精品文檔-下載后可編輯RFID系統(tǒng)防碰撞協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用rfid是射頻識(shí)別技術(shù)的英文（radiofrequencyidentification）的縮寫，射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的利用反射功率的通信奠定了射頻識(shí)別射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（rfid）已經(jīng)成為一個(gè)很熱門的話題。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，rfid技術(shù)市場(chǎng)將在未來(lái)五年內(nèi)在新的產(chǎn)品與服務(wù)上帶來(lái)30至100億美金的商機(jī)，隨之而來(lái)的還有服務(wù)器、資料儲(chǔ)存系統(tǒng)、資料庫(kù)程序、商業(yè)管理軟件、顧問(wèn)服務(wù)，以及其他電腦基礎(chǔ)建設(shè)的龐大需求?；蛟S這些預(yù)測(cè)過(guò)于樂觀，但rfid將會(huì)成為未來(lái)的一個(gè)巨大市場(chǎng)是毫無(wú)疑問(wèn)的。許多高科技公司正在加緊開發(fā)rfid專用的軟件和硬件，這些公司包括英特爾、微軟、甲骨文、sap和sun,而近的零售商沃爾瑪?shù)囊豁?xiàng)要求其前100家供應(yīng)商在2022年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤和包裝箱時(shí)使用rfid技術(shù)，2022年1月前在單件商品中使用這項(xiàng)技術(shù)的決議，把rfid再次推到了聚光燈下。因此可以說(shuō)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（rfid）正在成為熱門新科技。

1RFID系統(tǒng)中防碰撞協(xié)議

為了解決碰撞問(wèn)題，產(chǎn)生了很多的防碰撞算法，目的就是把眾多的標(biāo)簽按照某種方式分隔開進(jìn)行逐個(gè)讀取，主要有頻分多路法（FDMA）、空分多路法（SDMA）、時(shí)分多路法（TDMA）和碼分多路法（CDMA）四種方法。防碰撞算法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

空分多路法由于其復(fù)雜的天線系統(tǒng)的高費(fèi)用使得應(yīng)用不是很廣泛，頻分多路法由于其閱讀器的費(fèi)用比較高，應(yīng)用也受到了限制。碼分多路法的多路方式軟件設(shè)計(jì)困難，讀寫器每一路都需要相應(yīng)的硬件或軟件支持，非常復(fù)雜，所以不適合RFID系統(tǒng)。因此，TDMA成為反碰撞算法廣泛的選擇，該方法又分為標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法和閱讀器驅(qū)動(dòng)法，標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法中具有代表性的算法是Aloha算法。閱讀器驅(qū)動(dòng)法需要準(zhǔn)確的同步進(jìn)而無(wú)錯(cuò)誤的檢測(cè)出碰撞位，它再劃分為"輪詢法"和"分裂法".由于Aloha算法不能有效地解決標(biāo)簽餓死的問(wèn)題，所以本文的研究主要在分裂法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1.1二進(jìn)制防碰撞協(xié)議

二進(jìn)制防碰撞協(xié)議中，閱讀器應(yīng)用二進(jìn)制搜索算法能夠成功地讀取它范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。標(biāo)簽含有的ID序列號(hào)（由一些二進(jìn)制碼構(gòu)成），閱讀器在每次查詢過(guò)程中只發(fā)送一位0或1,標(biāo)簽中與接收的位相同的才會(huì)發(fā)生應(yīng)答，并發(fā)送自己的下一位直至所有ID序列號(hào)傳完。標(biāo)簽中與接收到的位不相同的就會(huì)轉(zhuǎn)到待機(jī)狀態(tài)，直到某個(gè)標(biāo)簽被識(shí)別剩余的標(biāo)簽重置。在一個(gè)識(shí)別過(guò)程中，如果閱讀器發(fā)現(xiàn)沖突就會(huì)發(fā)0,否則發(fā)送從標(biāo)簽接收的那一位作為下一個(gè)查詢位。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

