射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通常由讀寫(xiě)器,、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成[1],通過(guò)DSRC短程通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換,。RFID系統(tǒng)工作時(shí)，如果遇到兩個(gè)以上電子標(biāo)簽都在讀寫(xiě)器信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi),，則各個(gè)電子標(biāo)簽會(huì)同時(shí)對(duì)讀寫(xiě)器發(fā)出信號(hào),，從而造成各電子標(biāo)簽間數(shù)據(jù)的碰撞，使讀寫(xiě)器不能正常讀取各個(gè)電子標(biāo)簽內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù),，這就是RFID系統(tǒng)中的多路存取問(wèn)題,。因此只有解決好電子標(biāo)簽的碰撞問(wèn)題，才能使RFID系統(tǒng)正常工作,，而解決電子標(biāo)簽防碰撞問(wèn)題的關(guān)鍵是優(yōu)化的防碰撞算法,。

    現(xiàn)有的RFID防碰撞算法都是基于TDMA算法,可劃分為Aloha防碰撞算法和基于二進(jìn)制搜索BS（Binary search）算法兩大類[2-3]。Aloha是一種隨機(jī)接入算法,，這種算法多采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式,，即標(biāo)簽一旦進(jìn)入閱讀器的閱讀區(qū)域就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送其自身的ID,隨即標(biāo)簽和閱讀器間開(kāi)始通信。在標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中,，若有其他標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù),，將發(fā)生信號(hào)重疊從而導(dǎo)致完全沖突或部分沖突，閱讀器檢測(cè)接收到的信號(hào)來(lái)判斷有無(wú)沖突,。如果發(fā)生沖突,，閱讀器將發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新發(fā)起查詢,。該算法特點(diǎn)是：算法簡(jiǎn)單,、便于實(shí)現(xiàn)，適用于低成本RFID系統(tǒng),。但是由于該算法的時(shí)隙是隨機(jī)分配的,，當(dāng)大量標(biāo)簽并存時(shí),，幀沖突嚴(yán)重[4]。而基于BS算法是通過(guò)多次比較,，不斷篩選出不同的標(biāo)簽號(hào),，時(shí)分復(fù)用地進(jìn)行讀寫(xiě)器和射頻卡之間的信號(hào)交換，以一個(gè)獨(dú)特的序列號(hào)識(shí)別射頻卡為基礎(chǔ),。為了從一組射頻卡中選出其中的一個(gè),，讀寫(xiě)器需要發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求命令，有意識(shí)地將射頻卡序列號(hào)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)碰撞引導(dǎo)到讀寫(xiě)器上,，即讓讀寫(xiě)器來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞,。如發(fā)生碰撞，則縮小范圍進(jìn)行進(jìn)一步搜索,。這類算法雖然識(shí)別效率高,， 但是算法比較復(fù)雜， 識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)[5-6],。本文在二進(jìn)制防碰撞算法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的防碰撞算法,。
1 兩種典型的二進(jìn)制防碰撞算法的分析
1.1 二進(jìn)制搜索算法
    實(shí)現(xiàn)BS算法系統(tǒng)的必要前提是能夠辨認(rèn)出在讀寫(xiě)器中數(shù)據(jù)沖突位的準(zhǔn)確位置，因此必須選用合適的編碼,。曼徹斯特編碼能夠按位識(shí)別出碰撞位,，這樣可以根據(jù)碰撞的位置，按一定的規(guī)則重新搜索標(biāo)簽,。因此,，使用曼徹斯特編碼是實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索防碰撞算法的必要前提[7-8]。BS算法的工作流程如下：
    （1）電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用范圍時(shí),，讀寫(xiě)器發(fā)送命令REQUEST（≤11111111）,，所有滿足此條件的電子標(biāo)簽響應(yīng)此命令，并將自己的EPC號(hào)傳給讀寫(xiě)器,。
   （2）讀寫(xiě)器對(duì)比電子標(biāo)簽響應(yīng)的EPC碼相同位數(shù)上的數(shù),，根據(jù)Manchester編碼規(guī)則，若出現(xiàn)不一致現(xiàn)象,，即可判斷出該比特位有碰撞,。
   （3）當(dāng)確定有碰撞后，將此次發(fā)生碰撞的最高位置“0”,，最高碰撞位之前的比特位不變,，最高碰撞位后的所有比特位都置“1”，并產(chǎn)生新的請(qǐng)求命令REQUEST,，依次排除序列號(hào)大的標(biāo)簽,，直到讀寫(xiě)器對(duì)比電子標(biāo)簽響應(yīng)的序列號(hào)中相同位數(shù)上的數(shù)完全一致時(shí)，則說(shuō)明無(wú)碰撞。此時(shí),，使用選擇命令(SELECT)選出一個(gè)唯一的標(biāo)簽,。
    （4）選出唯一的標(biāo)簽后，使用READ-DATA命令完成讀寫(xiě)器與該電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換,。并使用選擇命令(UNSELECT)進(jìn)入“無(wú)聲”狀態(tài),，此時(shí)在讀寫(xiě)器范圍內(nèi)不再響應(yīng)(重新進(jìn)入讀寫(xiě)器范圍可再次響應(yīng))。為了重新激活電子標(biāo)簽,，必須進(jìn)行復(fù)位操作,。
