1第10章 射频识别技术碰撞算法、标 准、安全、中间件及解决方案l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，在读头 的作用范围内，可能会有多个应答器同时存在对于射频识别系统中存在 的不同通信形式一般有三种l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应答器，阅读器发出的数据流同时被多个应答器接收这可以同数百个电子标签同 时接收一个发送信息类似，而信息是由一个阅读器发射的无线电广播工作2l第二种是在阅读器的作用范围有多个应答器同时传输数据给阅读器，这 种通信形式称为多路存取通信阅读器的多路存储5、RFID读写器防冲撞实理机理 35、RFID读写器防冲撞实理机理l第三种是多个阅读器同时给多个应答器发送数据现在射频 识别系统中这种情况很少遇到，我们常常遇到“多路存取”这种通信方式l每个通信通路有规定的通路容量这种通路容量是由这个通 信通路的最大数据率以及供给它使用的时间片确定的分配 给每个应答器的通路容量必须满足：当多个应答器同时把数 据传输给一个单独的阅读器时不能出现互相干扰（碰撞）4l无线电通信系统中多路存取方式一般具有以下几种形式：空分多路法（ SCDMA）、时分多路法（TDMA）、频分多路法（FDMA）和码分多路法（ CMDA）。
l1）空分多路法（SCDMA）l空分多路法是在分离的空间范围内进行多个目标识别的技术一种方式是将读头 和天线的作用距离按空间区域进行划分，把多个阅读器和天线放置在这个陈列中 这样，当标签进入不同的阅读器范围时，就可以在空间上将标签区别开来l另一种方式是在阅读器上利用一个相阵天线，并使天线的方向性图对准某个应 答器不同应答器可以根据其在阅读范围内的角度位置区别开来l该方法的缺点是复杂的天线系统和相当高的实施费用，因此采用这种技术的系统 一般在一些特殊应用场合，如这种方法在大型的马拉松活动中就获得了成功5、RFID读写器防冲撞实理机理55、RFID读写器防冲撞实理机理l2）频分多路法（FDMA）l而对于上行链路（从标签到读头），射频标签可以采用不同的、独立的 负载频率进行数据传输（如433~435kHz频率范围内的若干个频率）l该方法的一个缺点是阅读器的成本高，因为每个接收通路必须有自己 的独立的接收器，射频标签的差异更为麻烦因此，这种防碰撞方法 只限制在少数几个特殊的应用上l频分多路法是提供若干个不同载波频率的传输通路同时给通信用户使 用的技术一般情况下，这种射频识别系统采用的下行链路（从读头 到标签）的频率是固定的（如125kHz），用于能量供应和命令数据的传输。
65、RFID读写器防冲撞实理机理l3）时分多路法（TDMA）l时分多路法（TDMA）是把整个可供使用的通道容量按时间分配给多个用户的 技术TDMA首先在数字移动系统范围内推广使用对射频识别系统来说， TDMA构成了防碰撞算法的最大一族这种方法又可分为标签控制法和读头控制法，如下图所示l标签控制法的工作是非同步的，因为这里没有读头的数据传输控制，例如 ALOHA法按照应答器成功完成数据传输后是否将通过阅读器的信号断开， 又可区分为“开关断开“法和“非开关“法l在读头控制法中，所有的射频标签同时由读头进行观察和控制通过一种规定 的算法，在读头作用范围内，首先在选择的标签组中选中一个标签，然后完成 读头和标签之间的通讯（如识别、读出和写入数据）在同一时间只能建立一 个通讯关系，所以如果要选择另外一个标签，就应该解除与原来标签的通讯关 系读头控制法可以进一步划分为轮询法和二进制搜索法75、RFID读写器防冲撞实理机理l轮询法需要一个所有可能用到标签的序列号清单读头依次询问所有 的序列号，直到询问到某个有相同序列号的射频标签响应为止然而 ，这个过程依赖于标签的数量，只适用于作用区内仅有几个已知的射 频标签的场合。
