国际竞争和增强企业 竞争力的技术手段和工具。 • 随着成本的下降和标准化的实施，RFID技术的全面推广和 普遍应用将是不可逆转的趋势。
七、ALOHA算法简介
算法性能分析：
• 通常情况下，每秒钟发送的信息帧的数目服从泊松分布， 因此t秒钟发送n个信息帧的概率为： • 其中λ为每秒钟平均发送的总的信息帧数，令输入负载G为 To时间内平均交换的数据包量，则G= λTo，令Pe是到达的 标签能成功完成通信的概率，也即在时间2To内没有发送信 息的概率， 令吞吐率S为有效传输的数据总数，即To时间内与阅读器 成功完成通信的标签数量；则S=GPe;所以
六、RFID防碰撞技术简介
4、时分多址法（TDMA）
• 时分多址法在 RFID 系统防碰撞领域应用是最广泛 的，它是把整个可供使用的通路容量按时间分配给 多个用户的技术，综合考虑射频识别系统的通信形 式、功耗、系统复杂性和成本等因素，选择TDMA 来解决 RFID 系统的碰撞问题是目前较为普遍的主 流方法； • 时分多址法可以分为基于概率的ALOHA算法和确 定的Binary算法（二进制算法）。
六、RFID防碰撞技术简介
为了防止碰撞的发生，射频识别系统中需要设计相 应的防碰撞技术，在通信中这种技术也称为多址技 术，多址技术主要分为以下四种： 空分多址法(SDMA-Space Division Multiple Access) 频分多址法(FDMA-Frequency Division Multiple Acess) 码分多址法(CDMA-Code Division Multiple Access) 时分多址法(TDMA-Time Division Multiple Access)
二、RFID系统简介
通常意义上来说，典型的射频识别系统包括以下三个部 分：电子标签、读写器和计算机通信网络。其中电子标 签有很多别名，也可以叫做标签（tag）、应答器、射频 卡等，读写器也可以叫做阅读器（Reader）、读头等。 RFID系统的内部结构图如下图所示。
二、RFID系统简介
RFID系统的基本工作原理不难理解： • 标签与阅读器利用各自携带的天线构筑了一条两者之间进行 数据传递的非接触式的通道； • 当标签处于阅读器的工作范围内时，阅读器利用自身的天线 发送射频信号； • 标签天线收到信号以后会产生感应电流，从而激活内部的电 路向阅读器回送信号（无源标签），或者主动向阅读器发送 信号（有源标签）； • 阅读器收到信号以后，对接收到的信号做一些必要的处理， 然后将处理后的数据上传到控制系统进行下一步的处理。
七、ALOHA算法简介
1、纯ALOHA算法
• 主要采用标签先发言（Tag-Talk-First）的方式，即电子 标签一旦进入阅读器的工作范围获得能量后，便向阅读 器主动发送自身的序列号。 • 在某个电子标签向阅读器发送数据的过程中，如果有其 它电子标签也同时向该阅读器发送数据，此时阅读器接 收到的信号就会产生重叠，导致阅读器无法正确识别和 读取数据。 • 阅读器通过检测并判断接收到的信号是否发生碰撞，一 旦发生碰撞，阅读器则向标签发送指令使电子标签停止 数据的传送，电子标签接到阅读器的指令后，便随机的 延迟一段时间再重新发送数据。
七、ALOHA算法简介
下图是纯ALOHA算法模型图：
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七、ALOHA算法简介
• 由于各个标签等待的时间是随机的，因此一定程度上 避开了标签数据的碰撞，阅读器就能够有效地在不同 的时间段上分别选取不同的电子标签进行读操作。显 然，碰撞的次数与通信业务量有关，通信量越大，碰 撞的可能性也越大。 • 该算法主要特点是各个标签发射时间不需要同步，是 完全随机的，实现起来比较简单，当标签不多时它可 以很好的工作，缺点就是数据帧发送过程中碰撞发生 的概率很大。 • 在纯ALOHA算法中，假设电子标签在t时刻向阅读器发 送数据，与阅读器的通信时间为To，则在t+To和t-To的 时间内都不能有其他标签发送数据，也就是说碰撞时 间为2To。
四、读写器简介
读写器之所以非常重要，这是由它的功能所决定的， 它的主要功能有以下几点：
• 实现与电子标签的通讯：这也是它最重要的功能之一，读 写器能在特定的条件下实现与电子标签的正常通讯； • 实现与计算机网络的通讯：这一功能也很重要，读写器能 够利用一些接口实现与上位机的通讯，并能够给上位机提 供一些必要的信息； • 实现多标签识别：读写器能够正确的识别其工作范围内的 多个标签； • 实现移动目标识别：读写器不但可以识别静止不动的物体 ，也可以识别移动的物体； • 实现错误信息提示：对于在识别过程中产生的一些错误是射频识别系统中又一个非常重要的组成部分，它 负责连接电子标签和计算机通信网络，与标签进行双向数 据通信，读取标签中的数据，或者按照计算机的指令对标 签中的数据进行改写。 • 读写器的工作频率决定了整个射频识别系统的工作频率， 读写器的功率大小决定了整个射频识别系统的工作距离。 • 典型的读写器终端一般由天线、射频接口模块和逻辑控制 模块三部分构成，其结构图如下所示：