毕业设计RFID算法的研究与分析.docx
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毕业设计RFID算法的研究与分析
1引言
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术。
射频识别技术诞生于二战期间，直接继承了雷达的概念。
随着射频识别技术不断发展，其应用领域不断的扩大，已经进入日常生活、工业和家用等各个方面，对日常的生活产生巨大的影响。
射频识别技术是按非接触方式进行通信的，其前景十分广阔。
目前和射频识别相关的技术已经成熟，已经投入生产和应用中。
早期的射频识别系统只能够实现简单的一个阅读器与一个标签的同时通信，不能够实现一个阅读器与多个标签的同时通信。
但是现实的应用当中不可避免的会出现多个标签在一个阅读器的工作范围之内，特别是在高速运转的对效率要求比较高的工业生产应用中，出现这种情况的概率更大。
为了使射频识别技术的应用更加广泛，国内外已开展了大量的防碰撞算法研究，本篇就是对目前各种防碰撞算法就行研究和分析。
防碰撞算法包括空分多路法，频分多路法，时分多路法和码分多路法。
其中应用最为广泛和方便的是时分多路法。
时分多路法有二进制搜索算法，后退二进制搜索算法，动态二进制搜索算法，改进后的二进制搜索算法，ALOHA算法等。
其中改进后的二进制搜索算法结合了后退二进制搜索算法和动态二进制搜索算法的优点性能最好。
ALOHA算法实现比较容易，但信道比较差，时隙ALOHA算法的信道利用率也只有0.368，标签需要再较长的时间内才能被识别。
介于此，我将重点讨论防碰撞算法中的二进制搜索算法以及它的改进二进制搜索算法并对其吞吐量和识别次数进行比较分析。
，分多路____________________________________________________________________________________________________________________________
2射频识别系统概述
自动设备识别技术是目前国际上发展很快的一项新技术，英文名称为AutomaticEquipmentIdentification,简称AEI,它通过一些先进的技术手段，实现人们对各种设备在不同状态下的自动识别和管理。
目前，应用最广泛的自动识别技术大致可以分为光学技术和无线电技术两种，其中光学技术普遍应用于条形码和摄像两大类，而无线电技术在自动识别领域的应用更具体的名称为射频识别，英文名为RadioFrequencyIdentification，简写为RFID。
RFID技术通过射频方式进行非接触的双向通信，达到自动识别的目的，它源起于上世纪四五十年代，最初是基于雷达与微波理论的发展，自从上世纪九十年代以来，RFID技术快速发展，得到了广泛的应用，进入新世纪后，各个国家，组织还有企业都加大了对RFID技术的投入，生产了大批相应的产品，在多个领域有了成功的应用案例。
RFID被誉为二十一世纪的十大战略性产业之一，可以预想，未来RFID技术的发展空间是无限广阔的。
2.1射频识别系统的组成
根据实际应用环境，RFID系统结构有多种不同分法，一般来说，一个典型RFID系统包括三个部分：
前端信息载体，数据交换环节，后端应用环境。
在具体应用中，前端信息载体有多个名称，如标签（Tag）,智能标签（SmartLabels），射频卡（RFCard）等，本文建议采用应答器（Transponder）这种更具普遍意义的说法。
在RFID系统中，应答器放置在待识别的物体上，它内部存储的信息表征着该物品的独一性，因此是RFID系统真正的数据载体。
通常来说，应答器由耦合元件和微电子芯片组成，主要电气性能为工作频率,读写能力,数据传输率,信息数据存储量,防碰撞能力,信息安全性能等，应答器的分类也是以这些性能为依据的，例如根据存储器可将应答器分为EEPROM,FROM（铁电存储器）,SRAM（静态随机存储器），根据信息注入方式可分为集成电路固化，现场有线改写，现场无线改写，根据电源供给方式分为无源，半无源，有源。
