第八章 RFID防碰撞技术
多读写器碰撞
当相邻的读写器作用范围有重叠时,多个读写器同 时读取同一个标签时可能会引起多读写器与标签之间 的干扰。如图标签同时收到3个读写器的信号,标签无 法正确解析读写器发来的查询信号。 读写器自身有能量供应,能进行较高复杂度的计 算,所以读写器能检测到碰撞产生,并通过与其他读 写器之间的交流互通来解决读写器的碰撞问题,如读 写器调度算法和功率控制算法。
当输入负载G=0.5时,系统的吞吐率达到最大值0.184。 由于纯ALOHA算法中存在碰撞概率较大,在实际中,该算法 仅适于只读型的标签,即阅读器只负责接收标签发射的信 号,标签只负责向阅读器发射信号的情况。
时隙ALOHA算法
在ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙(slot), 并且每个时隙长度要大于标签回复的数据长度,标签只能在 每个时隙内发送数据。每个时隙存在: a 空闲时隙:此时隙内没有标签发送 b 成功识别时隙:仅一个标签发送且被正确识别 c 碰撞时隙:多个标签发送,产生碰撞
存在的问题???
性能分析 •吞吐率S---代表有效传输的实际总数据率,即在观察时 间T0内标签成功通信的平均次数 •输入负载G---发送的总数据率,即观察时间T0内标签的 平均到达次数 •S=G*Pe 其中Pe是到达的标签能成功完成通信的概率 由概率论知识:Pe=e-2G 所以:纯ALOHA算法的吞吐率为:S=G*e-2G
Ta g
2、减少单个读写 器的作用范围
3、缺点是天线系统复杂, 会大幅度提高成本。
(2)频分多址FDMA法
1、RFID系统把 不同载波频率 的传输通道分 别提供给电子 标签用户 2、缺点是导致 读写器和标签 成本要求较高。 因此在RFID应 用中,频分多 路法很少使用。
阅读器广播命令 f1
读 写 器
8.2 ALOHA算法
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时就自 动向读写器发送其自身的ID号,在标签发送数据的过程中, 若有其他标签也在发送数据,将会发生信号重叠,从而导 致冲突。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。 各种ALOHA算法:纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时 隙ALOHA算法、动态帧时隙ALOHA算法。
Tag1
f2
f3
Tag2 Tag3
Tag5
f4
Tag4
f5
阅读器读写区域
(3)码分多址(CDMA)
不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同 或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来 区分,或者说,靠信号的不同波形来区分。如果从 频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的。 CDMA是利用不同的码序列分割成不同信道的多址技 术 。 CDMA的频带利用率低,信道容量较小,地址码 选择较难、接收时地址码捕获时间较长,其通信频 带和技术复杂性在RFID系统中难以应用。
SELECT(SNR)——选择 (序列号)
READ-DATA——读出数据
UNSELECT——退出选择
范例
R:11111111 A:10100111 B:10110101 C:10101111
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
1 什么是碰撞
在RFID系统应用中,因为多个读写器或多个标
签,造成的读写器之间或标签之间的相互干扰, 统称为碰撞。
2
碰撞的类型
1、多标签碰撞 2、多读写器碰撞
(1)多读写器碰撞
电子标签1 电子标签2 电子标签3
电子标签4
电子标签5
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
(4)时间分割TDMA
Tag
1
a’ a
Reader
a’ b’ c’ a b c b’ b
Tag 2
TDMA是把整个可供使用的信 道容量按时间分配给多个同户 的技术。
c’ c
Tag 3
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
RFID系统中防碰撞算法分类
电子标签的低功耗、低存储能力和有限的计算能力等限制,导 致许多成熟的防碰撞算法(如空分多路法)不能直接在RFID系统中 应用。这些限制可以归纳为: (1)无源标签没有内臵电源,标签的能量来自于读写器,因此算 法在执行的过程中,标签功耗要求尽量低; (2)RFID系统的通信带宽有限,因此防碰撞算法应尽量减少读写 器和标签之间传输信息的比特数目; (3)标签不具备检测冲突的功能而且标签间不能相互通信,因此 冲突判决需要读写器来实现; (4)标签的存储和计算能力有限,这就要求防碰撞协议尽可能简 单,标签端的设计不能太复杂。
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
2.RFID中防碰撞算法分类
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
标签防碰撞算法
RFID系统的标签防碰撞算法大多采用时分多路法,该方法可分 为非确定性算法和确定性算法。 非确定性算法也称标签控制法,在该方法中,读写器没有对数 据传输进行控制,标签的工作是非同步的,标签获得处理的时间不 确定,因此标签存在“饥饿”问题。ALOHA算法是一种典型的非确定 性 算法,实现简单,广泛用于解决标签的碰撞问题。 确定性算法也称读写器控制法,由读写器观察控制所有标签。 按照规定算法,在读写器作用范围内,首先选中一个标签,在同一 时间内读写器与一个标签建立通信关系。二进制树型搜索算法是典 型确定性算法,该类算法比较复杂,识别时间较长,但无标签饥饿 问题。
(2)多标签碰撞
电子标签1 电子标签2 电子标签3 电子标签4 电子标签5
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
多标签碰撞
多标签碰撞是指读写器同时收到多个标签信号而导 致无法正确读取标签信息的问题。如图读写器发出识 别命令后,在标签应答过程中可能会两个或者多个标 签同一时刻应答,或一个标签还没有完成应答时其他 标签就做出应答。它会使得标签之间的信号互相干扰, 从而造成标签无法被正常读取。 本章后续讨论的防碰撞都是针对多标签防碰撞。
时隙ALOHA算法示意图
时隙ALOHA算法的吞吐率为:S=G*e-G 当输入负载G=1时,系统的吞吐量达到最大值0.368,避免了纯 ALOHA算法中的部分碰撞,提高了信道的利用率。 需要一个同步时钟以使阅读器阅读区域内的所有标签的时隙同 步。
帧时隙ALOHA算法
固定帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
2)曼彻斯特编码
某位之值是在一个位窗(tBIT)内由电平的改变(上升/下降沿) 表示。逻辑“0”编码为上升沿,逻辑“1”编码为下降沿。如果两 个或 多个电子标签同时发送的数位有不同值,则接收的上升沿和下降沿 互相抵消,“没有变化”的状态是不允许的,将作为错误被识别。 用
8.3 二进制树型搜索算法
采用NRZ编码和曼彻斯特编码的冲突状况(曼彻斯特编码能够按 位识别出冲突)示意图。因此,选用曼彻斯特编码可实现“二进制 树 型搜索”算法。
如何解决碰撞 的问题呢?
