0 引言

　　射頻識(shí)別 (Radio Frequency Identification, RFID)的主要思想是通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽( Tag)和閱讀器(Reader)組成。閱讀器負(fù)責(zé)發(fā)送廣播并接收標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息;標(biāo)簽收到廣播命令后將自身標(biāo)識(shí)信息發(fā)送給閱讀器。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中從閱讀器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸稱作下傳,從標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸稱作上傳。

　　隨著RFID的發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，當(dāng)閱讀器識(shí)別區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的標(biāo)簽在同一時(shí)刻向閱讀器發(fā)送標(biāo)識(shí)信息時(shí),將產(chǎn)生碰撞問題。解決碰撞問題的方法主要有空分多址(SDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、頻分多址(FDMA)四大類。而其中時(shí)分多址方法在RFID防碰撞問題上是普遍采用的，它在復(fù)雜度和成本等方面都比其它3種方法更具優(yōu)越性。目前存在的基于TDMA 的反碰撞算法主要有兩種: 二進(jìn)制搜索算法和ALOHA 算法。ALOHA 算法采用無規(guī)則的時(shí)分多址，或者叫隨機(jī)多址。ALOHA 算法操作簡便，成本低。但在應(yīng)用中隨著標(biāo)簽數(shù)量的擴(kuò)大，性能將會(huì)急劇惡化。二進(jìn)制搜索算法的電路實(shí)現(xiàn)要比ALOHA 算法復(fù)雜，但算法識(shí)別率較高。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索防碰撞算法以其簡明的思想、穩(wěn)定的系統(tǒng)性能和較少的系統(tǒng)資源需求在ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)中被推薦為抗碰撞算法。本文提出一種二叉樹形搜索防碰撞算法，在平均時(shí)延等性能上相比動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法有明顯改進(jìn),其分別通過識(shí)別每個(gè)標(biāo)簽所需傳輸?shù)钠骄忍財(cái)?shù)來反映。驗(yàn)結(jié)果可以證明該算法是一種有效的防碰撞算法。

　　1 二進(jìn)制搜索算法

　　1.1 二進(jìn)制搜索防碰撞算法

　　二進(jìn)制搜索算法由一個(gè)讀寫器和多個(gè)標(biāo)簽之間規(guī)定的一組命令和應(yīng)答規(guī)則構(gòu)成,目的在于從多卡中選出任一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。該算法關(guān)鍵在于選用適當(dāng)?shù)囊子谧R(shí)別的基帶編碼(如曼徹斯特碼(Mancherster)編碼)、利用標(biāo)簽卡序列號(hào)唯一的特性和設(shè)計(jì)一組有效的指令規(guī)則,高效、迅速地實(shí)現(xiàn)選卡。

　　在二進(jìn)制搜索算法的實(shí)現(xiàn)中,起決定作用的是讀寫器所使用的信號(hào)編碼必須能夠確定碰撞的準(zhǔn)確比特位置。曼徹斯特碼(Mancherster) 可在多卡同時(shí)響應(yīng)時(shí),譯出錯(cuò)誤碼字,可以按位識(shí)別出碰撞。這樣可以根據(jù)碰撞的位置,按一定法則重新搜索標(biāo)簽。

　　二進(jìn)制搜索法的實(shí)現(xiàn)需要每一個(gè)標(biāo)簽都擁有唯一的一個(gè)ID號(hào)，算法的工作流程是:

　　(1) 首先讀寫器發(fā)送一個(gè)與標(biāo)簽位數(shù)相同，數(shù)值全為1(即可能出現(xiàn)的最大碼)到標(biāo)簽，所有標(biāo)簽均發(fā)回它們的序列號(hào)。

　　(2) 對(duì)比標(biāo)簽返回的各序列號(hào)相同位置上的位值(0或者1)，如果某一位上同時(shí)出現(xiàn)0和1，則譯碼將出現(xiàn)無法判斷的位，即認(rèn)為該位是碰撞的。

　　(3) 確定有碰撞后,把有不一致位的數(shù)從最高位到次低位依次置0 再輸出序列號(hào),即依次排除序列號(hào)大的數(shù),至讀寫器對(duì)比標(biāo)簽響應(yīng)的序列號(hào)的相同位數(shù)上的數(shù)完全一致時(shí),說明無碰撞。這時(shí)就選出序列號(hào)最小的數(shù)。

　　(4) 選出序列號(hào)最小的數(shù)后,對(duì)該卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,然后使該卡進(jìn)入“無聲”狀態(tài),則在讀寫器范圍也不再響應(yīng)(移動(dòng)該范圍后移入可再次響應(yīng))。