一般来说，应用最广泛的是无源＋集成电路固化＋静态随机存储的应答器。
由于在RFID系统中，应答器是大规模生产的，所以应答器的主要考虑因素是生产成本，降低成本的手段有缩小芯片面积，采用更精细的芯片切割技术，更先进的封装技术，以及新型天线技术，甚至于找到硅材料的替代品等。
应答器的典型产品有TI公司的6000系列，Philips公司的I·CODE等。
数据交换环节即RFID系统中的读出写入设备，它是系统的核心部件，是后端应用环境和前端信息载体的数据通道，在实际应用中，往往被称为查询器，扫描器，阅读器，编程器等，本文建议采用读写器（Read/WriteDevice）这种更具普遍意义的说法，这样既包括了从应答器中读出信息，同时也包括了向应答器中写入信息。
根据天线与读写器模块的分离与否，读写器可以分为分离式和集成式，但无论哪种读写器，其基本结构都是类似的，从硬件部分来说，典型的读写器由三块组成：
射频通道模块，控制处理模块，天线。
后端应用环境主要完成数据信息的存储及处理，它实质上就是一个数据管理系统，也是一个全局控制系统，一般由PC机或者工作站组成，同时也包括了应用软件在内，整个后端应用环境负责接收来自读写器的数据，并进行存储以及相应的处理，协同调节多个读写器的工作，该部分在应用中常称为中间件（Savant），它扩展了RFID系统的应用范围和应用能力，是未来RFID系统智能化，大型化发展的有力技术支撑，是RFID技术发展的重要方式。
微软公司近年来也介入了RFID技术领域，所瞄准的就是RFID系统后端应用的相关软件和服务。
综上所述，一个典型的RFID系统的组成如下图所示：
图1射频识别系统的组成
2.2射频识别系统的分类
RFID系统依据不同的标准，可以分为很多类别，各个不同的RFID系统，在工作方式和应用范围上，有着各自不同的特点，在应用时要根据实际需要来选择。
几种典型的分类方式如下所示：
根据作用距离的远近，RFID系统可以分为如下三个方面：
（1）密耦合：
典型的作用范围为0～1cm。
（2）遥耦合：
典型的作用范围为1cm~1m。
（3）远距离系统：
典型的作用范围为1～10m。
根据工作频率的大小，RFID系统可以分为如下四个方面：
（1）低频：
30～300KHz，典型应用为134KHz。
（2）高频：
3～30MHz，典型应用为13.56MHz.
（3）超高频：
300MHz~5.8GHz，典型应用为2.4G。
（4）混频：
多个频率的混合使用，典型应用为134KHz+430MHz。
根据应答器供电方式，RFID系统可以分为三个方面：
（1）无源系统：
由读写器负责给应答器供电。
（2）半无源系统：
应答器内的电池仅做辅助作用。
（3）有源系统：
应答器内置电池负责供给工作电压。
2.3射频识别系统的工作原理
RFID是一门多学科综合技术，涉及到电磁场理论，数字电路，模拟电路，无线电广播，通信原理等多方面知识。
RFID系统中，读写器将要发送的信号调制到载波上，经由射频通道，通过天线发送出去，应答器上的电压根据载波的变化而变化，将该电压信号进行整流和滤波后，得到解调后的数据，这是下行链路的过程，应答器传输的数据的变化控制应答器天线上负载电阻的通断，从而促使读写器天线上电压的变化，从而实现了数据的上行链路传输。
在数据的双向传输过程中，是通过电磁场的相互感应来实现的，该过程也可以用变压器的模型来予以参考。
同时，根据RFID系统的不同，在供电方式上有无源或者有源，调制方式上有幅度调制或者相位调制，数据读取上有电感耦合或者反向散射等区别。
3RFID防碰撞算法概述
3.1防碰撞问题的两种形式
在系统中，存在着两种基本的通信从阅读器到标签的通信和从标签到阅读器的通信。
射频识别的一个优点就是多个目标识别。
在射频识别系统工作时，在阅读器作用范围内，可能会有多个标签同时存在。
