射频识别系统中数据传输完整性的研究

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射频识别技术

射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，利用射频信号和空间藕合传输特性，实现对被识别物体的自动识别和远程实时监控。射频识别系统一般由阅读器、应答器及应用软件系统三个部分组成。其工作过程是阅读器发射特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据传送给阅读器，然后送给应用程序做相应的处理。在实际应用中，应答器附着在待识别物体的表面，其中保存有唯一的标识码，从而达到自动识别物体的目的。RFID 读写器发送射频信号时所使用的频率被称为RFID 系统的工作频率，按照频率的不同，RFID 系统可以分为低频、高频和超高频。低频和中频系统作用距离短、成本低，而高频系统识别距离长、读写数据速率高。RFID 的标签分为有源和无源两种。

射频识别技术发展存在的问题

首先，在实现RFID功能的过程中，需要考虑许多重要的标准，尤其是在无线电功能上。显然要想使RFID有一个世界通用的版本，就必须使之与世界各国的水平兼容，这正是现在面临的一个问题：世界各国的无线电标准是不同的。现有的标准主要有：ISO/IEC14443适用于识别无触点集成电路卡一一邻近卡：ISO/IEC15693标准，工作频率为13.56MKZ士7KHZ；ISO18000-6，工作频率为860-930Mhz[1]。

其次，射频识别系统关键技术是数据传输的完整性和安全性问题，直接关系到整个系统的性能优劣程度，本文主要对数据传输的完整性进行研究。

第三，降低成本上的问题。目前，最便宜的RFID标签大批量生产也要花费50美分，很多公司目标是将价格压到每个标签5美分甚至更低。

数据校检防碰撞算法

在射频识别系统工作时，可能会有一个以上的应答器同时处在阅读器的作用范围内，这样如果有两个或两个以上的应答器同时发送数据时就会出现通信冲突，数据相互的干扰；同样有时也有可能多个应答器处在多个阅读器的工作范围之内，他们之间的数据通信也会引起数据干扰，不过我们一般很少考虑后面的这种情况。为了防止这些冲突的产生，射频识别系统中需要设置一定的相关命令，解决冲突问题，这些命令被称为防冲突命令或算法。

对于射频识别系统中存在的不同通信形式一般有三种。第一种是“无线广播”式，第二种为多路存取通信。第三种是多个阅读器同时给多个应答器发送数据。我们常常遇到“多路存取”这种通信方式。每个通信通路有规定的通路容量。这种通路容量是由这个通信通路的最大数据率以及供给它使用的时间片确定的。分配给每个应答器的通路容量必须满足：当多个应答器同时把数据传输给一个单独的阅读器时不能出现互相干扰。

防碰撞算法协议

阅读器能够顺利地完成在阅读器作用范围内的应答器的识别、数据信息的读写操作。目前在射频识别系统中，主要是采用时分多路法的原理，使每个应答器在单独的某个时隙内占用信道与阅读器进行通信，防止碰撞产生，也就是数据能够准确地在阅读器和应答器之间进行传输。这种协议被称为防碰撞协议简称CRP，主要有ALOHA算法和二进制搜索算法等，下面进行分别介绍。

ALOHA算法

ALOHA是一种交互计算机传输而设计的时分多路法的多路存取方式。1968年开始研究，最初由美国夏威夷大学应用于地面网路，1973年应用于卫星通信系统。ALOHA系统所采用的多址方式实质上是一种无规则的时分多址，或者叫随机多址。ALOHA法仅用于只读阅读器中，只要有一个数据包提供使用，这个数据包就立即从应答器发送到阅读器去。这类应答器通常只有一些数据传输给阅读器，并且在一个周期性的循环中将这些数据不断地发送给阅读器，数据的传输时间只是重复时间的一小部分，以致在传输之间产生相当长的间歇。各个应答器的重复时间之间的差别很小，所以存在着一定的概率，两个应答器可以在不同的时间段上设置它们的数据，使数据包传送时不互相发生碰撞。吞吐率通常是对一个系统与它的部件处理传输数据能力的总体评价。在通信系统中，这个测度通常基于每秒能处理的数据位数或分组的数目，它依赖于网络的带宽和交换部件。

时隙ALOHA法

时隙ALOHA法是一种时分随机多址方式，可以提高ALOHA法的吞吐率。它是将信道分成许多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的长度由系统时钟决定，各控制单元必须与此时钟同步。对于RFID系统，应答器只在规定的同步时隙内才能传输数据包，对所有的应答器所必须的同步由阅读器控制。因此，需要准备足够大量的时隙，这样做法降低了防碰撞算法的性能。在此基础上还发展了动态时隙ALOHA法，这种方法使用可动态调整时隙的数量。动态时隙ALOHA法方法是根据碰撞问题本身的这一数学特性的防碰撞方法。它既没有检测机制也没有恢复机制，只是通过某种数据编码检测冲突的存在，动态的调整各阅读器的报警时间，从而达到将数据帧接收错误率降低到所要求的程度，并同时对应答器的数据吞吐率没有什么损失。

ALOHA法、时隙ALOHA法所有应答器都是通过随机发送数据的原理，相对来说不能够保证整个系统的可靠性，信道的利用率也比较低。

二进制搜索算法

二进制树型搜索算法是同样也是时分多路法，按照递归的工作方式遇到碰撞就进行分枝成两个子集，这些分枝越来越小，直到最后分枝下面只有一个信息包或为空。如果在某个时隙发生碰撞，所有信息包不占用信道，直到碰撞问题得以解决。如同抛一枚硬币一样，这些信息包随机的分为两个分枝，在第一个分枝里，是抛面的信息包，在接下来的时隙内，主要解决这些信息包发生的碰撞，如果再次发生碰撞，继续再随机的分为两个分枝，过程不断重复，直到某个时隙为空或是成功完成一次的数据传输，然后返回上一个分枝，这个过程遵循“先入后出”的原则，等到所有第一个分枝的信息包都成功传输以后，再来传输第二个分枝，也就是抛1面的信息包。这种算法被称为树型搜索算法，每次分割使搜索树更多一层分枝。只有当所有发生碰撞的信息包都成功的识别传送信息后，碰撞问题才得以解决，从开始碰撞产生，到所有碰撞问题得以解决这段时间叫做解决碰撞的时间间隔。这里需要特别指出，当碰撞正在进行时，新加入这个系统的信息包禁止传送信息，直到该系统碰撞问题得以解决，所有信息包成功发送完信息后，才能进行新的信息的传送。

结论：本文主要是对射频识别系统数据传输的完整性进行理论性研究。数据传输完整性包括两个方面的内容即数据的校验和多个应答器同时占用信道发送数据产生冲突以致发生碰撞，重点就是研究防碰撞算法解决碰撞问题。随着射频识别技术的飞速发展，应用会越来越广泛，也会出现多个阅读器对一个应答器，多个阅读器对多个应答器之间数据通信的碰撞问题，继续探讨数据完整性传输以加快射频识别技术的发展是本课题的研究方向。

参考文献

[1]Klaus Finkenzeller 著.《射频识别（RFID）技术》（第二版）[M].电子工业出版社

[2]周颖琦.125kHz 射频识别系统的研究与设计[D].安徽：合肥工业大学，2006

（作者单位：深圳坪山新区管委会）