　　(5) 重復(fù)步驟(1),選出不是無聲狀態(tài)的標(biāo)簽中序列號(hào)最小的標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　(6) 多次循環(huán)后可完成所有標(biāo)簽的讀取。

　　1.2 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法

　　考慮到RFID標(biāo)簽中的序列號(hào)長度標(biāo)簽的序列號(hào)可能很長，如EPC 編碼的3 個(gè)版本中的編碼長度分別為64 位、96 位和256位，而UID(Ubiquitous Identifications) 編碼長度128 位，隨著今后的發(fā)展可能需要擴(kuò)展到更長的長度。如此看來，若每次讀寫器發(fā)送的命令請(qǐng)求和標(biāo)簽的回復(fù)均以全部序列號(hào)進(jìn)行，會(huì)造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量太大，降低了防碰撞算法的效率。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法提出的主要思想在于減少在識(shí)別過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，其每一次讀寫器發(fā)送和標(biāo)簽回復(fù)總共發(fā)送的位數(shù)是ID的總長度。這在一次收發(fā)中使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相比基本二進(jìn)制搜索算法減少了50%。

　　下面介紹動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法及其工作過程。設(shè)有M個(gè)標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽中ID碼的長度為N。

　　(1) 首先讀寫器發(fā)送一個(gè)完整的N位ID碼 ,每個(gè)位上的碼全為1,讓所有標(biāo)簽都發(fā)回響應(yīng)。

　　(2) 讀寫器判斷所有返回的標(biāo)簽序列號(hào)，并把最高的碰撞位X找出并置0。然后傳輸N～X位的數(shù)據(jù)后即中斷傳輸。標(biāo)簽接到這段數(shù)據(jù)與自己的標(biāo)簽從高到低比較,若相同則回傳該標(biāo)簽ID的X-1～0，可看出一次收發(fā)以最高碰撞位為界，傳輸數(shù)據(jù)量減少一半。

　　(3) 讀寫器檢測(cè)返回的序列號(hào)，若無碰撞則直接跳入步驟(4);若仍有碰撞，檢測(cè)出最高碰撞位X\-1并置其為0，把上次發(fā)送的N～X位前綴加上這一次的N\-1～X\-1位數(shù)據(jù)發(fā)送后中斷傳輸。標(biāo)簽把收到的碼與其自身的N～X\-1位比較，若相同則返回其X\-1～0位，不同則不響應(yīng)。重復(fù)步驟(3)。

　　(4) 若無沖突位則可以通過發(fā)送READ-DATA命令讀取數(shù)據(jù)，并把該標(biāo)簽置“無聲”狀態(tài)，以后不再響應(yīng)。

　　(5) 重復(fù)步驟(1),直到所有標(biāo)簽識(shí)別出來。

　　1.3 標(biāo)簽預(yù)處理算法

　　在RFID系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽的ID號(hào)中的碰撞位是不一定緊鄰的，也就是說在兩個(gè)相鄰的碰撞位中，很可能存在著若干位不沖突的位值。顯然這些位在防碰撞算法中是無關(guān)緊要的，所以如果在開始防碰撞算法前把所有標(biāo)簽中不沖突的位排除出去，之后不再傳輸這些位置上的數(shù)值，對(duì)ID號(hào)進(jìn)行了壓縮，這將減少防碰撞算法所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高防碰撞算法的效率。

　　標(biāo)簽預(yù)處理算法的過程如下：

　　(1) 讀寫器發(fā)送查詢信號(hào)

　　(2) 所有標(biāo)簽均發(fā)回它們的完整ID號(hào)。

　　(3) 讀寫器檢測(cè)這些ID號(hào)中的碰撞位，產(chǎn)生一個(gè)與ID號(hào)同等長度的序列記錄碰撞的位置，0代表該位無沖突，1則代表該位有沖突。

　　(4) 讀寫器發(fā)送產(chǎn)生的沖突位置序列到標(biāo)簽， 標(biāo)簽中的存儲(chǔ)器記錄沖突的位置，之后標(biāo)簽的ID被壓縮，只有沖突的位被保留在ID中。