1.2查詢樹防碰撞協(xié)議

查詢樹算法是一種無(wú)記憶標(biāo)簽防碰撞算法。讀寫器發(fā)送一個(gè)前綴查詢信息，與這個(gè)前綴相匹配的標(biāo)簽做出響應(yīng)。讀寫器發(fā)出的前綴決定了碰撞的標(biāo)簽如何分裂。標(biāo)簽除了其自身的ID號(hào)以外無(wú)需記憶其他額外的信息。一旦一個(gè)標(biāo)簽被成功識(shí)別，讀寫器就開始新一輪的讀取操作。協(xié)議原理：讀寫器發(fā)送長(zhǎng)度為k的前綴；ID中前kbit和前綴匹配的標(biāo)簽反饋第（k+1）bit至1bit.如果閱讀器收到的ID碰撞，再先后將前綴加"0"或"1",作為新的前綴發(fā)送出去。如果沒有發(fā)生碰撞，就表明有一個(gè)標(biāo)簽被識(shí)別了。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

2改進(jìn)型防碰撞協(xié)議

本文設(shè)計(jì)了一種新的防碰撞協(xié)議，它是結(jié)合了二進(jìn)制防碰撞協(xié)議和查詢樹防碰撞協(xié)議而構(gòu)成的，它能夠在壞的情況下，減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)，很大程度上減少了沖突的發(fā)生，增加了標(biāo)簽的讀取速度。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

在改進(jìn)型協(xié)議中，如果標(biāo)簽在狀態(tài)S2下檢測(cè)到碰撞的發(fā)生，它會(huì)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3來(lái)接收閱讀器發(fā)送的屏蔽位，而不是直接跳到S0.狀態(tài)S3的加入很大程度上減少了標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)。這個(gè)效果是很明顯的，如果兩個(gè)標(biāo)簽的位相同而接下來(lái)的位都不相同，運(yùn)用二進(jìn)制和查詢樹協(xié)議時(shí)，閱讀器必須發(fā)送兩個(gè)不同的位來(lái)識(shí)別兩個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽經(jīng)歷兩次從S0到S1再到S2的轉(zhuǎn)換，而在改進(jìn)型協(xié)議中由于S3的加入，一個(gè)標(biāo)簽在識(shí)別的同時(shí)其他標(biāo)簽只需向閱讀器發(fā)送一個(gè)前綴位。這樣既減少了識(shí)別過(guò)程中能量的消耗，又增加了識(shí)別速度。例如對(duì)#28（11100）和#30（11110）兩個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別，運(yùn)用二進(jìn)制防碰撞協(xié)議需要21次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和19次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，查詢樹防碰撞協(xié)議需要21次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和8次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而改進(jìn)型協(xié)議只需要15次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和7次狀態(tài)轉(zhuǎn)換（Ps為現(xiàn)在的狀態(tài)；Ns為下一個(gè)狀態(tài)），表1是在新協(xié)議下對(duì)兩個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別過(guò)程。

運(yùn)用這個(gè)協(xié)議，需要增加一個(gè)硬件用來(lái)在S3狀態(tài)下減少它的ID指針，標(biāo)簽在S3收到的屏蔽位需要與先前發(fā)送的那位相比較，來(lái)確定標(biāo)簽的下個(gè)狀態(tài)。

3性能分析

一個(gè)RFID系統(tǒng)性能的好壞，主要是衡量它的能量消耗和讀取速度。本文主要從狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)次數(shù)兩個(gè)方面考慮。標(biāo)簽的識(shí)別過(guò)程各種情況的標(biāo)簽的分布都有可能發(fā)生，要衡量RFID防碰撞協(xié)議的性能，就要從壞的情況[1]考慮。

3.1數(shù)學(xué)分析

在不計(jì)命令時(shí)間、前后綴開銷及校驗(yàn)冗余等情況下對(duì)各算法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，若在閱讀器范圍內(nèi)有n個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽的ID位數(shù)為N,則在滿足2≤n≤2N-2情況下，以上三種協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和時(shí)鐘循環(huán)數(shù)如下：

3.2仿真結(jié)果

仿真時(shí)筆者認(rèn)為三種協(xié)議識(shí)別一個(gè)特定的標(biāo)簽時(shí)間是相等的。仿真環(huán)境：標(biāo)簽ID長(zhǎng)度為2的整數(shù)倍，沖突標(biāo)簽數(shù)為4,30次仿真取均值。仿真結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可見，改進(jìn)型協(xié)議在識(shí)別效率上明顯優(yōu)于二進(jìn)制協(xié)議和查詢樹協(xié)議，在標(biāo)簽ID位比較長(zhǎng)的情況下尤為明顯。

在研究了RFID系統(tǒng)中現(xiàn)