    （5）重復(fù)前4個(gè)步驟，并選擇剩余的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)交換,。多次循環(huán)后即可完成所有電子標(biāo)簽的讀取。
1.2 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法(DBS)
    在BS搜索算法中,，從讀寫(xiě)器和單個(gè)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)流可以看出,，讀寫(xiě)器發(fā)出的請(qǐng)求命令中，最高碰撞位后的所有比特位都被置“1”,，對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別不能提供任何的信息,。而標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)中，最高碰撞位以前的比特位及最高碰撞位不包含給讀寫(xiě)器的補(bǔ)充信息,，因?yàn)檫@些位是已知且給定的,，屬于多余的重復(fù)信息?；诖巳藗兲岢隽?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法" title="動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法" target="_blank">動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法(DBS)[9],，當(dāng)讀寫(xiě)器檢測(cè)到碰撞后，下一次讀寫(xiě)器在請(qǐng)求命令中只發(fā)送搜索序列號(hào)中的最高位和最高碰撞位之間的部分作為搜索依據(jù),，然后中斷傳輸,，所有在與最高位和最高碰撞位之間的部分相同的電子標(biāo)簽響應(yīng)并送回它們序列號(hào)的剩余各位，即最高碰撞位之后的比特位作為應(yīng)答,。因此,，DBS算法避免了序列號(hào)中多余部分的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間明顯縮短,。DBS算法較BS算法在傳輸數(shù)據(jù)量和所需時(shí)間上可減少50%[10],。
2 改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法
2.1算法約定
    鑒于BS算法的缺點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法,，算法約定如下：
    （1）采用曼徹斯特編碼的電子標(biāo)簽序列號(hào)每個(gè)比特位上的取值不是“0”就是“1”,。因此，如果當(dāng)讀寫(xiě)器探測(cè)到僅有一位碰撞位時(shí),，讀寫(xiě)器不需要發(fā)送請(qǐng)求命令,可以直接識(shí)別出2個(gè)標(biāo)簽,。
     （2）讀寫(xiě)器如果檢測(cè)到有N個(gè)碰撞位，則說(shuō)明這N個(gè)碰撞位的比特位對(duì)讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)是未知的,而其他的比特位對(duì)讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)是已知的。因此讀寫(xiě)器只需要對(duì)未知的碰撞位處理,，而不需要傳輸那些已知的比特位,，從而減少傳輸時(shí)延。
    為了便于描述以及實(shí)現(xiàn)該算法,給出如下防碰撞命令：
     ①查詢命令request(DX,MX;DX1,MX1),。參數(shù)DX,、DX1分別為檢測(cè)到碰撞位的最高位和次高位，參數(shù)MX,、MX1為0,、1的二維排列組合，例如檢測(cè)到1?1?00?1,，那么讀寫(xiě)器發(fā)送request（D6,0;D4,0）符合條件的標(biāo)簽響應(yīng)并返回沖突位及相關(guān)信息,。
     ②退出選擇命令unselect。取消事先選中的電子標(biāo)簽,，使標(biāo)簽進(jìn)入“無(wú)聲”狀態(tài),。在這種狀態(tài)下標(biāo)簽完全是非激活的，對(duì)收到的request命令不做應(yīng)答,。為了重新激活標(biāo)簽,，必須暫時(shí)離開(kāi)讀寫(xiě)器的作用范圍，然后再次進(jìn)入該讀寫(xiě)器范圍,。
2.2 算法原理
　 下面以讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的8個(gè)編碼為8 bit的標(biāo)簽為例說(shuō)明該算法,，8個(gè)標(biāo)簽的編碼如下：tag1:01001000，tag2:01010100,，tag3：01011010,，tag4:01000000，tag5:01000010,，
tag6：01010000,，tag7:01001010，tag8:01011000,。
    （1）request≤11111111命令,，讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽應(yīng)答，讀寫(xiě)器譯碼的結(jié)果為010????0碰撞位為D4,D3,D2,D1,最高碰撞位為D4,，次高碰撞位為D3,，因此下次查詢命令為request（D4,0;D3,0）。
    （2）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4,0;D3,0）,標(biāo)簽通過(guò)比較各自的D4,、D3位,，與之相同的標(biāo)簽則發(fā)送自己的相關(guān)信息給讀寫(xiě)器。通過(guò)比較后標(biāo)簽4和標(biāo)簽5響應(yīng),，編碼后得到010000?0,，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞,，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽4和標(biāo)簽5。讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后,，執(zhí)行unselect命令,，使標(biāo)簽4和標(biāo)簽5處于“無(wú)聲”狀態(tài)。
