电子标签防冲突研究及实现陈雪娇.docx

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电子标签防冲突研究及实现陈雪娇

《RFID与无线传感器网络》

——电子标签防冲突研究与实现

学院：

自动化与信息学院

专业：

电子信息学院

班级：

电子信息工程096班

姓名：

陈雪娇

学号：

0902102B674

摘要

射频识另IJ（RFID，RadioFrequencyIdentification）是一种新兴的自动识别技术，这种技术能给工业在提高效率方面带来专门大的益处，电子标签防冲突是RFID应用系统中的关键问题之一，一个大体的RFID系统由读写器、标签和天线三部份组成。

。

解决那个问题能够采历时分多路存取技术，其相关的算法有ALOHA法、时隙ALOHA法、二进制搜索法、动态二进制搜索法等防冲突算法。

RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干与即可完成信息输入和处置，具有操作方便快捷、存储数据量大、保密性好、反映时刻短、对环境适应性强优势，此刻已普遍应用于工业自动化，商业自动化和交通运输治理等领域，成为当前IT业研究的热点技术之一。

这几种算法在实现方式、应用效率上各有不同，本文对这几种算法进行了分析论证。

关键词:

RFID、防冲突、ALOHA、二进制搜索

一、RFID系统简介

RFID（RadioFrequencyIdemification）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作不必人工干与。

作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具有的防水、防磁、耐高温、读取距离大、标签上数据能够加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等特点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性转变。

由于RFID的应用已经愈来愈普遍，并慢慢成为企业提高物流供给链治理水平、降低本钱、企业治理信息化、参与国际经济大循环、增强竞争能力不可缺少的技术工具和手腕，新加坡、韩国等国都明确将RHD技术列为国家重点进展技术。

典型的RFID系统要紧包括三个部份：

电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据处置子系统（见图1）。

电子标签放置在被识别的对象上，是RFID系统真正的数据载体。

通常电子标签处于休眠状态，一旦进入阅读器作用范围之内就会被激活，并与阅读器进行无线射频方式的非接触式双向数据通信，以达到识别并互换数据的目的。

另外，许多阅读器还都有附加的通信接口，以便将所取得的数据传送给数据处置子系统进行进一步的数据处置。

二、系统防冲突研究与实现

RFID系统工作的时候，当有2个或2个以上的电子标签同时在同一个阅读器的作用范围内向阅读器发送数据的时候就会显现信号的干扰，那个干扰被称为冲突（collision），其结果将会致使该次数据传输的失败，因此必需采纳适当的技术避免冲突的产生。