在多个阅读器与多标签的射频识别系统中，存在着两种形式的冲突方式，一种是同一标签同时收到不同阅读器发出的命令，另一种是一个阅读器同时收到多个不同标签返回的数据。
在很多情况下。
阅读器射频区可能会有多个标签存在，面对阅读器发出的命令，每个标签都会响应，所以标签的响应信息会产生叠混的现象。
系统会采用一定的策略或算法来避免冲突现象的发生，控制标签的响应信息逐个通过射频信道被阅读器接收。
防碰撞问题的研究主要解决两个问题一是如何避免或减少阅读器与标签之间的冲突问题。
二是避免或减少阅读器之间的干扰碰撞问题。
3.2防碰撞算法的原理
射频识别系统中一般存在有三种不同通信形式。
第一种是“无线广播”式，即在一个阅读器的阅读范围内存在多个标签，阅读器发出的数据流同时被多个标签接收。
这可以同数百个无线电广播接收机同时接收一个发送信息类似，信息是由一个无线电广播发射机发射的。
第二种是在阅读器的作用范围有多个标签同时传输数据给阅读器，这种通信形式称为多路存取通信。
第三种是多个阅读器同时给多个标签发送数据。
现在射频识别系统中这种情况很少遇到，常常遇到多路存取这种通信方式。
由于标签含有可被识别的唯一信息序列号，RFID系统的目的就是要读出这些信息。
如果只有一个标签位于阅读器的可读范围内，则无需其他的命令形式即可直接进行阅读。
如果有多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，则标签的应答信号就会相互干扰形成所谓的数据冲突，从而造成阅读器和标签之间的通信失败。
为了防止这些冲突的产生，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”。
3.3防碰撞算法的分类
在无线通信技术中，通信冲突问题是长久以来存在的问题但同时也研究出许多相应的解决方法。
基本有四种不同的方法：
空分多路法，频分多路法，时分多路法和码分多路法。
下面分别介绍这四种方法。
3.3.1空分多路法
空分多路法（SDMA）是在分离的空间范围内进行多个目标识别的多路接入技术，图2就是一种使用定向天线的自适应的空分多路法的示意图。
图2使用定向天线的自适应的空分多路法
空分多路法在射频识别系统中的应用主要有两种方式，一种方式是将阅读器和天线的作用距离按空间进行划分，把多个阅读器和天线放置在这个阵列中。
这样，当标签进入不同的阅读器范围时，就可以从空间上将所有电子标签区分开来。
另外一种方式可以在阅读器上使用一个相控阵天线，并且让天线的方向性图对准某个电子标签，所以不同电子标签可以根据它在阅读器工作区域的角度位置而区别开来。
空分多路方法的缺点是复杂的天线系统和比较高的实施费用，因此采用这种技术的系统一般是在某些特殊场合，例如应用在大型的马拉松活动中来区分所有的参赛运动员。
3.3.2频分多路法
频分多路法（FMDA）是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用的技术，图3就是这种频分复用的示意图。
图3频分复用示意图
一般情况下，采用这种方法的射频识别系统从阅读器到标签的频率是固定的，用于能量供应和命令传输。
而对于从标签到阅读器，可以采用不同的副载波频率进行数据传输，阅读器有多个接收器，每个接收器都具有各自的工作频率，每个接收器只响应和自己相同频率的电子标签，通过这种方式将工作区域内的电子标签区别开来。
FDMA的缺点是阅读器的成本比较高，因为每个接收通路都必须有自己的单
独接收器供使用，电子标签的差异更为麻烦。
因此，这种防碰撞算法也应用在极少数的特殊场合上。
3.3.3时分多路法
时分多路法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。
时分多路首先在数字移动系统范围推广使用。
对射频识别系统来说，时分多路是防碰撞算法最大的一族。
这种方法又可分为标签控制法和阅读器控制法。
如图4所示。
图4时分碰撞算法分类
标签控制法的工作是非同步的，因为这里没有阅读器的数据传输控制，例如ALOHA法。
