射頻識別系統的防沖突算法改進(jìn)與實(shí)現
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：喻武龍，孟穎 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月23日
1 引言
射頻識別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式對目標加以識別并交換數據，主要應用于較短時(shí)間內在射頻區域中識別一個(gè)目標。當多個(gè)電子標簽同時(shí)到達射頻有效區域時(shí)，標簽會(huì )同時(shí)響應讀寫(xiě)器指令并發(fā)送信號，導致閱讀器不能正確接收數據，也不能正確識別標簽，發(fā)生沖突。需要一種可靠的防沖突(Anti-collision)算法，解決在識別多個(gè)電子標簽時(shí)出現的數據沖突而導致閱讀器無(wú)法正確識別標簽的問(wèn)題。
無(wú)源電子標簽數字集成電路結構框圖如圖1所示，主要由通信安全、信息安全、存儲以及控制等4個(gè)單元組成。其中防沖突模塊位于通信信息安全單元，用于解決多個(gè)標簽與閱讀器進(jìn)行數據交換所引起的數據沖突問(wèn)題。
2 ALOHA算法
ALOHA算法足一種簡(jiǎn)便的防沖突算法，如圖2所示。它既沒(méi)有檢測機制也沒(méi)有恢復機制，只是以一定概率確保電子標簽發(fā)出的信息準確地被閱讀器接收。ALOHA算法僅用于只讀閱讀器，標簽將數據(序列號)傳輸給閱讀器，并且在一個(gè)周期中將數據不斷發(fā)送給閱讀器，數據傳輸時(shí)間只是重復時(shí)間的一小部分，使得在傳輸中產(chǎn)生相當長(cháng)的間歇，因此，存在一定概率，使兩個(gè)應答器可以在不同的時(shí)隙傳輸其數據，從而避免沖突。
從圖2可以看到，閱讀器首先發(fā)送讀指令，處于射頻區域的多個(gè)標簽收到指令，立即在隨后多個(gè)時(shí)隙中隨機選擇一個(gè)將信息上傳給閱讀器，并且標簽在一個(gè)周期循環(huán)時(shí)隙內完成數據上傳。增加時(shí)隙數量可降低RF終端發(fā)生沖突的概率，但是信道大部分時(shí)間將處于空閑狀態(tài)，使得防沖突識別速度變慢。反之，減少時(shí)隙數量導致射頻終端沖突明顯增加。運用時(shí)隙算法的關(guān)鍵在于尋找一個(gè)有效的折衷方案，使得防沖突的可靠性和速度滿(mǎn)足要求。隨著(zhù)RFID系統復雜程度的加大，防沖突的可靠性顯著(zhù)降低，沖突不可避免，所以這種沒(méi)有檢測恢復機制的抗沖突算法僅適用于簡(jiǎn)單系統。
3 二進(jìn)制搜索防沖突算法
ALOHA算法由于效率低，實(shí)際RFID系統并未采用，而是采用更加高效的二進(jìn)制搜索算法。二進(jìn)制搜索算法靈活，不會(huì )發(fā)生防沖突失敗情況。對于N個(gè)應答器發(fā)生沖突的情況，最多只需要N-1次防沖突循環(huán)就能準確識別出適合的應答器。二進(jìn)制搜索算法的基本思想是閱讀器判斷出發(fā)送應答器的序列號產(chǎn)生數據沖突位置。然后強制命令在沖突位置發(fā)送信息為"0"或"1"的應答器退出沖突。當N-1個(gè)應答器退出沖突后信道則被剩下的一個(gè)應答器完全占有并由閱讀器識別出。
為了防止數據沖突的發(fā)生，首先確定發(fā)生沖突的數據比特位的具體位置。這里使用Manchester編碼如圖3所示。這種編碼通過(guò)電平的上升沿和下降沿表示高、低電平。上升沿為邏輯"1"，下降沿為邏輯"0"，不存在狀態(tài)不變的情況。因此數據傳輸過(guò)程中檢測到編碼狀態(tài)不跳變，則認為在數據傳輸過(guò)程中發(fā)生了沖突。兩個(gè)發(fā)生沖突的數據比特位必定有一個(gè)為邏輯"0"，另一個(gè)為邏輯"1"，這樣Manchester碼的上升沿和下降沿相互抵消，使接收器在持續時(shí)間內接收到狀態(tài)持續不變的副載波信號，即出現狀態(tài)不跳變，這在Manchester編碼中是不允許的，可以肯定該處出現了沖突。因此可以用這種方法按位跟蹤發(fā)生沖突的數據比特位的具體位置。
