RFID超高頻電子標簽防沖突算法介紹

在正常情況下，當電子標簽在RFID讀寫器范圍內(nèi)存在大量靜止電子標簽，RFID讀寫器可通過防沖突算法，完成所有電子標簽的識別工作;但當電子標簽群運動起來，并達到一定的速度時，是否可以在有限時間內(nèi)完成電子標簽的讀取工作是一個問題，其關(guān)鍵因素是防沖突算法。

本文基于特定背景，高速運動的電子標簽群源源不斷地筆直經(jīng)過UHF RFID讀寫器的識別范圍。

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　　能否有效地完成快速移動電子標簽群的讀取工作，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。未來用于高速運動標簽群的UHF RFID自動識別系統(tǒng)將越來越多，因此本課題的研究具有一定的前瞻性以及現(xiàn)實意義。 

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　　1 UHF RFID超高頻介紹 

　　射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種無線射頻識別技術(shù)，它利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過傳遞的信息識別目標。RFID的工作頻段分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波(MW)，其中UHF RFID(860~960 MHz)具有讀寫速度快、識別距離遠、抗干擾能力強、標簽小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。 

　　1.1 RFID超高頻協(xié)議標準 

　　國際上主要有3個RFID技術(shù)標準體系組織：全球產(chǎn)品電子編碼中心(EPC Global)、ISO/IEC和日本Ubiquitous ID Center(UID)。ISO/IEC 18000是基于物品管理的RFID的國際標準，按頻率不同分為7個部分，其中ISO/IEC 18000-6規(guī)定UHF頻段，針對860~930 MHz的無線接觸通信空氣接口參數(shù)。ISO/IEC 18000-6系列標準包括Type A、Type B、Type C三類標準，其主要區(qū)別在于標簽識別中的編碼方式以及防沖突算法等。 

　　1.2 RFID超高頻防沖突算法 

　　防沖突算法是射頻識別系統(tǒng)中的多路存取法，它是射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)標簽快速識別的關(guān)鍵。RFID系統(tǒng)識別多標簽時，當有2個或者2個以上標簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)的干擾，這種干擾稱為標簽沖突。因此，在RFID系統(tǒng)中必須建立有效的仲裁機制來避免沖突的發(fā)生。
　　目前在RFID系統(tǒng)中使用最廣泛的防沖突算法大多基于時分多址(TDMA),每個標簽在某個時隙占用信道與RFID讀寫器通信，當產(chǎn)生沖突則暫時退避，重新選擇時隙再次與RFID讀寫器通信，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的防沖突工作。 

RFID超高頻分體式電子標簽讀寫器UR6258

　　1.3 RFID超高頻研究背景 

　　本文的研究基于高速運動標簽群不間斷地經(jīng)過RFID讀寫器識別范圍的特定背景。如果運動標簽群速度過慢，RFID讀寫器在新標簽到來之前已經(jīng)完成了場內(nèi)所有標簽的識別工作，不會出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象，但是在這種情況下，系統(tǒng)識別效率就會大大降低;而當運動標簽群達到一定速度時，RFID讀寫器將進行標簽的防沖突處理，因為新標簽的加入會產(chǎn)生部分標簽一段時間內(nèi)不被識別到，隨著標簽移動離開射頻范圍，就會出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象。
　　在現(xiàn)實生活中，滿載貨物的貨車在通過RFID讀寫器識別范圍時，要求系統(tǒng)快速有效地讀取貨車上所有貨物的物品信息。貨車通過RFID讀寫器的速度直接影響系統(tǒng)的工作效率，快速通過能節(jié)約大量時間和成本。
　　所以，如果要提高系統(tǒng)效率并且保證系統(tǒng)可靠性，移動標簽群必須達到一個適中的速度，并且防沖突算法一定要對此種情況進行有效處理。本文研究ISO/IEC 18000-6 Type C的防沖突處理算法，分析其對高速運動標簽群是否有可靠的對策和處理方式。 

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　　2 Type C防沖突算法 

　　2.1 Aloha算法 

　　常用的防沖突算法大多是基于Aloha算法——一種無規(guī)則的時分多址(TDMA)算法。Aloha算法規(guī)定標簽周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)給RFID讀寫器，數(shù)據(jù)傳輸時間只是周期時間的一小部分，標簽傳輸中有很長時間的停歇，因此有一定概率使兩個標簽在不同時隙傳輸數(shù)據(jù)，以避免沖突。
　　基于Aloha算法出現(xiàn)了很多改進算法：時隙Aloha算法、幀時隙Aloha算法、動態(tài)幀時隙Aloha算法等。Type C采用的防沖突算法是隨機時隙防沖突算法，其本質(zhì)跟幀時隙Aloha機制一樣。 

