讀寫(xiě)器的沖突是指由一個(gè)讀寫(xiě)器檢測(cè)到,，并且由另一個(gè)讀寫(xiě)器所引起的干擾,。它主要有三種表現(xiàn)形式,。

　　(1)讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之問(wèn)的干擾

　　當(dāng)一個(gè)讀寫(xiě)器發(fā)射較強(qiáng)的信號(hào)與一射頻標(biāo)簽反射回的微弱信號(hào)相干擾時(shí)，就引起了讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之間的干擾，其示意圖如圖1所示,。讀寫(xiě)器R1位于讀寫(xiě)器R2干擾區(qū),。從射頻標(biāo)簽Tl反射回的信號(hào)到達(dá)讀寫(xiě)器R1，很容易被讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號(hào)干擾,。這種干擾即使兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍沒(méi)有重疊也有可能產(chǎn)生,。

　　(2)多讀寫(xiě)器到標(biāo)簽問(wèn)的干擾

　　當(dāng)多個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)閱讀同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)引起了多讀寫(xiě)器到標(biāo)簽間的干擾，如圖2所示,，兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍重疊,。從讀寫(xiě)器Rl和R2發(fā)射的信號(hào)可能在射頻標(biāo)簽Tl處產(chǎn)生干擾。在這種情況下,，標(biāo)簽T1不能解密任何查詢信號(hào)并且讀寫(xiě)器R1和R2都不能閱讀T1,。因?yàn)樽x寫(xiě)器沖突，讀寫(xiě)器Rl能閱讀標(biāo)簽T2和T3,，但是不能閱讀標(biāo)簽Tl,，因此，讀寫(xiě)器R1指示兩個(gè)射頻標(biāo)簽存在而不是3個(gè),。

抗沖突問(wèn)題研究" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110315/21f47d75-2600-4dab-b35d-cce030727e52.jpg" style="width: 550px; height: 367px" />

　　(3)讀寫(xiě)器沖突使載波偵聽(tīng)無(wú)效

　　另外一種讀寫(xiě)器沖突的情況如圖3所示,。兩個(gè)讀寫(xiě)器閱讀范圍沒(méi)有重疊，但讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號(hào)與讀寫(xiě)器R1發(fā)射的信號(hào)在標(biāo)簽T處干擾,。這種情況同時(shí)發(fā)生在兩個(gè)讀寫(xiě)器不在相互偵聽(tīng)范圍內(nèi)時(shí),，使射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中載波偵聽(tīng)無(wú)效。

　　除了誤操作,，讀寫(xiě)器沖突同時(shí)使射頻識(shí)別系統(tǒng)總的閱讀速率減慢,，而且這些問(wèn)題在移動(dòng)或手持式讀寫(xiě)器中更加嚴(yán)重。因此,，減少讀寫(xiě)器沖突是必須的,。

2 相關(guān)工作和研究

　　2．1 讀寫(xiě)器沖突的主要特點(diǎn)

　　讀寫(xiě)器沖突主要有下列特點(diǎn)：

　　①隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題是讀寫(xiě)器沖突問(wèn)題的一個(gè)方面,。兩個(gè)讀寫(xiě)器不在相互偵聽(tīng)范圍內(nèi)而在標(biāo)簽處干擾時(shí),，使射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中正常的載波偵聽(tīng)無(wú)法工作。

　?、诋?dāng)多個(gè)讀寫(xiě)器詢問(wèn)／發(fā)射的信號(hào)在某射頻標(biāo)簽處沖突時(shí),，該點(diǎn)的信號(hào)會(huì)變得非常雜亂并且射頻標(biāo)簽不能再接收任何讀寫(xiě)器詢問(wèn)／發(fā)射的信號(hào)。

　?、鬯芯康纳漕l標(biāo)簽是被動(dòng)式標(biāo)簽,，因此標(biāo)簽本身既不能調(diào)整也不能主動(dòng)與讀寫(xiě)器通信以避免沖突。射頻標(biāo)簽是在被讀寫(xiě)器詢問(wèn)信號(hào)激活后才能通信,。

　　2．2 相關(guān)的多址機(jī)制

　　常用的多址機(jī)制不能直接應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中,，因?yàn)椋?/p>

