RFID系統(tǒng)中的碰撞問題研究

楊曉嬌+吳必造

摘要： RFID作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流，產(chǎn)品防偽等各個(gè)領(lǐng)域。文中首先介紹了RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分并詳細(xì)分析了各部分的工作原理，然后重點(diǎn)分析了制約RFID技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題—碰撞問題，主要包括RFID中的多標(biāo)簽，標(biāo)簽-閱讀器以及閱讀器-閱讀器這三種碰撞及其對(duì)應(yīng)的防碰撞算法。文中針對(duì)RFID碰撞問題的相關(guān)研究工作，對(duì)防碰撞算法的后續(xù)研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別； 防碰撞；多標(biāo)簽碰撞；閱讀器標(biāo)簽碰撞 ；閱讀器碰撞

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）01-0276-03

Abstract： Radio Frequency Identification can serve as critical technology elements for a wide range of future application in logistics，Product forgery-proof recognition etc. This paper firstly discussed the crucial part in RFID system and detailed analysis of its parts. Then this paper put emphasis on the collision problems that limit the development of RFID technology， including three types of collision problems and its anti-collision algorithm： multi-tag collision， tag-reader collision and reader-reader collision. On account of collision problem in this paper is worthy for reference in the following research.

Key words：radio frequency identification； anti-collision； muti-tag collision； reader-tag collision ； reader-reader collision

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IOT）是對(duì)生活中連接如互聯(lián)網(wǎng)的各種實(shí)物所形成的網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，在這些物體中嵌入電子芯片、軟件和傳感器再通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)使得物體之間能相互通信[1]。物聯(lián)網(wǎng)中的每個(gè)物體都有一個(gè)識(shí)別碼可在物聯(lián)網(wǎng)中被唯一識(shí)別，按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從下到上可將物聯(lián)網(wǎng)劃分為三層即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)通過感知層的進(jìn)行信息的采集工作，網(wǎng)絡(luò)層的可靠傳輸和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的任何物品信息的全面感知，并完成全方位的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化感知識(shí)別、管理和控制[2]。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)中的基石，而RFID作為物聯(lián)網(wǎng)感知層中最關(guān)鍵的一項(xiàng)信息獲取技術(shù)，是未來物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。RFID系統(tǒng)由閱讀器和標(biāo)簽組成。標(biāo)簽攜帶與物品的相關(guān)信息即識(shí)別碼通過RFID的閱讀器識(shí)別標(biāo)簽后用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)信息處理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)就是先用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的識(shí)別，再通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息進(jìn)行共享和交換，從而實(shí)現(xiàn)物體間的互聯(lián)來構(gòu)建一個(gè)大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。綜上所述，RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的技術(shù)，是感知層的核心技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要研究對(duì)象。根據(jù)ID Tech Ex的最新預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，截止2026年RFID總市場(chǎng)價(jià)值將高達(dá)186.8億美元[3]。

而RFID系統(tǒng)通常有如下兩種結(jié)構(gòu)：1）一個(gè)RFID系統(tǒng)中包含一個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽，這些標(biāo)簽公用一個(gè)信道，就會(huì)導(dǎo)致多標(biāo)簽碰撞問題；2）一個(gè)RFID系統(tǒng)中包含多個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽，就包含閱讀器碰撞問題和多標(biāo)簽碰撞問題。本文，首先介紹物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成的關(guān)鍵部分，然后分別介紹了RFID系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)的碰撞問題及其解決方案。

2 RFID系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RFID 系統(tǒng)主要包含后臺(tái)信息處理系統(tǒng)，閱讀器（Reader），標(biāo)簽（ Tag）這三部分，如圖1所示。標(biāo)簽又叫應(yīng)答器（transponder），其內(nèi)部存儲(chǔ)物體的標(biāo)識(shí)信息，根據(jù)其種類和應(yīng)用場(chǎng)合不同可貼于物體表面或置于物體內(nèi)部。閱讀器又稱為收發(fā)機(jī)（transceiver），閱讀器可以讀取標(biāo)簽的ID和其中存儲(chǔ)的信息，目的是識(shí)別物體，并將其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳到后臺(tái)信息處理系統(tǒng)中。后臺(tái)信息處理系統(tǒng)一般在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力。下面分別分析RFID系統(tǒng)的這個(gè)三個(gè)關(guān)鍵部分。