　　2 二叉樹形搜索防碰撞算法

　　在動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索防碰撞算法中，每一次讀寫器與標(biāo)簽之間的通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以一個(gè)碰撞位為界，讀寫器發(fā)送ID的前綴部分，標(biāo)簽發(fā)送ID的后續(xù)部分。由于標(biāo)簽ID一般比較長，希望能更進(jìn)一步減少在標(biāo)簽識(shí)別過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。本文提出一種二叉樹形搜索防碰撞算法，因其搜索路徑類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中二叉樹而命此名。其最大的特點(diǎn)是每次讀寫器與標(biāo)簽的通信，兩者均只需發(fā)送一比特有效數(shù)據(jù)。這極大程度的減少了平均最小時(shí)延和平均功率消耗，大大提高了防碰撞算法的識(shí)別效率。下面詳細(xì)介紹該算法。

　　2.1 算法約定

　　(1) 每個(gè)標(biāo)簽中的ID都是唯一的。

　　(2) 每個(gè)標(biāo)簽中包含一個(gè)位置計(jì)數(shù)器P(用于記錄當(dāng)前響應(yīng)讀寫器的是哪一位)。

　　(3) 每個(gè)標(biāo)簽中包含一個(gè)睡眠程度計(jì)數(shù)器S(用于記錄該標(biāo)簽的睡眠程度)。

　　(4) 每個(gè)標(biāo)簽中包含一個(gè)已讀標(biāo)志位R(用于記錄標(biāo)簽是否已經(jīng)被讀)。

　　2.2 指令規(guī)則

　　(1) REQ_0 ：0請(qǐng)求，該命令無參數(shù)，標(biāo)簽接收該命令后先檢查S，若S>0則S加1，P不變;若S=0則檢測(cè)ID(P)(ID中第P位數(shù)值)，若ID(P)=1則把S加1;若為ID(P)=0則把該標(biāo)簽的P增加1且發(fā)回P增加后所指的那位數(shù)值到讀寫器，特殊的是當(dāng)P增加后已經(jīng)指向ID的最后一位，則發(fā)回P所指的最后位再加上一位1表示P已經(jīng)指在最后位。

　　(2) REQ_LONG：長請(qǐng)求，該命令無參數(shù)，設(shè)標(biāo)簽總長度為N，標(biāo)簽收到命令后發(fā)回其ID的P～N位。

　　(3) READ_X:讀數(shù)據(jù)，帶一位參數(shù)，X為參數(shù)(0或1)。標(biāo)簽收到命令將第P位與X比較，相等則將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器，并把標(biāo)簽中的R置1,表示該標(biāo)簽已被讀取,之后不再響應(yīng)任何命令;不相等則不做反應(yīng)。

　　(4) REQ_1 ：1請(qǐng)求，該命令無參數(shù)，所有R=0、S>0的標(biāo)簽收到命令都把S減1。如果R=0、S=0，則該標(biāo)簽的P增加1且發(fā)回位置P+1上的那位數(shù)值到讀寫器。特殊的是當(dāng)標(biāo)簽是發(fā)送最后一位時(shí)，再加上一位1表示P已經(jīng)指在最后位。

　　(5) CHG_POS：更改位置，該命令帶一個(gè)位數(shù)為|log2 N|+1(表示不小于log2 N的最小整數(shù)，N為標(biāo)簽ID長度)的二進(jìn)制數(shù)P'，表示響應(yīng)的標(biāo)簽中P需要增加的數(shù)值。響應(yīng)命令的標(biāo)簽把P改為P+P'-1 ，發(fā)回此時(shí)的第P位的值，特殊的是如果此時(shí)P為最后位，則發(fā)回最后位上的值再加上一位1表示已是最后。

　　2.3 算法流程說明

　　算法的流程圖如圖2所示。結(jié)合流程圖對(duì)算法的流程說明如下：

　　首先，只有R=0的標(biāo)簽才對(duì)上述指令規(guī)則中的命令響應(yīng);其中只有S=0且R=0的標(biāo)簽才對(duì)REQ_LONG、READ_X、CHG_POS命令響應(yīng)。識(shí)別過程開始前先進(jìn)行初始化，使所有標(biāo)簽中的S=0,R=0,P=1。表示均處于非睡眠未讀狀態(tài)，且當(dāng)前P指向ID中的第1位。

　　其次，對(duì)流程圖中5個(gè)分支判斷過程說明如下：

　　(1) 是否有停止位? 該判斷分支的輸入是標(biāo)簽發(fā)送給讀寫器的回復(fù)，如果有停止位，說明發(fā)回信息的標(biāo)簽中P已經(jīng)指向最后一位;沒有停止位則說明發(fā)回信息的標(biāo)簽中的P還沒有指向最后位。