　?、貴DMA。FDMA方式中,，讀寫(xiě)器使用不同的頻率和射頻標(biāo)簽通信,。由于射頻標(biāo)簽沒(méi)有頻率調(diào)諧電路，因此射頻標(biāo)簽不能選擇一個(gè)特定的讀寫(xiě)器與其通信,。如果射頻標(biāo)簽增設(shè)頻率調(diào)諧電路功能,，將大大增加射頻標(biāo)簽的成本，因此FDMA不適合應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中,。

　?、赥DMA。TDMA方式中,，讀寫(xiě)器被分配不同的時(shí)隙,，以避免讀寫(xiě)器同時(shí)詢問(wèn)／發(fā)送射頻信號(hào)。這類似于圖論中的圖形著色問(wèn)題,，是一個(gè)NP-hard問(wèn)題,。在移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有干擾的讀寫(xiě)器因?yàn)橐苿?dòng)靠近而出現(xiàn)干擾,，需要重新分配時(shí)隙,。動(dòng)態(tài)的分配時(shí)隙減小了RFID系統(tǒng)閱讀速率。

　?、跜SMA,。RFID網(wǎng)絡(luò)，像其他的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一樣,，存在隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,。讀寫(xiě)器不在互相偵聽(tīng)范圍內(nèi)在標(biāo)簽處發(fā)生干擾，因此僅僅依靠載波偵聽(tīng)無(wú)法避免RFID網(wǎng)絡(luò)中的沖突問(wèn)題,。

　?、蹸DMA。CDMA需要在射頻標(biāo)簽上增設(shè)額外的電路,，大大增加了標(biāo)簽的成本,，并且分配碼給所有網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽是一件非常復(fù)雜的工作。因此CDMA不是一種成本低且有效的方案,。

　　2．3 相關(guān)的抗沖突機(jī)制

　　常見(jiàn)的抗沖突協(xié)議,，如RTS-CTS，不能直接應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中,，因?yàn)椋?/p>

　　①傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)回發(fā)CTS信號(hào)給發(fā)送者,。然而在RFID系統(tǒng)中，如果讀寫(xiě)器廣播發(fā)送一RTS信號(hào)，所有在讀寫(xiě)器閱讀范圍內(nèi)的標(biāo)簽都得回發(fā)CTS信號(hào)給發(fā)送者讀寫(xiě)器,。這需要給這些CTS信號(hào)設(shè)計(jì)另外的抗沖突機(jī)制,，將使這種協(xié)議更加復(fù)雜。

　?、谟锌赡芤?yàn)闆_突,，一些標(biāo)簽(如T1)沒(méi)有接收到RTS信號(hào)而另外一些標(biāo)簽(如T2)接收到了RTS信號(hào)。在這種情況下,，從T2回發(fā)的CTS信號(hào)不能確定在讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)沒(méi)有沖突,。如何確定讀寫(xiě)器接收了在其閱讀范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽的CTS信號(hào)，對(duì)于讀寫(xiě)器是否存在沖突是非常重要的,。

　　2．4 相關(guān)的讀寫(xiě)器抗沖突方法

　　2.4.1 UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)

　　UHF第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是由EPCglobal制定的,。該標(biāo)準(zhǔn)把讀寫(xiě)器和射頻標(biāo)簽的信號(hào)傳輸分割開(kāi)，這樣沖突只能在標(biāo)簽與標(biāo)簽間或者讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器問(wèn)發(fā)生,。這種分割使讀寫(xiě)器和射頻標(biāo)簽信號(hào)在不同的頻道上傳輸,，解決了讀寫(xiě)器問(wèn)的干擾。然而,，標(biāo)簽沒(méi)有頻率選擇性,。因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)讀寫(xiě)器用不同的頻率同時(shí)與標(biāo)簽通信時(shí)，標(biāo)簽不能調(diào)諧到特定的頻率．所以會(huì)在標(biāo)簽處發(fā)生沖突,。因此該標(biāo)準(zhǔn)仍存在多讀寫(xiě)器到標(biāo)簽間的干擾,。