2.1RFID標(biāo)簽

RFID標(biāo)簽由集成電路（微芯片）、天線和存儲(chǔ)器這三個(gè)主要部件構(gòu)成。目前也有一些無芯標(biāo)簽[5]，此類標(biāo)簽可以直接打印到物體上，因此極大地降低了系統(tǒng)的應(yīng)用成本。微芯片包含微處理器和存儲(chǔ)單元。微處理器用于調(diào)制和解調(diào)射頻信號(hào)，從入射的閱讀器信號(hào)中采集到能量為標(biāo)簽內(nèi)部提供直流電源并處理閱讀器的命令，完成相關(guān)操作。存儲(chǔ)單元主要用來存儲(chǔ)標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)符（Unique Identifier， UID）或產(chǎn)品電子代碼（Electronic product code， EPC）。標(biāo)簽的天線用于接收和發(fā)送信號(hào)，因此天線從某種程度決定了標(biāo)簽的讀寫距離。照供電方式可以將標(biāo)簽分為無源、有源和半有源標(biāo)簽。

2.2 RFID閱讀器

RFID閱讀器主要由微控制器、射頻前端、基帶處理單元和天線組成。閱讀器通過天線發(fā)射射頻來詢問工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽。一旦收到標(biāo)簽的返回信號(hào)，閱讀器的微控制器將接收到的信號(hào)傳送到基帶處理單元處理。閱讀器的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽之間的雙向通信，給標(biāo)簽供能，與后端服務(wù)器或者計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽識(shí)別，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和錯(cuò)誤信息提示等。按照閱讀器的移動(dòng)性可以將其分為手持式和固定式。再RFID系統(tǒng)中為了降低閱讀器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，閱讀器會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)交給后臺(tái)信息處理系統(tǒng)，使得復(fù)雜的運(yùn)算工作都交由后臺(tái)信息處理系統(tǒng)來完成，提高了系統(tǒng)的效率。

2.3 后臺(tái)信息處理系統(tǒng)

后臺(tái)信息處理系統(tǒng)位于閱讀器的上層，它的主要作用是協(xié)助閱讀器和標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)。由于RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽和閱讀器的存儲(chǔ)以及運(yùn)算能力有限，因此不適宜在閱讀器和標(biāo)簽上進(jìn)行大量或者復(fù)雜的運(yùn)算[4]。因此，在閱讀器和標(biāo)簽通信過程中所需的大量數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在后臺(tái)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而標(biāo)簽和閱讀器就只需存儲(chǔ)這些信息在后臺(tái)服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址索引即可，這樣閱讀器就可以通過存儲(chǔ)地址的索引在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中準(zhǔn)確讀取所需的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，后臺(tái)信息處理系統(tǒng)還會(huì)協(xié)助閱讀器快速的處理一些復(fù)雜的運(yùn)算工作，后臺(tái)信息處理系統(tǒng)的運(yùn)算能力強(qiáng)且處理速度快，因此采用后臺(tái)信息處理系統(tǒng)協(xié)助閱讀器的工作會(huì)從降低閱讀器的硬件成本且提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和效率。

3 RFID中的標(biāo)簽碰撞問題

當(dāng)一個(gè)閱讀器的作用域內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)請(qǐng)求與閱讀器通信，則會(huì)導(dǎo)致多個(gè)標(biāo)簽公用一個(gè)信道即產(chǎn)生了信道擁堵，就發(fā)生了數(shù)據(jù)碰撞問題這類碰撞又稱為標(biāo)簽碰撞，下面具體介紹這類碰撞

3.1 標(biāo)簽碰撞的基本原理

當(dāng)閱讀器作用域內(nèi)多個(gè)標(biāo)簽被閱讀器激活并同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)生多標(biāo)簽碰撞，如圖2所示。