按照射频标签成功完成数据读取后是否通过阅读器发出的命令进入“静止”状态即不再发送自己的号和数据，标签控制法又可分为“开关断开法”和“非开关法”。
在阅读器控制法中，所有的射频标签同时由阅读器进行观察和控制。
通过一种规定的算法，在阅读器作用范围内，首先在选择的标签组中选中一个标签，然后完成阅读器和标签之间的通信如识别、读出和写入数据。
在同一时间只能建立一个通信关系，所以如果要选择另外一个标签，应该解除与原来标签的通信关系。
阅读器控制方法可以进一步划分为“轮询法”和“二进制搜索法”等。
轮询算法是系统最基本的防碰撞算法。
它需要有所有可能用到的射频标签的序列号清单。
所有的序列号被阅读器依次询问，直至某个有相同序列号的射频标签响应为止。
在只少数有标签的系统中，每个标签都有自己固定的序列号，阅读器根据序列号依次询问每个标签，处于射频区的标签接到属于自己的询问指令后响应阅读器。
轮询算法易于实现，但是缺点也很明显。
对于标签数目比较多的系统，运用这种算法会使防碰撞速度非常慢。
应用最广泛的是使用“二进制搜索法”，对这种方法来说，为了从一组标签中选择其中之一，阅读器发出一个请求命令，阅读器通过合适的信号编码，能够确定发生碰撞的准确比特位置，从而对电子标签返回的数据做出进一步的判断，发出另外的请求命令，以最终确定阅读器作用范围的所有标签。
二进制搜索算法是最常用的系统防碰撞算法，国际标准所用的防碰撞算法也是基于二进制搜索的思想。
二进制搜索算法非常灵活，不会发生防碰撞失败的情况。
对于N个标签冲突的情况，最多只需要N-1次防碰撞循环就能将适合的标签准确的识别出来。
这种算法的基本思想就是阅读器判断出标签序列号发送时产生的数据冲突位置，然后强制地命令那些在冲突位置发送信息为“1”的标签退出冲突。
当N-1一个标签退出冲突后信道就会被剩下的一个标签所完全占有并被阅读器识别出来。
3.3.4码分多路法
CDMA是数字技术的分支一扩频通信技术发展起来的一种崭新的无线通信技术。
CDMA技术的原理是基于扩频技术，而用户具有特征码，即包含扩频一与分码两个基本概念。
扩频是信息带宽的扩展，即把需要传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。
接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。
码分是实现用户信道和基站的标识问题。
可以用不同移相的伪随机系列来实现基站的码分选址，用一定的算法实现信道的选择，用周期足够长的PN序列实现用户的识别和多速率业务的识别。
缺点是频带利用率低、信道容量较小地址码选择较难接收时地址码捕获时间较长。
其通信频带及其技术复杂性等很难在RFID系统中推广应用。
4RFID中基于ALOHA的防碰撞算法的原理与分析
RFID系统可以分为无源和有源两种系统:
无源RFID系统的标签本身是无源设备，它的能量由阅读器以天线祸合的方式提供，通过RF终端内部的整流器吸收电流后获得，通常紧藕合和遥祸合系统都属于无源的。
而在有源RFID系统中，标签自带电源供给，电路的运算和处理能力也要比无源系统强一些，一般属于带微处理器的智能终端设备。
目前在射频识别系统中，大部分为无源RFID系统。
为了使阅读器能够顺利地完成在阅读器作用范围内的标签的识别、数据信息的读写操作，主要是采用时分多路法的原理，使每个标签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标签之间进行传输。
常见的算法主要有ALOHA算法和二进制搜索算法以及它们的改进算法等，下面对常见的TDMA阅读器控制基于ALOHA算法的防碰撞算法分别进行介绍，且比较其性能优劣。
4.1ALOHA算法的原理与分析
Aloha算法是一种随机接入算法，这种算法多采取“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器的工作区域就自动向阅读器发送其自身的ID。