　　(2) 是否碰撞?該判斷分支的輸入是判斷(1)的N分支，也就是無停止位的情況。此時(shí)僅判斷收到的這位數(shù)值信息是否有碰撞發(fā)生，如果有碰撞則使用REQ_0命令繼續(xù)分離碰撞的標(biāo)簽;如果無碰撞，說明發(fā)回信息的標(biāo)簽中P所指的數(shù)值是相同的，但不能斷定P以后的位置上的數(shù)值不發(fā)生碰撞，所以使用REQ_LONG命令來使標(biāo)簽發(fā)回ID的P~N位，用于獲取P以后的最近碰撞位。

　　(3) 是否碰撞?REQ_LONG命令后，響應(yīng)命令的標(biāo)簽發(fā)回ID的P~N位。如果無碰撞出現(xiàn)，根據(jù)ID的唯一性，可以斷定此時(shí)僅一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)，接下來便可使用READ_X命令讀取數(shù)據(jù)，參數(shù)X顯然就是發(fā)回的信息中的首位數(shù)值信息;如果有碰撞出現(xiàn)，則計(jì)算到最早出現(xiàn)的碰撞位，使用CHG_POS命令把這些標(biāo)簽中的P增加到最早出現(xiàn)碰撞的位置，標(biāo)簽發(fā)回新的P所指的位置上的數(shù)值信息，并根據(jù)P是否指向最后位來決定是否加停止位。

　　(4) 是否碰撞?該判斷分支的輸入是判斷(1)的Y分支，也就是確定標(biāo)簽的回復(fù)中包含停止位的情況。此時(shí)對(duì)數(shù)值位檢測(cè)碰撞發(fā)生情況：如果有碰撞，可以確定此時(shí)發(fā)回信息的標(biāo)簽只有兩個(gè)，且它們的ID的最后一位不同，即可連續(xù)使用READ_0、READ_1讀取這兩個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù);如果無碰撞，則可斷定只有一個(gè)標(biāo)簽發(fā)回信息，直接使用READ_X命令讀取該標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，參數(shù)X顯然是兩位回復(fù)信息中的第一位(數(shù)值位)。

　　(5) 有回復(fù)?該判斷分支在REQ_1命令之后，該命令會(huì)喚醒睡眠程度S=1的標(biāo)簽，并使這些被喚醒的標(biāo)簽發(fā)回P+1所指位置上的數(shù)值信息，轉(zhuǎn)到判斷分支(1)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分離識(shí)別。如果在命令REQ_1后沒有任何回復(fù)，則識(shí)別過程結(jié)束。

　　算法流程如圖2所示。

　　 2.4 算法舉例

　　假設(shè)有4個(gè)標(biāo)簽，分別是：Tag1：011000；Tag2：110011；Tag3：001011；Tag4：11001；

　　所有標(biāo)簽在剛進(jìn)入讀寫器射頻覆蓋范圍時(shí)都進(jìn)行初始化，所有的S=0，P=1，R=0,。識(shí)別過程如表1所示。

　　3 算法性能分析與比較

　　本文提出的算法，其最大特點(diǎn)在于，相比二進(jìn)制動(dòng)態(tài)搜索算法而言，極大程度上減少了每次讀寫器與標(biāo)簽的通信過程中所需的數(shù)據(jù)量，讀寫器所發(fā)送的命令基本上已經(jīng)無需攜帶額外的參數(shù)，標(biāo)簽的回復(fù)信息一般縮短到只需1~2位數(shù)值信息，有一種例外的情況是當(dāng)標(biāo)簽在收到REQ_LONG命令后會(huì)回復(fù)標(biāo)簽中P～N位置的一串碼。但不難看出，出現(xiàn)這種命令的機(jī)率會(huì)隨著標(biāo)簽數(shù)目的增加而減少。因?yàn)闃?biāo)簽數(shù)越多，在REQ_LONG命令之前收到的返回碼發(fā)生沖突的可能性越大，由流程圖可看出識(shí)別過程轉(zhuǎn)向下一個(gè)REQ_0的機(jī)率也就越大，這就降低了出現(xiàn)REQ_LONG命令的出現(xiàn)概率。也就是說，改進(jìn)算法在識(shí)別過程中的所需收發(fā)的平均比特?cái)?shù)對(duì)于標(biāo)簽總數(shù)N的增大是收斂的。所以該算法在標(biāo)簽識(shí)別的平均最小時(shí)延方面得到了很大的改進(jìn)。

　　為了更清晰的反映本文提出的算法在RFID的平均最小時(shí)延方面的高效性，對(duì)標(biāo)簽識(shí)別過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，并與ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)中推薦的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索防碰撞算法在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行結(jié)果比較。

