在一般的RFID系統(tǒng)中，RFID讀寫(xiě)器和RFID電子標(biāo)簽之間采用的是無(wú)線通信，由于讀寫(xiě)器和標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息傳輸所使用的信道相同。所以當(dāng)多標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)時(shí)，信道中會(huì)有不止一份數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸。就可能會(huì)形成信道阻塞的情況，造成數(shù)據(jù)碰撞，致使部分電子標(biāo)簽不能被正確讀取。RFID系統(tǒng)的碰撞問(wèn)題可以歸為兩類(lèi)：電子標(biāo)簽之前的互相干擾類(lèi)和RFID讀寫(xiě)器互相干擾類(lèi)。

電子標(biāo)簽之前的互相干擾類(lèi)

在RFID系統(tǒng)中各個(gè)RFID標(biāo)簽之前不具備相互通信的能力，而大多數(shù)RFID應(yīng)用場(chǎng)景中RFID標(biāo)簽數(shù)量密集，在某一時(shí)刻若多個(gè)標(biāo)簽處于RFID讀寫(xiě)器的讀取范圍內(nèi)，這些標(biāo)簽應(yīng)答時(shí)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)信道爭(zhēng)用，數(shù)據(jù)之間相互干擾和混疊，如下圖。

多標(biāo)簽碰撞模型圖

RFID讀寫(xiě)器互相干擾類(lèi)

傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)中，是采用單一讀寫(xiě)器方式，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，單一讀寫(xiě)器的RFID系統(tǒng)中越來(lái)越不能滿足多數(shù)場(chǎng)景的需求。因此需要使用多個(gè)讀寫(xiě)器來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視，這就可能造成多讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題。如下圖，在R1和R2的共同有效讀取范圍內(nèi)存在一個(gè)標(biāo)簽。當(dāng)R1和R2同時(shí)給標(biāo)簽發(fā)送指令信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，最終此標(biāo)簽將不能被讀寫(xiě)器R1和讀寫(xiě)器R2的任何一個(gè)讀取。

讀寫(xiě)器和讀寫(xiě)器的碰撞模型圖

另一種讀寫(xiě)器之間的碰撞情況如下圖，讀寫(xiě)器R1和讀寫(xiě)器R2的有效讀取范圍沒(méi)有疊加，但是讀寫(xiě)器R1的干擾范圍和讀寫(xiě)器R2的有效讀取范圍存在疊加區(qū)域。因此處于此疊加區(qū)域的RFID標(biāo)簽，會(huì)受讀寫(xiě)器R1發(fā)射的干擾信號(hào)影響，導(dǎo)致讀寫(xiě)器R2可能出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象。

讀寫(xiě)器和讀寫(xiě)器的碰撞模型圖

因RFID讀寫(xiě)器自身有能量供應(yīng)，能夠進(jìn)行較高復(fù)雜度的計(jì)算，所以讀寫(xiě)器能夠檢測(cè)到碰撞的產(chǎn)生，并能夠通過(guò)與其他讀寫(xiě)器之間的交流互通來(lái)解決讀寫(xiě)器的碰撞問(wèn)題，如讀寫(xiě)器調(diào)度算法和功率控制算法都能比較容易地解決讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題，因此，一般討論防碰撞都是針對(duì)多標(biāo)簽的碰撞而言的。

為了防止碰撞的發(fā)生，RFID系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的防碰撞技術(shù)，在通信中這種技術(shù)也稱(chēng)為多址技術(shù)。RFID讀寫(xiě)器對(duì)RFID標(biāo)簽的讀取過(guò)程就是采用的多址存取方式，該方式規(guī)范了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取的先后次序的。目前解決無(wú)線通信中信息沖突的多址存取方式主要可以分為四種：

1、碼分多址(CDMA)