Aloha算法模型如图5所示。
图5Aloha算法模型
这种方法仅用于只读电子标签中。
这类电子标签通常只有一些数据（序列号）传输给阅读器，并且是在一个周期循环中将这些数据发送给阅读器。
数据传输时间只是重复时间的一小部分，以致在各个传输之间产生相当长的间隔。
此外，各个电子标签之间的重复时间的差别是微不足道的。
所以存在一定的可能，即两个电子标签可以在不同的时间段上发送它们的数据，从而使数据包之间不互相碰撞。
平均交换的数据包量G可以用最简单的方法从一个数据包的传输持续时间τ计算出来：
式中:
n=1、2、3、…是系统中的电子标签的数量，rn=1、2、…是在观察时间T内由电子标签n发送的数据包的数量。
吞吐量S等于1，即在传输期间无错误地（无碰撞地）传输数据包，在所有其它情
况下等于0，这主要是因为或者电子标签没有发送，或者由于碰撞不能正确地读出传输的数据。
传输通路的（平均）吞吐量S可由交换的数据包量G得出，公式为：
假设无碰撞传输数据包的概率为q，可以从平均交换的数据包量G和吞吐量S计算出来：
从数据包量和平均交换的数据包量G的传输时间τ可以求出在观察时间T内的无错误传输的数据包的数量k的概率p（k），概率p（k）是使用平均值G/τ的Poisson分布：
纯Aloha算法存在的一个严重问题是数据帧的发送过程中碰撞发生的概率很大。
此外，RFID系统中标签不具有载波监听发现碰撞的能力，只能通过接收阅读器的命令来判断有无碰撞。
针对这些问题，提出了一些扩展的方法来改善算法在RFID系统中的可行性和有效性。
4.2SlottedAloha算法的原理与分析
使Aloha法得到比较小的吞吐量最佳的途径就是SlottedAloha法。
电子标签只在规定的同步时隙（Slot）内才传输数据包。
在这种情况下，对所有电子标签所的同步应由阅读器控制。
因此，这涉及到一种随机的、阅读器控制的TDMA防碰撞法。
基于SlottedAloha的典型应用就是ISO18000-6TypeA防碰撞协议。
假设有5个电子标签在同一时间里进入了阅读器的工作区域内（见图3.5）。
电子标签一接收到请求命令，就利用随机振荡器在三个时隙中任选一个使用，以便将它自己的序列号传输给阅读器。
本例中在时隙"1"和"2"中，电子标签之间发生了碰撞。
只有在时隙"3"中，电子标签5的序列号可以无错误地传输。
如果正确地读出了一个电子标签的序列号，则可以发送一条选择命令，选中这个被发现的电子标签，紧接着就可以在与其它电子标签没有碰撞的情况下读出或写入。
如果在第一次寻呼中没有发现序列号，那么应当单纯地循环发出请求命令。
图6SlottedAloha算法的识别过程
与简单的Aloha法相比，SlottedAloha可能出现的碰撞时间只有一半那么多。
假设数据包大小一样（因而传输时间τ相同），并且两个电子标签在时间间隔T≤2τ内要把数据包传输给阅读器，那么在使用简单的Aloha法时总会出现相互碰撞。
由于在使用SlottedAloha法时数据包的传送总是在同步的时隙内才开始，所以发生碰撞的时
间区间缩短到T=2τ因此，可以得出Frame-SlottedAloha法的吞吐率S为：
对SlottedAloha法来说，交换的数据包量在G=1时吞吐率S达到最大值为36.8%。
4.3DynamicSlottedAloha算法的原理与分析
时隙Aloha系统的吞吐率S在平均数据包交换量G大约为1时达到其最大值。
这意味着：
有许多电子标签处于阅读器的工作区域内，如同存在的时隙那样。
如果加上其它到达的电子标签，那么吞吐率很快接近于零。
在最坏的情况下，经过多次寻呼也可能没有发现序列号，因为没有一个电子标签能单独处于一个时隙之中而成功发送数据。
因此，需要准备足够的时隙。
但是这种做法降低了防碰撞算法的性能，因为所有时隙段的持续时间与可能存在的电子标签数有关，也许只有唯一的一个电子标签处于阅读器工作区域内。
弥补的方法是创建动态的时隙Aloha法。
这种方法占用可变数量的时隙。
