RFID系统中的碰撞与防碰撞问题研究

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摘要：rfid系统的碰撞问题一直是影响系统性能的重要因素，社会对RFID系统可靠性的疑虑也阻碍着RFID技术的进一步发展。本文对射频识别系统的碰撞和防碰撞问题进行了分析，为更深入的研究提供了基础。

关键词：RFID；防碰撞

1、引言

RFID射频识别（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术。它利用射频信号的空间耦合或反射特性以达到识别目标、获取数据的作用。与其他识别技术相比，它具有识别速度快、数据容量大、使用寿命长、动态实时通信等优点，无需人工干预，并可同时识别多个标签。

在得到广泛使用和关注的同时，RFID技术也暴露出数据碰撞等问题。研究RFID系统的碰撞与防碰撞问题，对于增强系统稳定性和可靠性，推动RFID技术发展有重要意义。本文对RFID的防碰撞问题、防碰撞算法进行了简要的描述和分析。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必将是不可逆转的趋势。

2、RFID的碰撞问题

RFID技术是一种多目标的自动识别技术，这就不可避免地产生了数据碰撞问题。碰撞时，阅读器或标签将重新发送请求或接收信号，如此反复不仅浪费了时间、系统资源，也使效率降低，限制了RFID技术的发展。

2.1标签的碰撞

当多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，会出现多个标签同一时刻应答或一个标签没有应答完成时另外的标签就应答的情况，降低阅读器接收信号的信噪比，造成通信失败。

2.2阅读器的碰撞

2.2.1阅读器-阅读器干扰

当阅读器之间距离较近，且一个处于发送状态，另一个处于接收状态时，发送阅读器的发射信号将会对接收阅读器的接收信号产生干扰，造成两个阅读器均无法正常阅读标签。

2.2.2标签干扰

当一个标签同时处于多个阅读器的询问区域中时，多个阅读器同时与该标签通信就会产生干扰。此时标签接收到的信号是多个阅读器发射信号的矢量和，故标签不能正确识别。

3、RFID的防碰撞算法

由于阅读器间能够进行通信，且阅读器较之标签功能更为强大，阅读器碰撞问题更容易解决，因此主要关注标签的碰撞问题。在通信过程中的标签碰撞问题也称为多路存取问题。

3.1针对多路存取问题的防碰撞算法

3.1.1空分多址(SDMA--Space Division Multiple Access)

空分多址法对空间范围进行划分。实现方法有两种：一是减少阅读器之间的相互作用距离，把阅读器的覆盖面积并排安置在一个阵列之中，当标签经过时与最近的阅读器通信；二是采用电子控制定向天线，阅读器利用角度位置的不同来区分标签。由于天线复杂，成本较高，仅使用在一些特殊的系统中。

3.1.2频分多址(FDMA―Frequency Division Multiple Access)

频分多址法将若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给用户使用，以通信频率的不同进行识别。由于每个子信道有单独的接收模块，故阅读器接收端需要多个接收器，造成阅读器的设计复杂，成本较高，仅适用于少数几种特殊应用上。

3.1.3码分多址(CDMA―Code Division Multiple Access)

码分多址是扩频通信技术的发展。发送端用伪随机码调制信息，然后载波调制，发送；接收端用相同的伪随机码解扩接收到的信号。该方法频带利用率低、信道容量小，地址码选择较难且捕获时间长，故虽在移动通信中应用广泛，在射频识别中尚未普遍应用。但由于经过了扩频与解扩，相当于对信号进行了加密与解密，故具有很好的隐蔽性和抗干扰性。

3.1.4时分多址(TDMA―Time Division Multiple Access)

时分多址把可供使用的通路容量按时间分配给多个用户。不仅实现简单，并可以很好地避免碰撞，故应用最为广泛。

时分多址法可以分为基于概率的ALOHA算法和确定的二进制算法。

3.2概率性算法――ALOHA算法

ALOHA算法是最简单的标签防碰撞算法。采用“标签先发言”的方式，标签自动发送信息，若碰撞，阅读器发送命令让标签停止发送数据，随机等待一段时间后重新发送，当阅读器能准确分辨出唯一的标签时才进行通信。由于等待的时间是随机的，再次发生碰撞的概率显著降低，当标签数量不多时可以很好地工作。缺点是碰撞发生的概率很大，标签不能自己检测冲突，只能通过接收阅读器的命令判断有无碰撞，当标签数增加时，性能急剧下降。

3.2.1纯ALOHA算法

标签不断在任意时间点上发送信息，阅读器检测并判断是成功接收还是碰撞。成功接收时，标签自动进入睡眠状态，不再发送请求；发生碰撞时，标签采取退避原则，随机等待一段时间后再发送。当阅读器接收一个标签的信息时，通知其他标签暂时不发送信息。假设某一帧信息的长度为h，发送的起始时间为t1，则碰撞发生的条件是另一帧发送的起始时间t2满足关系式。纯ALOHA算法简单，易于实现，但容易发生情况比较复杂的部分碰撞，仅适用于传输数据量较少且由只读型标签构成的RFID系统中。

3.2.2时隙ALOHA算法

是对纯ALOHA算法的改进。将标签发送信息的时间分成多个离散时隙，每个时隙的长度足够一个标签响应。当一个时隙内只有一个标签回答时不产生碰撞，阅读器成功接收（响应时隙）；当没有响应时跳过该时隙（空闲时隙）；当多个标签响应时发生碰撞（碰撞时隙），阅读器通知标签在下一轮循环中重新选择时隙，直到所有标签都被识别出来。由于标签不能在任意时间点上发送，故要么不发生碰撞，要么完全碰撞，没有部分碰撞的可能，可能发生冲突的时间减少为原来的一半。

3.2.3帧时隙ALOHA算法

在时隙ALOHA算法的基础上，将若干个时隙组成一个“帧”，每个帧大小固定，标签在帧内随机选择一个时隙发送数据，且在一个帧中标签只发送一次信息。当标签个数远大于时隙个数时，读取标签的时间会大大增加；当标签个数远小于时隙个数时，会造成时隙浪费。

3.3确定性算法――二进制算法

二进制防碰撞算法是将标签分成左子集0和右子集l。先对左子集0进行查询，如果无碰撞，则正确识别出标签；如果有碰撞，把左子集0分裂成更小的左右两个子集，即00和01。依此方法不断缩小范围，直至左子集0中所有标签被成功识别出，按同样的策略识别右子集1中所有的标签。反复调整查询前缀使得符合查询前缀的标签数减少(即再次发生碰撞的概率降低)。

二进制防碰撞算法基于轮询的方法，按照二进制树模型和一定的顺序对所有的可能进行遍历，因此它不是基于概率的算法，而是一种确定性的算法。由于算法复杂，识别时间较长，因此适合于待识别标签数量较多的情况。

参考文献：

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