l最灵活的和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，读头要发出一个请求命令读头通过 合适的信号编码，能够确定发生碰撞的准确的比特位置，从而对电子 标签返回的数据作出进一步判断，发出另外的请求命令，最终确定读 头作用范围内的所有标签l二进制搜索法的缺点就是标签的识别码的识别速率较低85、RFID读写器防冲撞实理机理l目前所有面向RFID系统应用的TDMA方式的防碰撞算法研究可以被归结为两大类：l一类是随机性或称概率性的防碰撞算法，这类算法大都基于ALOHA机制 ，例如，纯ALOHA，时隙ALOHA，帧时隙ALOHA，动态帧时隙 ALOHA算法等；l另一类是确定性的防碰撞算法，确定性算法是阅读器根据标签序列号的惟 一性选择标签进行通信，确定性的防碰撞算法都属于二进制搜索算法，最 简单的确定性算法是二进制树机制l现阶段，在高频频段，标签的防碰撞算法一般采用ALOHA相关协议使 用ALOHA协议的标签，通过选择经过一个随机时间向阅读器传送信息的方法，来避免冲突，绝大多数高频阅读器能同时扫描几十个电子标签l在超高频频段，现在的主要研究趋向是采用树分叉搜索算法来防冲突。
9l在RFID无源标签系统中，目前广泛使用的防冲突算法大都是TDMA（Time Division Multiple Ac—cess），主要分为2大类：基于Aloha的算法和基于树的算法 （1） ALOHA算法 l1）纯Aloha算法是一种随机接入方法，其基本思想是采取标签先发言的方式 ，当标签进入读写器的识别区域内就自动向读写器发送其自身的ID号，标签1标签2信道部分冲突完全冲突标签3l在标签发送数据的过程中,若有其他标签也在发送数据 ，那么发生信号重叠导致完 全冲突或部分冲突，l读写器检测接收到的信号有无冲突，一旦发生冲突，读写器就发送命令让标签 停止发送，随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突Aloha算法模型图如图所示10l纯Aloha算法虽然算法简单，易于实现，但是存在一个严重的问题就是读写器对同一个标签，如果连续多次发生冲突，这将导致读写器出 现错误判断认为这个标签不在自己的作用范围1） ALOHA算法l同时还存在另外一个问题其冲突概率很大，假设其数据帧为F，则冲突周 期为2F针对以上问题有人提出了多种方案来改善Aloha算法在RFID系统其可行性和识别率，l2） 时隙ALOHA算法 l在Aloha算法中，标签通过循环序列传输数据。
标签数据的传输时间仅仅为循环时间的一个小片段在第一次传输数据完成后，标签将等待一个相 对较长的时间后再次传输数据每个标签的等待时间很小 11（1） ALOHA算法l按照这种方式，所有的标签完成全部的数据传输给读写器后，重复的过程才会结 束分析Aloha算法的运行机制，不难发现当一个标签发送数据给读写器时，另外一个标签也开始发送数据给读写器，这时标签数据碰撞不可避免发生l鉴于以上缺点，研究人员提出“ 时隙Aloha算法” 在该算法中，标签仅能在时隙的开始传输数 据l用于传输数据的时隙数由读写器控制，只有当读写器分配所有的时隙后，标 签才能利用这些时隙传输数据因此与纯Aloha算法不同，时隙Aloha算法是 随机的询问驱动的TDMA防冲撞算法12（1） ALOHA算法l因为标签仅仅在确定的时隙中传输数据，所以该算法的冲撞发生的频率仅仅 是纯Aloha算法的一半而且系统的数据吞吐性能却增加一倍 l增加时隙数量可降低RF终端发生冲突的概率，但是信道大部分时间将处于空闲状态，使得防冲突识别速度变慢l反之，减少时隙数量导致射频终端冲突明显增加运用时隙算法的关键在于 寻找一个有效的折衷方案，使得防冲突的可靠性和速度满足要求。