　　2.2 隨機時隙防沖突算法(SR) 

　　隨機時隙防沖突算法本質(zhì)上與幀時隙Aloha機制類似，其幀長度為2Q,并且該機制根據(jù)標簽應(yīng)答情況來調(diào)整Q值，改變下一個識別周期的時隙數(shù)，讓未識別標簽重新選擇。當一幀中出現(xiàn)過多的沖突時隙時，RFID讀寫器會提前結(jié)束該幀，并選擇一個更大的Q值發(fā)送給標簽群;當一個幀中出現(xiàn)過多的空閑時隙時，RFID讀寫器會提前結(jié)束該幀，并選擇一個比較小的Q值發(fā)送給標簽群。
　　隨機時隙防沖突算法命令包括Query、QueryAdjust、Query Rep等,主要參數(shù)為時隙計數(shù)參數(shù)Q。協(xié)議中的Q值決定了防沖突時所用的時隙數(shù),RFID讀寫器通過給標簽發(fā)送相應(yīng)命令改變標簽狀態(tài)，完成防沖突工作。協(xié)議規(guī)定標簽有3個狀態(tài)。

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　當系統(tǒng)上電或信道空閑時，RFID讀寫器發(fā)送Query命令，啟動清點周期，初始化一個識別周期，并決定哪些電子標簽參與本輪識別周期。Query命令包含時隙計數(shù)參數(shù)Q，當接收到Quary命令時，電子標簽RFID讀寫器在識別區(qū)域內(nèi)隨機選擇進入識別周期的標簽，所有參與電子標簽在(0，2Q-1)范圍內(nèi)選擇一個隨機數(shù)，并置入它們的時隙計數(shù)器。選到0值的電子標簽變?yōu)閼?yīng)答狀態(tài)，并響應(yīng)RFID讀寫器，回答一個16機制隨機數(shù)(RN16)給RFID讀寫器;沒有選到0值的標簽變?yōu)橹俨脿顟B(tài)，等待下一條Query Adjust或Query Rep命令;沒有進入本輪識別周期的電子標簽保持休眠狀態(tài)。

　　處于仲裁狀態(tài)的電子標簽每接收到一條Query Rep命令，它們的時隙計數(shù)器減一次，當時隙計數(shù)器減到0000h時，標簽轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)答狀態(tài)，響應(yīng)RFID讀寫器。當時隙計數(shù)器值為0000h，并且已經(jīng)應(yīng)答，但沒有得到確認時，標簽變?yōu)橹俨脿顟B(tài)，當接收到下一條QueryRep命令時，簽時隙計數(shù)器減一變?yōu)?FFFh，防止隨后應(yīng)答，直到標簽接收到Query Adjust命令或者進入下一個識別周期。在2Q-1條QueryRep命令中，所有標簽至少應(yīng)答一次。
　　當電子標簽時隙計數(shù)器同時達到0000h，并同時應(yīng)答，會產(chǎn)生沖突;當標簽時隙計數(shù)器都不等于0000h,RFID讀寫器接收不到響應(yīng)。面對這兩種情況，RFID讀寫器可能需要重新選定Q值，RFID讀寫器根據(jù)的自適應(yīng)Q算法。

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　　由自適應(yīng)Q算法可知，當某一時隙出現(xiàn)沖突或者無響應(yīng)的情況，Qfp的值會增大或減小，然后對Qfp四舍五入得到新的Q值。如果Q值發(fā)生變化，RFID讀寫器發(fā)送Query命令更新Q值，并使標簽重新選擇時隙計數(shù)器;否則繼續(xù)發(fā)送QueryRep命令，讓所有標簽時隙計數(shù)器減一。自適應(yīng)Q算法通過根據(jù)標簽沖突以及無響應(yīng)情況動態(tài)地改變Q值，從而改變時隙數(shù)，實現(xiàn)自適應(yīng)防沖突。