　　2.4.2 Colorwave算法

　　Colorwave算法是一種基于TDMA分布式算法。該算法規(guī)定每一個(gè)讀寫(xiě)器從0到maxColors中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙(顏色)傳輸數(shù)據(jù),。如果發(fā)生了沖突,，讀寫(xiě)器選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)，并且發(fā)送一個(gè)kick(較小的控制包)給它所有鄰近的讀寫(xiě)器,，告訴它們它選擇了一個(gè)新的時(shí)隙(顏色),。如果鄰近的讀寫(xiě)器有同樣的時(shí)隙(顏色)，它重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙(顏色)并發(fā)送一個(gè)kick,。這樣一直繼續(xù)下去,。這種轉(zhuǎn)換和駐留的動(dòng)作就被稱為kick。每一個(gè)讀寫(xiě)器跟蹤當(dāng)前的時(shí)隙是什么顏色,。

　　Colorwave算法要求在讀寫(xiě)器之間時(shí)間同步,，同時(shí)假定讀寫(xiě)器能夠檢測(cè)到RFID系統(tǒng)中的沖突。然而,，僅僅用一個(gè)讀寫(xiě)器檢測(cè)在標(biāo)簽處發(fā)生的沖突是不可行的,，除非標(biāo)簽也參加沖突檢測(cè)，并且讀寫(xiě)器移動(dòng)將會(huì)重新分配時(shí)隙,，重新分配的時(shí)隙傳播整個(gè)網(wǎng)絡(luò),，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)效,。

　　2.4.3 ETSl EN 208標(biāo)準(zhǔn)

　　ETSI EN 208是一個(gè)為RFID讀寫(xiě)器開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它基于CSMA協(xié)議的“先聽(tīng)再說(shuō)”,。讀寫(xiě)器首先在一特定的小時(shí)間段里偵聽(tīng)數(shù)據(jù)通道里任何正在進(jìn)行的通信,。如果在那段時(shí)間里，數(shù)據(jù)通道空閑,，它將閱讀標(biāo)簽,；如果通道忙，它隨機(jī)選擇一段退避時(shí)間,。然而,，正如前面所講，讀寫(xiě)器僅僅依靠載波偵聽(tīng)不能檢測(cè)到?jīng)_突,。

　　2.4.4 Q學(xué)習(xí)算法

　　Q學(xué)習(xí)算法提出了一種HiQ,、多層、在線的學(xué)習(xí)算法,。該算法通過(guò)學(xué)習(xí)讀寫(xiě)器的沖突模式和有效地分配頻率給讀寫(xiě)器,，動(dòng)態(tài)地解決RFID系統(tǒng)中讀寫(xiě)器的沖突問(wèn)題。Q學(xué)習(xí)算法多層結(jié)構(gòu)如圖4所示,。讀寫(xiě)器發(fā)送沖突消息給讀寫(xiě)器級(jí)服務(wù)器層(R-Server),。然后單個(gè)的R-server然后分配資源給它的讀寫(xiě)器，這樣的方式可使它們之間的相互通信不出現(xiàn)干擾,。R-Server通過(guò)Q學(xué)習(xí)服務(wù)器(Q-server)被分配到頻率和時(shí)隙,。根Q-server具有所有頻率和時(shí)隙資源的全部知識(shí)，并且能分配它們,。Qserver不像R-Server一樣,，沒(méi)有單個(gè)讀寫(xiě)器問(wèn)約束關(guān)系，這種關(guān)系通過(guò)該層下面的服務(wù)器之問(wèn)的相互作用來(lái)推斷,。

　　這種方法如果應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中,，將存在下面的問(wèn)題：

　　①協(xié)議保持多層結(jié)構(gòu)需要額外的管理開(kāi)銷,。

　?、趯?duì)于移動(dòng)的讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定的變化將會(huì)改變Q學(xué)習(xí)算法的多級(jí)結(jié)構(gòu),。這就需要重新分配時(shí)隙,，將花去更多的時(shí)間并使系統(tǒng)無(wú)效。

　?、跶學(xué)習(xí)假定讀寫(xiě)器的沖突檢測(cè)不在讀寫(xiě)器相互的偵聽(tīng)范圍內(nèi),。然而，并不是所有的沖突都能檢測(cè)到,，這將導(dǎo)致協(xié)議的不正確操作,。

　?、苁褂脮r(shí)隙需要所有的讀寫(xiě)器同步，這種同步將是整個(gè)系統(tǒng)的額外開(kāi)銷,。

　　綜上所述，這些讀寫(xiě)器抗沖突方法不適合具有移動(dòng)讀寫(xiě)器的RFID網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。因此,，必須尋求一種具有實(shí)際意義且有效的適合各種情況的RFID系統(tǒng)。

