無線射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是刺用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性,，實現(xiàn)對特定物體的自動識別。RFID技術(shù)可以追溯至第二次世界大戰(zhàn)期間,。后來發(fā)展應(yīng)用到鐵路,、軍隊的貨物跟蹤甚至寵物識別上。在過去的半個多世紀里,，RFID的發(fā)展經(jīng)歷了從技術(shù)探索,、試驗研究、商業(yè)應(yīng)用和標準化建立等幾個重要階段,。從現(xiàn)有發(fā)展趨勢看,，RHD將構(gòu)建虛擬世界與物理世界的橋梁?？梢灶A(yù)見在不久的將來,，RFID技術(shù)不僅會在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID技術(shù)還將會與普適計算技術(shù)相融合,，對人類社會產(chǎn)生深遠影響,。
RFID系統(tǒng)一般由電子標簽和讀寫器兩個部分組成，讀寫器具有同時讀取多個電子標簽的功能,。在多標簽對一個讀寫器的RFID系統(tǒng)中,，標簽經(jīng)常會同時向讀寫器傳輸數(shù)據(jù)，這就要求RFID系統(tǒng)建立一種仲裁機制來避免數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞,?？紤]到電子標簽本身尺寸、能耗的限制,，防碰撞機制在保障功能的同時還要求盡量簡單易行,，這正是RFID系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)之一。
算法A基于隨機避讓,、沖突檢測的原理,，使用1個8位寄存器和1個8位隨機數(shù)產(chǎn)生器，最大可以仲裁標簽的數(shù)量只有256個,。算法B基于二進制數(shù)的原理,，使用1個8位寄存器和1個l位隨機數(shù)產(chǎn)生器,，理論上最大可以實現(xiàn)2256個標簽的仲裁。文獻提出了對該算法的一個實現(xiàn)方案,，文獻對該算法做了很大改進,。算法C類似于算法A，使用1個16位寄存器和16個l位隨機數(shù)產(chǎn)生器,，最大可以仲裁標簽的數(shù)量是65536個,。本文中，作者提出一種分群避讓,、群內(nèi)沖突檢測的算法和其改進算法,，僅需要1個8位寄存器和1個1位隨機數(shù)產(chǎn)生器就可以實現(xiàn)最大1048 576個標簽的仲裁.而且碰撞次數(shù)相對干算法B要大大減少。
1 仲裁機制描述
本方法的核心思想是：首先把電子標簽隨機分群,，并將群隨機排序以實現(xiàn)群問的隨機避讓,，然后在群內(nèi)進行沖突檢測和標簽的仲裁。實現(xiàn)時標簽僅需一個寄存器：利用其高位存儲群號,，低位存儲沖突檢測時退避的步數(shù),，實現(xiàn)極為簡單。下面以8位寄存器為例具體說明本算法的仲裁機制,。
當讀寫器初始化標簽時,，所有標簽在0~15之間任選一個整數(shù)存人寄存器高4位(相當于隨機選擇一個群)并把寄存器低4位設(shè)為全O，同時產(chǎn)生一個O或l的隨機數(shù)加到寄存器中,。如果此時寄存器中的8比特數(shù)為全0則圓傳該標簽的ID(ID是指電子標簽的惟一標識,，在不同的編碼系統(tǒng)中有不同的含義)。如果多個標簽同時回傳數(shù)據(jù),，則沖突發(fā)生,。發(fā)生沖突后，其他寄存器高4位為O的標簽寄存器中的數(shù)加l,，而寄存器中的8比特數(shù)為全0的標簽則再產(chǎn)生一個0或1的隨機數(shù)加到寄存器中,。如果寄存器作加法后仍為全零。則繼續(xù)回傳該標簽的ID;如果回傳時不發(fā)生碰撞,，則其他寄存器高4位為O的標簽僅把寄存器低4位減1后重復(fù)前面的回傳操作,。當寄存器高4位全為0的標簽全部回傳完ID，則所有其他標簽把寄存器高4位減1后重復(fù)前面的操作,。