l随着RFID系统复杂程度的加大，防冲突的可靠性显著降低，冲突不可避免， 所以这种没有检测恢复机制的抗冲突算法仅适用于简单系统 13（1） ALOHA算法l3） 帧时隙ALOHA算法的基本原理 l虽然时隙Aloha算法提高系统的吞吐量，但是当大量标签进入系统时，该算法的效率并不高，因此帧时隙算法被提出l帧时隙ALOHA（Framed slotted Aloha，FSA）算法是基于通信领 域的ALOHA协议提出的l在FSA中，“帧”（Frame）是由读写器定义的一段时间长度，其中包含若干时隙l标签在每个帧内随机选择一个时隙发送数据所有标签应答同步，即只能 在时隙（Slot）开始点向读写器发送信息，每个标签发送的时隙是随机选择的14（1） ALOHA算法l时隙可以分为三类：空闲时隙、应答时隙和碰撞时隙在空闲时隙中 没有识别任何标签，应答时隙中可以正确识别一个标签当一个时隙 中有多个标签同时发送应答时就会产生碰撞，形成碰撞时隙碰撞的 标签退出当前循环，等待参与新的帧循环 l通常，在帧时隙Aloha防冲撞算法中，当系统标签数量变得很大时，系统效 率就开始降低15（1） ALOHA算法l4） 动态帧时隙ALOHA算法 l在帧时隙Aloha算法中，所有的帧具有相同的长度，即每一帧中的时隙数是相同的且是固定的。
l由于读写器并不知道标签数量，当标签数量远大于帧时隙数时，一帧 中的所有时隙都会发生碰撞，读写器不能读取标签信息；l当标签数远小于一帧中时隙数时，识别过程中将有许多时隙被浪费掉l动态帧时隙算法通过根据识别标签的数量来改变帧长度来客服动态帧时 隙的不足 16l为了实现这个功能在通信上所采取的技术是（防冲撞）“防碰撞”同时读 取复数个标签是常被人们谈及的RFID比条形码远为优越的地方，但是如 果没有防碰撞 （防冲撞）的功能时，RFID系统只能读写一个标签l在这种情况下如果有两个以上的标签同时处于可读取的范围内就会导致 读取的错误l其次，我们来简单地说明防碰撞（防冲撞）功能的工作原理即使是具 有防碰撞（防冲撞）功能的RFID系统，实际上并非同时读取所有标签的内容l在同时查出有复数个标签存在的情况下，检索信号并防止冲突的功能开 始动作为了进行检索，首先要确定检索条件例如，13.56MHz频带 的RFID系统里应用的ALOHA方式的防碰撞功能的工作步骤如下 （1） ALOHA算法17l1）首先，阅读器指定电子标签内存的特定位数（1~4位左右）为次数批量l2）电子标签根据次数批量，将响应的时机离散化。
例如在两位数的次数批量 “00、01、10、11”时，读写器将以不同的时机对这四种可能性逐一进行响应l3）若在各个时机里同时响应的电子标签只有一个的场合下才能得到这个电子标签的正常数据信息读取之后阅读器对于这个电子标签发送在一定的时间 内不再响应的睡眠的指令（Sleep/Mute）使之在休眠，避免再次向应1） ALOHA算法18l4）若在各个时机内同时有几个电子标签响应，判别为“冲突”在这种情况 下，内存内的另外两位数所记录的次数批量，重复以上从2）开始的处理l5）所有的电子标签都完成响应之后，阅读器向他们发送唤醒的指令（ Wake Up），从而完成对所有电子标签的信息读取1） ALOHA算法19l在这种搭载有防碰撞（防冲撞）功能的RFID系统中，为了只读一个标签，几经调整次数批量反复读取进行检索所以，一次性读取具有一定数量的标 签的情况下，所有的标签都被读到为止其速度是不同的，一次性读取的标签 数目越多，完成读取所需时间要比单纯计算所需的时间越长l实现防止抗碰撞（防冲撞）的功能是RFID在物流领域中取代条形码所必不可少的条件例如，在超市中，商品是装在购物车里面进行计价的为了实 现这种计价方式，抗碰撞 （防冲撞）功能必须完备。
l具有抗碰撞（防冲撞）功能的RFID系统的价格比不具有这种功能的系统的 要昂贵当个人用户在制作RFID系统的时候，如果没有必要进行复数个ID同时认识时就没有必要选择抗碰撞机能的读写器l另一方面，在电子货币和个人认证方面利用RFID系统时，同时识别几个标签是发生差错的主要原因1） ALOHA算法20l（2） 二进制搜索防冲突算法 （2）二进制搜索算法lALOHA算法由于效率低。