多個(gè)標(biāo)簽公用一個(gè)信道因此若它們的同時(shí)響應(yīng)閱讀器，則會(huì)使得閱讀器無法正確識(shí)別到任意一張標(biāo)簽。這種碰撞問題常見于閱讀器需要在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽的情況。在RFID系統(tǒng)中由于標(biāo)簽成本低、體積小，而閱讀器造價(jià)相對(duì)較高，因此在RFID的眾多應(yīng)用場(chǎng)合中都是存在一個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽，這類實(shí)例有：供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，物流系統(tǒng)，因此就需要閱讀器能夠快速地對(duì)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，因此多標(biāo)簽碰撞是RFID系統(tǒng)中最亟待解決的問題。要解決多標(biāo)簽碰撞問題就需要在閱讀器和標(biāo)簽上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的多標(biāo)簽防碰撞算法。

3.2多標(biāo)簽防碰撞算法

多標(biāo)簽碰撞是RFID系統(tǒng)中存在的最普遍的一種碰撞問題，也是研究最廣泛的，解決多標(biāo)簽碰撞問題的本質(zhì)在于盡可能降低碰撞率從而更有效的識(shí)別標(biāo)簽。多標(biāo)簽防碰撞算法的技術(shù)手段都是基于TDMA思想。如前文所述，無源RFID系統(tǒng)的多標(biāo)簽防碰撞算法主要可以分為確定性算法、隨機(jī)性算法和混合型算法三類。其中確定性算法主要可以分為BS（Binary Search）和QT（Query Tree）兩類，隨機(jī)性算法主要可以分為Aloha和TS（Tree Search）兩類，這些算法在RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中得到了廣泛的應(yīng)用，混合型防碰撞算法為目前已有算法的結(jié)合體，目前還沒有納入相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示。

從表1中可以看出，所有這些防碰撞算法主要應(yīng)用在HF和UHF頻段。因此，大多數(shù)改進(jìn)的多標(biāo)簽防碰撞算法的研究也集中在HF和UHF RFID頻段。其中HF RFID系統(tǒng)主要采用的是確定性算法，其代表是QT類防碰撞算法。UHF RFID系統(tǒng)主要采用的是隨機(jī)性算法，其主要代表是DFSA類防碰撞算法和TS類防碰撞算法。同HF閱讀器相比，UHF RFID閱讀器覆蓋范圍更廣，其工作域內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量更多，同時(shí)對(duì)標(biāo)簽的讀寫要求更高，這樣使得UHF RFID系統(tǒng)內(nèi)的多標(biāo)簽防碰撞問題更為突出。多標(biāo)簽防碰撞算法的研究也多集中在UHF 頻段，即針對(duì)DFSA算法和TS算法。

4 閱讀器和標(biāo)簽碰撞

閱讀器和標(biāo)簽碰撞按碰撞產(chǎn)生的原理可以分為閱讀器-標(biāo)簽碰撞以及閱讀器-閱讀器碰撞，下面分別介紹這兩類算法。

4.1 閱讀器-標(biāo)簽碰撞

閱讀器-標(biāo)簽碰撞（Reader-tag collision，RTC）是由于有兩個(gè)或多個(gè)閱讀器同時(shí)去讀同一張標(biāo)簽時(shí)由于信號(hào)干擾而出現(xiàn)的碰撞，碰撞示意圖如圖3所示。

當(dāng)一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)閱讀器時(shí)，閱讀器之間的工作域相互重疊，就會(huì)產(chǎn)生此類碰撞。遭遇這種碰撞的標(biāo)簽無法正確解碼來自閱讀器的命令，從而導(dǎo)致標(biāo)簽與閱讀器的通信失敗。UHF RFID標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18000-6對(duì)此類碰撞問題進(jìn)行了研究，標(biāo)準(zhǔn)建議采用跳頻方式來最小化閱讀器-標(biāo)簽碰撞。閱讀器和標(biāo)簽工作在不同的頻率，從而避免標(biāo)簽和閱讀器之間的信號(hào)相互干擾而導(dǎo)致的碰撞。

4.2 閱讀器-閱讀器碰撞

當(dāng)多個(gè)閱讀器都處于各自的干擾域內(nèi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生閱讀器-閱讀器碰撞（Reader-reader collision，RRC），如圖4所示。