此外依本算法.由于所有標簽隨機選擇群，有可能會出現(xiàn)某個群中的標簽數(shù)目過大,，使該群中的標簽在仲裁過程中始終發(fā)生碰撞,，標簽寄存器始終加1，導(dǎo)致寄存器低4位向高4位進位,。進位意味著所有進位的標簽的寄存器低4位清零而高4位加1,，這使得這些標簽不再屬于原有的群而歸人到下一個群中,，從而優(yōu)化了因隨機選擇而產(chǎn)生的分布不均勻的群標簽數(shù)。
本算法中,，標簽最大退讓步數(shù)為24=16步,，因此每個群最大能仲裁的標簽數(shù)目為216=65536，則本算法能仲裁的標簽數(shù)理論上限是16×216=1048576,。
2 算法步驟
給出算法步驟,，假設(shè)使用一個8位寄存器，則本算法包括以下步驟：
(1)在所述RFID系統(tǒng)的被動方一標簽中設(shè)計一個4+4位的寄存器(Rel)和1個“0”,、“l”隨機數(shù)產(chǎn)生器(RGI),，如圖l所示。
(2)在所述RFID系統(tǒng)的主動方一讀寫器向所有處在等待態(tài)的標簽發(fā)送初始化命令,。標簽因此進入仲裁態(tài),，用RGI產(chǎn)生4比特隨機數(shù)，加載到Rel高4位R7~R4,，低4位R3~R0全部清零,。
(3)讀寫器等待一定時間后發(fā)送允許回傳命令。
(4)Rel為全零的標簽向讀寫器回傳標簽ID,。
(5)如果當前只有一個標簽回傳ID,，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認命令,，附加命令參數(shù)“低位減l”,。回傳了ID的標簽接收到該命令后,，進入確認態(tài),，其他高4位為全零的標簽Re1低4位減1，回到步驟(4)重復(fù)操作,。
(6)如果當前有多個標簽回傳ID,，讀寫器通過CRC校驗或碼長校驗，檢測到錯誤的ID號,，則發(fā)送確認命令,，附加命令參數(shù)“寄存器加1”。接收到讀寫器這個命令后,，所有在仲裁態(tài)且Rel為全零的標簽由RGI產(chǎn)生1比特隨機數(shù)和寄存器上的數(shù)相加后重新載入到寄存器中;其他仲裁態(tài)且Rel高4位為零而低4位不為零的標簽Rel加1,，回到步驟(4)重復(fù)操作
(7)如果當前沒有標簽回傳ID，讀寫器等待一定時間后發(fā)送確認命令,，附加命令參數(shù)“低位減1”,。所有在仲裁態(tài)且高4為全零的標簽Rel低4位減1，回到步驟(4)重復(fù)操作,。
(8)低4位減1操作重復(fù)L次(L是一個系統(tǒng)參數(shù),，由系統(tǒng)設(shè)定,，經(jīng)驗值為4)后，讀寫器認為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4位為零的標簽都已經(jīng)被正確讀取,，則發(fā)送確認命令,，附加命令參數(shù)“高4位減l”，回到步驟(4),。
(9)標簽接收到附加“高位減l”參數(shù)的確認命令后,，所有Rel高4位不為零的標簽高4位減l，回到步驟4重復(fù)操作;在被要求高位減1前已為零的標簽則回到等待態(tài),。
(10)重復(fù)15次高位減1操作后.讀寫器認為所有在仲裁態(tài)的標簽都已經(jīng)被讀取,，則仲裁過程停止，所有還處于仲裁態(tài)的標簽返回等待態(tài),。
算法步驟中所述等待態(tài)是指電子標簽上電后的初始狀態(tài);仲裁態(tài)是指未被讀寫器鑒別的電子標簽開始響應(yīng)讀寫器鑒別命令時進入的狀態(tài);確認態(tài)是指已被讀寫器鑒別的電子標簽進入的狀態(tài),。電子標簽狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則如下：上電后電子標簽進入等待態(tài);處于等待態(tài)的電子標簽可以進入仲裁態(tài);處于仲裁態(tài)的電子標簽可以返回等待態(tài);處于仲裁態(tài)的電子標簽可以進入確認態(tài);處于確認態(tài)的電子標簽不能返回仲裁態(tài);確認態(tài)與等待態(tài)之間不能直接轉(zhuǎn)移。
針對上述算法步驟,，在以下幾個地方加以改進,，形成本算法的改進算法。