从多个电子标签到一个阅读器的通信称为多路存取，多路存取中有四种方式能够将不同的标签信号分开：

空分多路法（SDMA）、频分多路法（FDMA）、时分多路法（TDMA）和码分多路法（CDMA）。

针对RFID系统低本钱、较少硬件资源和数据传输速度和数据靠得住性的要求，TDMA组成了RFID系统防冲突算法最为普遍利用的一族。

TDMA是把整个可供利用的通路容量按时刻分派给多个用户的技术，可分为电子标签操纵法和阅读器操纵法。

电子标签操纵法要紧有ALOHA法，阅读器操纵法有轮询法和二进制搜索法。

ALOHA法

ALOHA算法是一种信号随机接入的方式，采纳电子标签操纵方式，即电子标签一进入阅读器的作用范围内，就自动向阅读器发送自身的序列号，随即与阅读器开始通信。

在一个电子标签发送数据的进程当中，若是其他的电子标签也在发送数据，那么发送的信号重叠引发冲突（如图2）。

阅读器一旦检测到冲突产生，就会发送死令让其中一个电子标签暂停发送数据，随机等待一段时刻以后再从头发送数据。

由于每一个数据帧的发送时刻只是重复发送时刻的一小部份，以致在两个数据帧之间产生相当长的间歇。

因此存在着必然的概率，使两个标签的数据帧不产生冲突。

公共信道上在单位时刻T内平均发送的数据帧数G和传输通路的吞吐率S的计算公式见式

（1）和式

（2）。

其中：

n是系统中标签的数量，nr是T时刻内由电子标签n发送的数据帧数

依照发送的数据帧数G和吞吐率S之间的关系，能够得出，当G＝时，S的最大值为%。

这说明80％以上的数据通路没有被利用，该方式实现防冲突的效率代价较高。

可是由于ALOHA算法实现的简单性，而且适于标签数量不定的场合，能够作为一种防冲突法较好的适用于只读电子标签系统。

为了提高ALOHA算法的吞吐率，能够采纳改良的ALOHA算法。

时隙ALOHA算法在ALOHA算法的基础上将时刻分成多个离散的相同大小的时隙，标签只能在每一个时隙的分界处才能发送数据。

如此标签或发送成功或完全冲突，将原先ALOHA算法的产生冲突时刻距离T=2τ缩减到T=τ。

依照公式S=G⋅e（−G）能够取得当G＝1时吞吐率S达到最大值为%。

时隙ALOHA算法比ALOHA算法效率最大提高了一倍，可是同时要求所有的电子标签必需由阅读器同步操纵，因此这是一种随机的、阅读器操纵的TDMA防冲突法。

二进制搜索法

二进制搜索法又名二叉树搜索法。

所有效二进制唯一标识的电子标签的序列号能够组成一颗完全二叉树。

在阅读器作用范围内同步向阅读器发送的信号的标签的序列号也组成一颗二叉树。

阅读器依照信号冲突的情形反复对完全二叉树的分枝进行筛剪，最终找出这颗二叉树。

在寻觅的进程当中一一确信了作用区域内响应的电子标签，同时也完成了它们与阅读器之间的信息互换。

其算法流程图见图3。

图3二进制搜索算法程序流程图

下面来举例说明那个算法系统的实现情形。

那个地址采纳8位的序列号来唯一标识256个电子标签。

假设同一时刻进入阅读器作用范围的电子标签有四个，它们的序列号别离为：

A：

B：

C：

D：

算法系统在第1次重复操作中由阅读器发送请求命令（序列号）〈B，即在本例中最大可能的8位序列号。

由于作用在阅读器范围内的所有标签的序列号都小于或等于B，因此此命令被阅读器作用范围内的所有标签响应。

ABCD四个标签同步将自己的序列号回送阅读器，阅读器接收到的回送的代码为1X1X001X。

能够确信，在接收序列的第0、4、6位产生冲突。

其中，第6位是发生冲突的最高位，这意味着在≥B和≤B的范围内至少各有一个电子标签存在，如此就能够够限制下一次重复操作的搜索范围。

算法系统在第2次重复操作中由阅读器发送的请求命令（序列号）为≤B，知足此条件的电子标签ABC就会做出响应，然后回送自己的序列号，阅读器接收到的代码为101X001X。

同理在序列号≥B和≤B的范围内至少各有一个电子标签存在。

由此能够进一步限定范围进行第三次搜索。

依据以上方式，依次类推，最终能够确信一个唯一的电子标签序列号。

阅读器随即和这一标签成立数据通路，一对一的进行没有干扰的信息互换。

等信息互换完毕，阅读器对这一标签进行灭活处置，使其在必然的时刻内不能够再响应阅读器的请求命令。

通过4次如此的进程，就慢慢完成了对每一个标签的识别和通信，有效的避免了系统的冲突问题。

该例的算法示用意如图4。

图4二进制搜索算法示用意

动态二进制搜索法是一种改良的二进制搜索算法。

在二进制搜索算法中，电子标签的序列号老是一次次完整的传输，但是，当标签的序列号较长时（有可能达到几个到几十个字节），需要传送大量的数据，这就增加了搜索时刻和犯错频率。

事实上，通过对阅读器和单个电子标签之间数据流的分析（如图5），可即刻得出：

图5信息互换数据流图

阅读器发送的请求命令中，（X-1）～0列位不包括给电子标签的补充信息，因为这些位老是被置1或置0（本文举例中全置1），只要事前预定好，这些信息可没必要发送。

电子标签响应的序列号的N～X列位不包括给阅读器的补充信息，因为这些位是已知且给定的。

由此可见，传输序列号的互补部份（图中阴影部份）是多余的。

设计算法剪除这部份冗余数据能够使系统的传输效率提高一倍。

与ALOHA法相较，二进制搜索法识别率较高，随着识别区域内标签数量的增加，效率会维持并逼近在50%，而且该算法不存在错误判定的问题。

但算法实现的时延长，泄露的信息较多，平安性差。

实现二进制搜索算法的前提是系统必需能够对冲突按位进行识别，因此必需选择相对复杂的信道编码（一样采纳Manchester编码），这也增加了系统的复杂程度。

终止语

随着RFID技术的应用愈来愈普遍，RFID技术的存在的问题也越发突出，其中RFID冲突的问题确实是其中之一。

RFID系统冲突要紧有标签的冲突和读写器的冲突，同时读写器除本身冲突之外，在读写器网络组网的时候还会存在和传统无线网络一样的问题，如隐藏终端和暴露终端的问题，这些都是阻碍读写器网络读

取数据效率的一些潜在因素。

本文较为详细的介绍了能够有效避免RFID系统中电子标签冲突的几种算法，每种算法都各有利弊。

评估防冲突算法的性能参数有阅读标签的速度、阅读器信号的输出带宽、返回信号的带宽、标签的本钱、阅读器的本钱和阅读距离等。

因此，在实际的应用当中，应依照系统中具体的性能要求，选择一种适合的算法，使系统在更短的时刻内识别尽可能多的电子标签。

通过对几种防冲突算法的研究分析，找出各类方式的好坏，从而实现了电子标签防冲突的研究。

参考文献

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电子工业出版社,2004

[5][德]KlausFinkenzeller著,陈大才编译.射频识别（RFID）技术（第二版）.北京:

电子工业出版社,2001

[6]严蔚敏,吴伟民.数据结构.北京:

清华大学出版社,1994