在這種情況下，由于某個(gè)閱讀器的發(fā)射功率較強(qiáng)，其干擾信號(hào)會(huì)到達(dá)其他閱讀器的識(shí)別域內(nèi)，從而導(dǎo)致該閱讀器識(shí)別域內(nèi)的標(biāo)簽無法與閱讀器之間進(jìn)行正常通信。RTC 和RRC本質(zhì)上都屬于閱讀器碰撞，盡管許多RFID工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許閱讀器操作在不同的工作頻率試圖緩解閱讀器碰撞問題。然而，在一些RFID閱讀器密集的環(huán)境中可能沒有足夠多的頻率信道來避免所有潛在的閱讀器碰撞。因此，許多研究者也提出了相應(yīng)的閱讀器防碰撞算法來解決這一問題。目前，主流的閱讀器防碰撞算法有： Colorwave算法[6]、DCS算法、NFRA算法、DCNS算法[7，8]、HiQ算法[9]、Pulse算法[10] MCMC算法[11]和一些改進(jìn)算法[12]等

5 小結(jié)

在RFID系統(tǒng)中，閱讀器和標(biāo)簽是通過共享的無線信道進(jìn)行通信，當(dāng)多個(gè)閱讀器或標(biāo)簽同時(shí)向信道發(fā)送信號(hào)時(shí)，信號(hào)之間會(huì)相互干擾，從而產(chǎn)生碰撞。碰撞會(huì)致使通信失敗，從而影響系統(tǒng)的吞吐率、可靠性和識(shí)別效率。為了降低碰撞對(duì)系統(tǒng)性能的影響，就必須采用相應(yīng)的防碰撞機(jī)制來協(xié)調(diào)閱讀器與閱讀器之間或閱讀器與標(biāo)簽之間的通信。這種防碰撞機(jī)制被稱為防碰撞算法（Anti-collision algorithm），也叫碰撞仲裁協(xié)議（Collision arbitration protocol）。RFID系統(tǒng)中的碰撞有三種，分別是多標(biāo)簽碰撞，閱讀器-標(biāo)簽碰撞和閱讀器-閱讀器碰撞。本文分別介紹了這三種碰撞，魏RFID防碰撞算法的研究具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] International Telecommunication Union. Internet of things global standards initiative （IOT-GSI）[R]. Geneva： ITU-T， 2012.

[2] 寧煥生，王炳輝. RFID重大工程與國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2009： 1-30.

[3] Das R，Harrop P. RFID forecasts， player and opportunities 2014-2026[R]， ID Tech Ex， 2015.

[4] 王曉華，周曉光，王偉. 射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仿真與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[5] Klair D K， Chin K W，Raad R. A survey and tutorial of RFID anti-collision protocols[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials， 2010， 12（3）： 400-421.

[6] Waldrop J， Engels D W， Sarma S E. Colorwave： a MAC for RFID reader networks[C]. Proc. IEEE Wireless Communications and Networking （WCNC）， New Orleans， 2003.

[7] Waldrop J， Engels D， Sarma S. Colorwave： an anticollision algorithm for the reader collision problem[C]. Proc. IEEE International Conference on Communications （ICC）， anchorage， alaska， 2003.

[8] Gandino F， Ferrero R， Montrucchio B， et al. Probabilistic DCS： an RFID reader to reader anti-collisionprotocol[J]. Journal of Network and Computer Applications， 2011， 34（3）： 821-832.

[9] Cha K，Jagannathan S. Adaptive power control protocol with hardware implementation for wireless sensor and RFID reader networks[J]. IEEE Systems Journal， 2007，1（2）： 145-159.

[10] Song I， Fan X， Chang K. Enhanced pulse protocol RFID reader anti-collision algorithm using slot occupied probability in dense reader environment[J]. KSII Transactions on Internet and Information Systems， 2008， 2（6）： 299-311.

[11] Dai H， Lai S， Zhu H. A multi-channel MAC protocol for RFID reader networks[C]. International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing （Wicom）， Shanghai， 2007.

[12] Konstantinou H. Expowave： an RFID anti-collision algorithm for dense and lively environments[J]. IEEE Transaction on communications， 2012， 60（2）： 352-356.