當應答器進(jìn)入射頻區域時(shí)，閱讀器開(kāi)始針對所有的應答器進(jìn)行檢測識別。其工作進(jìn)程主要有如下五個(gè)狀態(tài)：
POWER OFF(斷電)狀態(tài)：應答器尚未獲得能量(未進(jìn)入閱讀器工作區)，而處于斷電狀態(tài)，因此也不能發(fā)射副載波：
IDLE(空閑)狀態(tài)：應答器進(jìn)入閱讀器工作區，電磁場(chǎng)激活獲得能量，形成電壓，進(jìn)入空閑狀態(tài)，同時(shí)能對已調制的信號解調，并識別來(lái)自閱讀器的RE-QUEST命令和WAKE UP命令；
READY(就緒)狀態(tài)：當接收到一個(gè)有效的REQA或WAKE UP命令時(shí)，進(jìn)入就緒狀態(tài)，在該狀態(tài)采用防沖突方法，用UID(惟一標識符)從多張IC卡中選擇出一張應答器，此時(shí)該張應答器就進(jìn)入ACTIVE(激活)狀態(tài)；
ACTIVE(激活)狀態(tài)：在本狀態(tài)完成本次應用(一次交易)所要求的全部操作；
HALT(停止)狀態(tài)：閱讀器完成一次交易后，處于停止狀態(tài)。
應答器各狀態(tài)間的轉換圖如圖4所示。
4 改進(jìn)后的防沖突算法實(shí)現步驟
這里采用SEL+NVB方式傳輸。SEL為指令碼，其代碼為93；NVB的前半字節表示字節數，后半字節表示沖突的位置。
改進(jìn)后的算法具體實(shí)現步驟如下：
第1步：閱讀器分配SEL值，選定反沖突類(lèi)型和級聯(lián)級數；
第2步：閱讀器分配給NVB值'20'(定義了閱讀器將發(fā)出命令迫使場(chǎng)內所有應答器響應完整的序列號)；
第3步：閱讀器發(fā)出SEL和NVB命令；
第4步：場(chǎng)內所有應答器以完整序列號響應；
第5步：假定場(chǎng)內的應答器都有唯一的序列號，
則當多個(gè)應答器響應時(shí)，就會(huì )發(fā)生沖突。如果無(wú)沖突，第6步到第10步可以跳過(guò)。
第6步：閱讀器確認第一個(gè)沖突的位置X并記錄下來(lái)。
第7步：閱讀器分配N(xiāo)VB值，其中NVB前半字節為該命令的字節數，后半字節為沖突X的位置。
第8步：閱讀器發(fā)出SEL和NVB，要求應答器中第X位為'1'的作出響應。
第9步：只有該部分序列號中第X位為'1'的應答器才會(huì )發(fā)出它們序列號剩余的部分。
第10步：若有沖突發(fā)生，第6～9步重復執行。
第11步：若無(wú)沖突發(fā)生，閱讀器為NVB分配一個(gè)值'70'。
第12步：閱讀器發(fā)出SEL和NVB，要求應答器傳送完整的序列號。
第13步：應答器傳送完整的序列號、聞讀器收到后完成對該標簽的識別工作。
改進(jìn)后的防沖突算法流程圖如圖5所示。
5 改進(jìn)后防沖突算法的仿真與實(shí)現
改進(jìn)后主要實(shí)現Manchester碼和防沖突算法。Manchester碼是一種適合傳輸的基帶碼型，是實(shí)現防沖突檢測所采用的碼型。Manchester編碼可用兩個(gè)不同相位的二進(jìn)制碼代替一個(gè)二進(jìn)制碼。而防沖突算法則是采用編寫(xiě)程序進(jìn)行算法驗證。實(shí)驗證明，算法正確。
6 結束語(yǔ)
改進(jìn)后的二進(jìn)制防沖突算法能夠將射頻區域內的多個(gè)應答器準確地識別出來(lái)，并且使系統的傳輸數據量和傳輸時(shí)間大大減少，有效節省了傳輸信道，這是其他算法難以達到的。因此，改進(jìn)后的二進(jìn)制防沖突算法比其他算法更準確、更高效地解決射頻識別系統中的標簽應答數據沖突問(wèn)題。