　　EPC編碼的3個(gè)版本中的編碼長度分別為64 位、96 位和256位，在下述實(shí)驗(yàn)中編碼長度采用96位，讀寫器的命令長度根據(jù)ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)采用9比特。

　　其編碼格式為：

　　由于標(biāo)簽識(shí)別中的平均最小時(shí)延是通過識(shí)別每個(gè)標(biāo)簽所需的平均比特?cái)?shù)來反映，實(shí)驗(yàn)中定義一個(gè)稱為平均比特?cái)?shù)(AverageBit)的比較量，來衡量算法的性能。

　　平均比特?cái)?shù)(AverageBit)=

　　如果讀寫器命令帶參數(shù)的把附加參數(shù)長度加在命令長度上。

　　考慮到標(biāo)簽識(shí)別應(yīng)用中可能出現(xiàn)一批相同種類的商品，也可能出現(xiàn)不同種類的商品。這些不同情況下標(biāo)簽中隨機(jī)位數(shù)是不同的。使用均勻分布隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)位數(shù)為36、60、88的3種情況，分別進(jìn)行仿真。

　　前面提及的標(biāo)簽預(yù)處理算法對(duì)本文提出的二叉樹形搜索防碰撞算法也是有效的，因?yàn)楦念A(yù)處理可以使得標(biāo)簽在識(shí)別過程中跳過那些數(shù)值相同的位數(shù)，相當(dāng)于使標(biāo)簽ID的有效長度縮短，沖突位更加緊湊，這大大減少了二叉樹形搜索算法中出現(xiàn)REQ_LONG命令的次數(shù)，會(huì)使得平均比特?cái)?shù)更少，使算法性能提高。實(shí)驗(yàn)中也增加了與預(yù)處理后的二叉樹形搜索算法的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、4、5所示。

　　由圖示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：

　　(1) 二叉樹形搜索防碰撞算法是收斂的，算法性能曲線隨著標(biāo)簽總數(shù)的增加最終趨于平緩。標(biāo)簽總數(shù)足夠大時(shí)，識(shí)別標(biāo)簽的平均比特?cái)?shù)趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，這個(gè)值隨著標(biāo)簽ID中隨機(jī)位數(shù)的減少有變小的趨勢(shì)，原因在于對(duì)于相同的標(biāo)簽總數(shù)，隨機(jī)位數(shù)越少則會(huì)使標(biāo)簽ID的沖突位更加緊湊，可以更大的體現(xiàn)出二叉樹形搜索算法的有效性能。

　　(2) 二叉樹形搜索防碰撞算法的性能相比動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索防碰撞算法有了很大的改進(jìn)，在標(biāo)簽總數(shù)N大于10時(shí)可以很明顯看出兩算法的性能差距。由于二叉樹形搜索算法中一次收發(fā)中所需傳送的比特?cái)?shù)相比動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法急驟減少，從而使二叉樹形搜索算法識(shí)別過程的平均比特?cái)?shù)大大減少，算法性能提高。

　　(3) 標(biāo)簽預(yù)處理算法對(duì)于二叉樹形搜索算法是有效的。它能在真正開始標(biāo)簽識(shí)別過程前去除ID中不沖突的位置，這會(huì)使沖突的位置緊湊，有利于二叉樹形搜索算法中少出現(xiàn)REQ_LONG問答，更好地發(fā)揮算法優(yōu)勢(shì)。由以上各圖可看出使用預(yù)處理的二叉樹形搜索算法平均比特?cái)?shù)有了更進(jìn)一步的減少，表現(xiàn)出更佳的性能。

　　4 結(jié)束語

　　本文的二叉樹形搜索防碰撞算法相比ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)中的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法大大減少了識(shí)別每個(gè)標(biāo)簽的平均比特?cái)?shù)，也即是在最小時(shí)延和平均功耗方面比標(biāo)準(zhǔn)算法有了明顯的改進(jìn)。尤其是在結(jié)合標(biāo)簽預(yù)處理算法后，該算法的性能更得到了進(jìn)一步的提高。標(biāo)簽ID沖突位的分布對(duì)該算法性能有著一定的影響，沖突位分布越緊湊，算法在識(shí)別過程中的平均比特?cái)?shù)越少，性能越好。該算法采用二叉樹型的搜索路徑對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行快速識(shí)別，把平均每次標(biāo)簽與讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸所需比特?cái)?shù)降低到了最少，且不隨標(biāo)簽ID的長度變化而影響。因此，該算法對(duì)于RFID防碰撞技術(shù)有著極其重要的意義。

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