一种可能性是：
用请求命令传送可供电子标签（瞬时的）使用的时隙数。
阅读器在等待状态中、在循环的时隙段内发送请求（REQUEST）命令，然后有l到2个时隙供可能存在的电子标签使用。
如果由于有较多的电子标签在两个时隙内发生了碰撞，那么就应该用下一个请求命令增加可供使用的时隙的数量（例如：
1，2，4，8……），直至能够发现一个唯一的电子标签为止。
另一种可能性是：
使用有很大数量的时隙（例如：
16，32，48……）。
为了提高性能，只要阅读器认出了一个序列号就立即发送一个中断命令，封锁接到中断命令后面的时隙中其他电子标签ID的传输。
5RFID中基于二进制防碰撞算法
5.1基本二进制搜索算法
二进制搜索（BinarySearch）算法是一种无记忆标签防碰撞算法。
阅读器每次发出一个带有寻呼信息，只有ID小于等于寻呼的UID（阅读器发出的寻呼序列号的值）的电子标签才对阅读器的寻呼做出响应。
电子标签除了记忆自己的ID信息之外，不用记忆任何信息。
对算法的可靠性起决定性作用的是处在阅读器工作区域内的所有电子标签需要准确同步，即它们准确地在同一时刻开始传输它们的ID号，这样就可以准确地按位判断出碰撞的发生。
BinarySearch算法是由在一个阅读器和多个电子标签之间规定的相互作用（命令和应答）顺序构成的，目的在于从较大的一组中选出任一个电子标签。
BinarySearch算法主要由多周期的寻呼和应答构成的。
在每一个周期，阅读器发出一个带有前缀信息的寻呼指令，电子标签将自己的ID与此寻呼的ID进行比较，如果相同或者小于则对此寻呼做出响应。
如果有一个以上的电子标签做出响应，阅读器知道有碰撞发生。
接着阅读器根据发生碰撞的最高比特位，将此位置"0"，该位以后的比特位都置"1"，产生新的寻呼UID，再进行寻呼，识别出一个电子标签后，阅读器从头开始发送REQUEST（1111……1111）指令，按照上述方式来识别其它的电子标签，直到工作区域内所有的电子标签都被识别出来。
每次的防碰撞循环都以阅读器发出请求命令开始，接着多个电子标签的同时响应造成了数据碰撞，阅读器检测出这个冲突位置X，并以防碰撞命令的方式逐步通知不符合要求的电子标签退出冲突。
当最后剩下的那个电子标签a在第一次防碰撞循环中被识别后，阅读器就获得了与它通讯的权利。
在这次通讯完成后，阅读器会发出命令要求电子标签a进入HALT状态（对阅读器发出的所有命令不响应）T秒，因而在接下来的防碰撞循环中只会有剩下的N-1个电子标签参与到冲突中去。
经过N-1次防碰撞循环，所有的电子标签将都可以被阅读器访问到。
这样，位于阅读器工作区域的电子标签根据序列号的不同依次阅读器进行数据交流，每个电子标签的操作都是在不同的防碰撞循环中完成的。
为了从较大的一组电子标签中发现一个单独的标签，需要重复操作。
其平均次数L取决于阅读器工作区域内的标签总数N，并且很容易求出：
L（N）=Integ（logN/log2）+1
下面来举例说明这个算法系统的实现情况，具体操作示意图如表3.1所示。
这里采用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工作区域有四个电子标签，它们的序列号分别为10110010、10100011、10110011、11100011。
表1二进制搜索算法实例
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）≤11111111B，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11111111B，所以此命令被阅读器工作区域内的所有标签响应。
A、B、C、D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。
可以确定，在接收序列的
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