8.1 RFID系统中的碰撞与防碰撞
无线通信技术中,通信碰撞的四种解决防碰撞方法: 空分多址(SDMA) 频分多址(FDMA) 码分多址(CDMA) 时分多址(TDMA)
(1)空分多址自适应SDMA,电子控 制定向天线,天线的方向 直接对准某个标签
8.3 二进制树型搜索算法
二进制树型搜索算法由读写器控制,基本思想是不断的将导致 碰撞的电子标签进行划分,缩小下一步搜索的标签数量,直到只有 一个电子标签进行回应。
1.冲突位检测
实现该算法系统的必要前提是能够辨认出在读写器中数据冲突 位的准确位臵。为此,必须有合适的位编码法。如图对NRZ编码和曼 彻斯特编码的冲突状况作一比较。
动态帧时隙ALOHA算法(DFSA)
帧长随待识别标签数的改变而动态改变 帧长选择依据最优帧长选择理论
帧长N等于待识别标签数n时,系统识别率最高
动态帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
当系统待识别标签数较多时,动态增加帧长,可以降低时隙碰撞率,提高系统性 能; 当系统待识别标签数较少时,动态减少帧长,可以降低空闲时隙比率,提高时隙 利用率,提高系统性能;
ALOHA算法的模型图
纯ALOHA算法
思想:只要用户有数据要发送,就尽管让他们发送 纯ALOHA算法的标签读取过程: (1)各个标签随机的在某时间点上发送信息。 (2)阅读器检测收到的信息,判断是成功接收或者碰撞。 (3)若判断发生碰撞,则标签随机等待一段时间再重新发送 信息。
纯ALOHA存在的问题: (1)错误判决。即对同一个标签,如果连续多次发生碰撞,则将 导致阅读器出现错误判断,认为标签不在阅读器作用范围内。 (2)数据帧的发送过程中发生碰撞的概率很大。过多的碰撞导 致吞吐量下降系统性能降低。 解决方向: 减小碰撞发生次数 缩短重发延时
8.3 二进制树型搜索算法
1)NRZ编码
某位之值是在一个位窗(tBIT)内由传输通路的静态电平表 示,这种逻辑“1” 为 “高”电平,逻辑“0” 为 “低”电平。如 果两个 电子标签之一发送了副载波信号,那么,这个信号由读写器译码为 “高”电平,就被认定为逻辑“1”。但读写器不能确定读入的某位 究竟 是若干个电子标签发送的数据相互重叠的结果,还是某个电子标签 单独发送的信号,见下页中图(a)。
8.3 二进制树型搜索算法
为了实现这种算法需要一组命令。这组命令可由电子标签进 行处理(见下表),每个电子标签拥有一个唯一的序列号(SNR)。
REQUEST(SNR)——请求 (序列号) 此命令发送一序列号作为参数给电子标签。电子标签把自己 的序列号与接收的序列号进行比较,如果小于或相等,则此电子 标签回送其序列号给读写器。这样就可以缩小预选的电子标签的 范围 用某个(事先确定的)序列号作为参数发送给电子标签,具 有相同序列号的电子标签将以此作为执行其他命令(如读出和写 入数据)的切入开关,即选择这个电子标签,具有其他序列号的 电子标签只对REQUEST命令应答 选中的电子标签将存储的数据发送给读写器(在实际的系统中, 还有鉴别或写入等命令等) 取消一个事先选中的电子标签,电子标签进入“无声”状态。 在这种状态下,电子标签完全是非激活的,对收到的REQUEST 命令不作应答。为了重新激活电子标签,必须暂时离开读写器的 作用范围(等于没有供应电压),以执行复位