　　3 RFID超高頻存在的問題及解決方案 

　　3.1存在的問題 

　　本文的背景是高速運動標簽群通過RFID讀寫器射頻區(qū)域，該種情況必須注意的是，RFID讀寫器范圍內(nèi)的標簽是動態(tài)變化的，隨時都有新標簽加入RFID讀寫器的識別范圍，從而影響系統(tǒng)的防沖突處理。通過對ISO18000-6 Type C防沖突算法過程的研究，發(fā)現(xiàn)該算法在面對快速標簽群時并未做有效的處理。
　　根據(jù)算法的工作過程，當UR6258電子標簽RFID讀寫器開始電子標簽的識別工作，首先發(fā)送Query命令開啟一個清點周期，高速運動標簽群進入RFID讀寫器識別范圍，上電進入休眠狀態(tài)。RFID讀寫器在識別范圍內(nèi)選擇部分標簽進入清點周期，部分標簽沒有被選擇而保持休眠狀態(tài)，等待下一個清點周期的到來。當上一個清點周期結(jié)束，RFID讀寫器會發(fā)送Query命令開啟新的清點周期，這時候RFID讀寫器識別范圍內(nèi)會有新加入的標簽，RFID讀寫器會從所有標簽中再次隨機選擇部分標簽進入清點周期。新標簽的加入導(dǎo)致部分標簽可能始終無法進入清點周期，無法被識別到，然后離開RFID讀寫器識別范圍。
　　另外一種情況是，電子標簽進入清點周期后，在電子標簽應(yīng)答發(fā)生沖突或者未收到回復(fù)的情況下，時隙計數(shù)器由0000H減1變?yōu)镕FFFH，避免隨后應(yīng)答。這時候會有兩種情況：一種是由于碰撞或者無響應(yīng)的情況導(dǎo)致Q值發(fā)生變化，這時允許所有標簽重新隨機選擇一個值放入時隙計數(shù)器，在清點周期內(nèi)獲得再一次被識別的機會;如果沖突以及無響應(yīng)現(xiàn)象沒有導(dǎo)致Q值發(fā)生變化，那么在本輪清點周期結(jié)束后，它會同新進標簽一起爭取下一次進入清點周期的機會，所以會有幾率無法進入清點周期，直到離開RFID讀寫器的識別范圍。
　　假設(shè)運動標簽群的運動速度為v,標簽在RFID讀寫器識別范圍內(nèi)運動距離為d,那標簽在識別范圍內(nèi)的時間t=v/d。假設(shè)RFID讀寫器進行一輪標簽讀取的時間為T，而標簽被識別所需的周期為n(n為正整數(shù))，那么當n·Tv/d，則會出現(xiàn)標簽不被識別的情況。
　　以上兩種情況的發(fā)生都可能會導(dǎo)致標簽群中部分標簽一段時間不被識別，通過RFID讀寫器的識別范圍，從而造成系統(tǒng)的不可靠，出現(xiàn)漏讀。 

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　　3.2 解決方案 

　　針對高速運動標簽群的識別，主要問題是新標簽與舊標簽爭搶進入清點周期的機會，而舊標簽在RFID讀寫器識別范圍的時間有限。面對這種情況，解決問題切入點是讓舊標簽比新標簽擁有更多的機會進入清點周期，或者直接不允許新標簽與舊標簽競爭，而是等待舊標簽完成識別才開始新標簽的識別工作。擬采用兩種方法解決該問題。
　　第一種是基于標簽到場時間的解決方案。標簽進入射頻范圍內(nèi)上電，標簽內(nèi)到場計時器開始計時，計時值為t，RFID讀寫器選定一個適當?shù)挠嫊r值T，發(fā)送Query命令開始清點周期的同時發(fā)送T，標簽把自己的計時值與RFID讀寫器所要求的T大小作比較。
　　第二種是基于標簽到場點名的辦法。當某一時刻系統(tǒng)啟動，RFID讀寫器開始發(fā)送Query命令進入清點周期之前發(fā)送點名命令，讓識別范圍內(nèi)的標簽由休眠狀態(tài)進入到場狀態(tài)。之后只選擇到場狀態(tài)的標簽進入清點周期，待所有到場標簽完成識別再進行新一輪點名。這種方案可以完全解決新舊標簽的競爭問題。 

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　RFID超高頻防沖突算法結(jié)語 

　　針對高速運動標簽群的特殊背景，研究了ISO18000-6 Type C類標準的隨機時隙防沖突算法(SR)，研究得知該算法并沒有針對該種情況進行有效的處理，會出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象。在不改變原有算法本質(zhì)的前提下提出了基于到場時間以及基于到場點名兩種解決方案。

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