3 一種減少讀寫(xiě)器沖突的新算法

　　3．1 新算法的提出

　　在設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器抗沖突協(xié)議時(shí),，要考慮的一個(gè)重要因素就是射頻標(biāo)簽是被動(dòng)式的,，因此不能參與抗沖突；同時(shí)任何增加給標(biāo)簽的新功能都將增加標(biāo)簽的成本,。因此希望尋求一種標(biāo)簽不參與的抗沖突協(xié)議,。

　　RFTD網(wǎng)絡(luò)存在隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，如圖5所示,。R1和R2不在相互的偵聽(tīng)范圍內(nèi),，但是在T處從讀寫(xiě)器R2發(fā)射的信號(hào)與從讀寫(xiě)器R1發(fā)射的信號(hào)發(fā)生干擾。在這種情形下,，R1和R2間需要一個(gè)通知機(jī)制,。這樣，當(dāng)Rl和T正在通信,，R2被通知R1的通信,，因此R2可以延遲與射頻標(biāo)簽的通信。我們把這種通過(guò)廣播形式發(fā)送的消息稱為“信標(biāo)”,。當(dāng)一個(gè)讀寫(xiě)器正在與射頻標(biāo)簽通信時(shí),，它將周期性地在一個(gè)獨(dú)立的控制通道里發(fā)送信標(biāo)。

　　控制通道的通信范圍,，指任何兩個(gè)讀寫(xiě)器在相互的數(shù)據(jù)通道(該通道用來(lái)閱讀標(biāo)簽)干擾,，能夠在控制通道通信。圖5中盡管讀寫(xiě)器R1和R2相互在數(shù)據(jù)通道干擾,，但它們將在控制通道通信,。這是通過(guò)在控制通道比數(shù)據(jù)通道發(fā)射更高的功率達(dá)到的?？刂仆ǖ朗荝FID頻譜中除那些用作讀寫(xiě)器與標(biāo)簽間通信的頻譜外的子頻帶,。因此，在控制通道上的傳播不影響任何在數(shù)據(jù)通道上正在進(jìn)行的通信,。數(shù)據(jù)通道被用作讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的通信,，而控制通道被用作讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器之間的通信。假定讀寫(xiě)器能夠同時(shí)接收控制通道和數(shù)據(jù)通道上的信號(hào),。

　　3.2 新算法信標(biāo)的幀格式

　　新算法只為讀寫(xiě)器設(shè)計(jì),，因?yàn)樯漕l標(biāo)簽不參與抗沖突活動(dòng),。信標(biāo)的幀格式如下：

　　①幀類型,，指示該數(shù)據(jù)包是信標(biāo)數(shù)據(jù),。它可以分割成幀類型和序列號(hào)，序列號(hào)指明將被發(fā)送的信標(biāo)的數(shù)量,。

　?、谠吹刂罚òl(fā)射信標(biāo)的讀寫(xiě)器的地址,。在該結(jié)構(gòu)中信標(biāo)沒(méi)有目標(biāo)地址,，因?yàn)樾艠?biāo)是在控制通道廣播發(fā)送。

　?、跜RC檢驗(yàn),，用來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤和校正，是數(shù)據(jù)包循環(huán)冗余檢驗(yàn)部分,。

　　3．3 新算法的工作流程和步驟

　　圖6為該算法的工作流程圖,，主要包括下列步驟：

　　①讀寫(xiě)器在與射頻標(biāo)簽通信前,，必須在等待狀態(tài)至少等待tmin時(shí)長(zhǎng),。該時(shí)長(zhǎng)等于3倍的信標(biāo)間隔時(shí)間。時(shí)長(zhǎng)tmin類似于802．11算法DIFS時(shí)間,。在該狀態(tài),，讀寫(xiě)器每接收到一個(gè)信標(biāo)，它重新復(fù)位等待時(shí)長(zhǎng)為tmin,。