    （3）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4,0;D3,1）,標(biāo)簽1和標(biāo)簽7響應(yīng),，編碼后得到010010?0,，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽1和標(biāo)簽7,。讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后,，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài),。
    （4）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4,1;D3,0）,標(biāo)簽2和標(biāo)簽6響應(yīng),，編碼后得到01010?00，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞,，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽2和標(biāo)簽6,。讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后，執(zhí)行unselect命令,，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài)。
    （5）讀寫(xiě)器發(fā)送查詢命令request（D4,1;D3,1）,標(biāo)簽3和標(biāo)簽8響應(yīng),，編碼后得到010110?0,，讀寫(xiě)器檢測(cè)到僅只有一位碰撞，可以直接識(shí)別出標(biāo)簽3和標(biāo)簽8,。讀寫(xiě)器正確識(shí)別它們之后,，執(zhí)行unselect命令，使標(biāo)簽1和標(biāo)簽7處于“無(wú)聲”狀態(tài),。至此,，讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都別正確識(shí)別完畢。算法流程如圖1所示,。
3 算法性能比較
    假設(shè)讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)有N個(gè)電子標(biāo)簽,，則BS算法完成所有標(biāo)簽識(shí)別的搜索命令次數(shù)S(N)為:
    
    系統(tǒng)的吞吐率η1為:
    

    對(duì)三種算法采用Matlab軟件進(jìn)行仿真， 其結(jié)果如圖2所示,。

    通過(guò)理論和仿真比較可見(jiàn),，采用改進(jìn)后的二進(jìn)制搜索算法較其他兩個(gè)算法有三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：其一減少了查詢標(biāo)簽次數(shù)，使計(jì)算時(shí)間減??；其二減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量，提高了標(biāo)簽的識(shí)別速率,；其三較大地提高了系統(tǒng)的吞吐率,。
    本文對(duì)BS算法及DBS算法過(guò)程進(jìn)行了分析,，找出了其中的不足之處，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法,，并通過(guò)Matlab仿真得到該算法的查詢次數(shù)和吞吐率方面的數(shù)據(jù),。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該改進(jìn)算法可以減少系統(tǒng)的查詢次數(shù),，提高系統(tǒng)的吞吐率,。從而驗(yàn)證了該改進(jìn)算法的優(yōu)越性。
參考文獻(xiàn)
[1] 李曉東．射頻識(shí)別技術(shù)中的隱私安全問(wèn)題及策略[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),，2005,，22(9)：137-140．
[2] FINKENZELLER K． RFID Handbook：Fundamentals and  applications in contactless smart cards and identification[M]．New York：John Wiley and Sons，2003．
[3] 廖傳書(shū),，付泰．射頻識(shí)別系統(tǒng)的防碰撞算法研究[J]．國(guó)外電子元器件,，2008，16(9)：6-8．
[4] LEE S R,，JOO S D,，LEE C W．An enhanced dynamic  framed slotted ALOHA algorithm for RFID tag identification[C]. The Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems，2005．
[5] 莫磊．RFID位屏蔽二進(jìn)制搜索防碰撞算法研究[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),，2010,，31(5)：458-462．
[6] TSAN P W．Enhanced binary search with cut through operation for anti-collision in RFID systems[J]．Communications Letter IEEE，2005,10(4):236-238．
[7] 余松森,，詹宜巨,彭衛(wèi)東,，等．基于返回式索引的二進(jìn)制樹(shù)形搜索反碰撞算法及其實(shí)現(xiàn)[J]． 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2004,40(16)：26-28．
[8] 姜麗芬，盧桂章,，辛運(yùn)帷,，等．射頻識(shí)別系統(tǒng)中防碰撞算法研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007,，43(5)：29-32．
[9] 王忠勇,，高向川．基于回溯的RFID防碰撞算法[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2009,，25(2)：187-188.
[10] FINKENZELLER K．射頻識(shí)別技術(shù)—無(wú)線電感應(yīng)的標(biāo)簽和非接觸式IC卡的原理與應(yīng)用[M]．陳大才,譯.北京：電子工業(yè)出版社,，2001．