UHF频段RFID系统中的防碰撞算法
科技信息
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1ISO/IEC18000-6标准三种类型比较技术特征
类型
工作频率调制方式编码方式数据速率
防碰撞算法
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
R→T T→R R→T T→R R→T T→R
TYPE A 860～960MHZ
ASK 反向散射PIE FM033kbps 40kbps ALOHA
TYPE B 曼彻斯特FM010kbps or 40kbps
40kbps 二进制树
TYPE C
PIE FM0or Miller 26.7～128kbps FM0:40～640kbps Miller:5～320kbps 时隙随机防碰撞
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。
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
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 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 命令时,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 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,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 ×1A
（1）
则一个时隙内有k 个标签响应的概率为：
P k =λk
k !
e -λ（2）
由式(2)可知，在一个时隙内一个标签响应的概率为：
P 1=λ×e -λ
（3）一个时隙内有一个标签响应也就是没有发生碰撞，此时标签被识别出。对式（3）求导，可以证明，当x=A 时，P1取最大值为0.3679。也就是说，当标签数与时隙数相等时，时隙利用率最大，最大时隙利用率为0.3679。
3.2算法分析
ISO/IEC 18000-6C 标准算法虽然比其它Aloha 算法性能上有很大改进，但仍然存在一些缺陷：
（1）仍存在某个标签永远都无法被识别的现象。假设有一个标签和另外一个标签同时响应读写器，这两个标签反射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
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