A,、步驟(1)中,，隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機數(shù)，分別加載到寄存器高位和低4位,。其中高位加載的位數(shù)M可以動態(tài)設(shè)為1,、2、3或4,。
B,、步驟(10)中的重復(fù)操作次數(shù)為2M次。因為改進算法在寄存器低4位也加載了隨機數(shù),，使得標簽在群間轉(zhuǎn)移的概率(即低4位向高位進位的概率)大大增加,，特別如果最后一個群中標簽的寄存器低4位在退讓步驟中進位，則會產(chǎn)生一個新群,，因此需要額外增加一次高位減l操作,。
3 電路實現(xiàn)
算法實現(xiàn)的參考電路框圖見圖l，其中RGI是一個“0”“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器;Rel是一個8位寄存器,。加法器ADDl和ADD2的加減功能根據(jù)讀寫器命令來設(shè)定：當執(zhí)行加法操作時,，低4位的ADD2需向高4位的ADDl進位;當執(zhí)行減法操作時，兩個器件ADDl和ADD2相互獨立,。加法器可以工作在同步狀態(tài)或異步狀態(tài),，工作在同步狀態(tài)時可以使用電子標簽的最大時鐘。
4 仿真結(jié)果
仿真l：為了評估本算法的優(yōu)劣,，特設(shè)計以下仿真：標簽使用8位寄存器,，高4位為高位。定義0個,、2個和2個以上的標簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)時為傳輸沖突;只有一個標簽發(fā)送數(shù)據(jù)時為傳輸成功,，平均沖突次數(shù)定義為傳輸沖突總次數(shù)和傳輸成功總次數(shù)的比;空傳率定義O個標簽發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)與傳輸成功總次數(shù)的比。觀察標簽數(shù)為20~10000時的平均沖突次數(shù),。
仿真結(jié)果如圖2所示,，本文提出的算法與二進制算法性能接近，平均每成功傳輸1次都要伴隨2次傳輸沖突;而改進算法則在標簽數(shù)為50~5000個時明顯減少了碰撞次數(shù),。同時也注意到當標簽個數(shù)少于50時,，改進算法性能下降，這是因為此時標簽數(shù)接近分群的群數(shù)導(dǎo)致空傳率上升所致,，解決的辦法是減少分群的群數(shù),。針對該問題，特設(shè)計仿真2來分析,。
仿真2：為了分析低標簽密度時改進算法的性能,，特設(shè)計以下仿真：采用改進算法，分別使用5~8位寄存器,。高l~4位為高位,，即分群群數(shù)分別為2、4,、8和16,。仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到當標簽總數(shù)為20時,，如果把高位寄存器的位數(shù)從4降到l,，則平均碰撞次數(shù)從5 5回落到1.4。而當標簽總數(shù)為200和2000時,，高位寄存器位數(shù)的改變對平均碰撞次數(shù)的影響不大,。因此如果在某次仲裁中出現(xiàn)多次空傳，根據(jù)這個先驗知識,，讀寫器可以在下一次仲裁時指示標簽改變寄存器高位個數(shù),，以此降低空傳率，進而可以降低平均碰撞次數(shù),。
本文提出的防碰撞算法僅需在電子標簽中配置1個8位寄存器,、1個l位“O”、“l”隨機數(shù)產(chǎn)生器和2個4位加減l 計數(shù)器以及少量選擇電路就能實現(xiàn)最多達1048 576個標簽的仲裁,。仿真表明本算法產(chǎn)生的碰撞概率明顯小于二進制數(shù)算法,，同時通過寄存器高位的靈活設(shè)置，還能有效解決低標簽密度時空傳率高的問題,，從而進一步降低了碰撞概率,。本算法實現(xiàn)簡單,，復(fù)雜度低，非常適合在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用,，因而具有廣闊的應(yīng)用前景,。