　?、谧x寫(xiě)器如果在時(shí)長(zhǎng)tmin消耗完了還沒(méi)有接收到任何信標(biāo)，讀寫(xiě)器推斷出在其附近沒(méi)有其他的讀寫(xiě)器在閱讀標(biāo)簽,。于是讀寫(xiě)器進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)階段,，并且從時(shí)間間隔[OACW]中選擇一隨機(jī)退避時(shí)間。如果它選擇i,，那么讀寫(xiě)器必須在競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)等待i個(gè)信標(biāo)時(shí)間間隔時(shí)間,。如果讀寫(xiě)器現(xiàn)在接收到一個(gè)信標(biāo)，它就丟失現(xiàn)在的周期,，在下一個(gè)周期等待,。例如在tmin時(shí)長(zhǎng)接收到了信標(biāo)，它將在下一個(gè)tmin時(shí)長(zhǎng)等待,。如果隨機(jī)退避時(shí)間結(jié)束,，讀寫(xiě)器還沒(méi)有接收到信標(biāo)，該讀寫(xiě)器就認(rèn)為沒(méi)有其他的讀寫(xiě)器和它競(jìng)爭(zhēng)，因此該讀寫(xiě)器就在控制通道上發(fā)送信標(biāo),，并且在數(shù)據(jù)通道上和標(biāo)簽通信,。該隨機(jī)退避時(shí)間幫助讀寫(xiě)器問(wèn)避免產(chǎn)生沖突。否則,，許多其他讀寫(xiě)器在等待時(shí)長(zhǎng)tmin后會(huì)同時(shí)發(fā)送信標(biāo),。隨機(jī)退避時(shí)間是多倍的信標(biāo)間隔長(zhǎng)，提高了競(jìng)爭(zhēng)的公平性,。

　?、郛?dāng)讀寫(xiě)器與標(biāo)簽通信時(shí)，讀寫(xiě)器在控制通道上每隔一信標(biāo)間隔時(shí)長(zhǎng)發(fā)送一個(gè)信標(biāo),。該信標(biāo)通知鄰近的讀寫(xiě)器，以便阻止它們與標(biāo)簽的通信,，這樣避免了沖突,。在與標(biāo)簽通信結(jié)束后，讀寫(xiě)器重新回位到等待狀態(tài),，繼續(xù)余下的周期,。

　　④每次讀寫(xiě)器發(fā)送一信標(biāo),，它首先檢測(cè)控制通道,。如果控制通道忙，就一直檢測(cè)下去,。一旦檢測(cè)到控制通道空閑,，讀寫(xiě)器就等待一隨機(jī)延遲并再一次檢測(cè)通道和發(fā)送信標(biāo)。該隨機(jī)延遲是多倍的信標(biāo)傳播延遲,，以避免沖突,。否則，許多讀寫(xiě)器在信道空閑時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)送信標(biāo),。算法中的競(jìng)爭(zhēng)延遲及發(fā)信標(biāo)前延遲與通常的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的退避相似,。一旦控制通道檢測(cè)到空閑競(jìng)爭(zhēng)延遲和發(fā)信標(biāo)前延遲，計(jì)數(shù)器減少,；當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送時(shí),，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)；當(dāng)控制通道檢測(cè)到空閑后,，計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù),。并且，如果讀寫(xiě)器在競(jìng)爭(zhēng)階段的退避期間接收到信標(biāo),，它就會(huì)存儲(chǔ)余下的退避計(jì)算時(shí)間等待下一次機(jī)會(huì),。例如，在tmin時(shí)間內(nèi)讀寫(xiě)器接收了信標(biāo),，當(dāng)讀寫(xiě)器重新進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)階段時(shí),，讀寫(xiě)器利用余下的退避時(shí)間,。這樣做的目的是提高讀寫(xiě)器間的公平。

4 結(jié)論

　　分布式讀寫(xiě)器抗沖突算法,，通過(guò)在控制通道上周期地發(fā)送信標(biāo)來(lái)達(dá)到抗沖突的目的,。與CSMA機(jī)制相比，它可以降低讀寫(xiě)器沖突1％～2％,，提高讀寫(xiě)器的閱讀速率高達(dá)98％,。它需要讀寫(xiě)器較少的花銷，完全不需要射頻標(biāo)簽參與抗沖突,。該算法同時(shí)還適合移動(dòng)或手持式閱讀器的射頻網(wǎng)絡(luò),，具有重大的實(shí)用價(jià)值。