碼分多址技術(shù)是在擴(kuò)頻通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)頻技術(shù)在同一時(shí)刻同一信道中，完成多路信號(hào)的傳輸通信。擴(kuò)頻的目的是擴(kuò)展信息帶寬，即把需要發(fā)送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)， 用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于其信號(hào)帶寬的偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，這樣使原來(lái)的信息數(shù)據(jù)的帶寬被擴(kuò)展，最后通過(guò)載波調(diào)制發(fā)送出去。解擴(kuò)是指在接收端采用完全一致的偽隨機(jī)碼，與接收到的寬帶信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成原來(lái)的信息數(shù)據(jù)。多址是給每個(gè)用戶分配一個(gè)地址碼，各個(gè)碼型互不重疊。碼分多址技術(shù)具有抗干擾性好，保密安全性高，信道利用率高等優(yōu)點(diǎn)。但是該技術(shù)也存在諸多缺點(diǎn)，如頻帶利用率低、信道容量小，偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生和選擇較難，接收時(shí)地址碼捕獲時(shí)間長(zhǎng)等，所以并未得到廣泛使用。

2、空分多址(SDMA)

空分多址是在分離的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)識(shí)別。其實(shí)現(xiàn)的方法有兩種：一種方法是將讀寫(xiě)器和RFID天線之間的作用距離按空間區(qū)域進(jìn)行劃分，把大量的讀寫(xiě)器和天線安置在一個(gè)天線陣列中。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入這個(gè)天線陣列的覆蓋范圍后，與其距離最近的讀寫(xiě)器對(duì)該標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。由于每個(gè)天線的覆蓋范圍較小，相鄰的讀寫(xiě)器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽同樣可以進(jìn)行識(shí)別而不受相鄰讀寫(xiě)器的干擾，如果多個(gè)標(biāo)簽根據(jù)在天線陣列中的空間位置的不同，可以同時(shí)被識(shí)別。另外一種方法是，RFID讀寫(xiě)器利用一個(gè)相控陣天線，通過(guò)讓天線的方向性圖對(duì)準(zhǔn)單獨(dú)的標(biāo)簽，這樣標(biāo)簽根據(jù)其在讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的角度位置的不同而區(qū)別開(kāi)來(lái)?？辗侄嘀芳夹g(shù)的缺點(diǎn)是它對(duì)讀寫(xiě)器天線的要求較高，一個(gè)讀寫(xiě)器可能存在多個(gè)天線，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較大。

3、頻分多址(FDMA)

頻分多址是把若干個(gè)使用不同載波頻率的調(diào)制信號(hào)在同時(shí)供通信用戶使用的信道上進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。通常情況下，RFID系統(tǒng)的上行鏈路(從讀寫(xiě)器到標(biāo)簽)頻率是固定的，用于能量的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于下行鏈路(從標(biāo)簽到讀寫(xiě)器)，不同的標(biāo)簽采用不同頻率的載波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，這些信號(hào)之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，RFID讀寫(xiě)器對(duì)接收到的不同頻率的信號(hào)進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同標(biāo)簽的識(shí)別。頻分多址的RFID系統(tǒng)對(duì)RFID讀寫(xiě)器的硬件要求很高，因此此類(lèi)系統(tǒng)未得到廣泛應(yīng)用。

4、時(shí)分多址（TDMA）

時(shí)分多址具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，它是把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)。時(shí)分多路復(fù)用是按傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割的，它使不同的信號(hào)在不同的時(shí)間內(nèi)傳輸，將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔，每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。時(shí)分多址就是通過(guò)在時(shí)間上交叉發(fā)送每一路信號(hào)的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)一條電路傳輸多路信號(hào)的。電路上的每一短暫時(shí)刻只有一路信號(hào)存在。因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)是有限個(gè)離散值，所以時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)。目前RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽防碰撞算法大多采用時(shí)分多址技術(shù)。

TDMA是把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)，可分為電子標(biāo)簽控制法和讀寫(xiě)器控制法。電子標(biāo)簽控制法主要有ALOHA算法；而讀寫(xiě)器控制法有輪詢(xún)法和二進(jìn)制搜索法。目前，RFID系統(tǒng)中最常見(jiàn)的兩大類(lèi)標(biāo)簽防碰撞算法是二進(jìn)制搜索法和ALOHA算法。

二進(jìn)制樹(shù)算法

二進(jìn)制樹(shù)算法的基本思想是將處于沖撞狀態(tài)的標(biāo)簽分成左右兩個(gè)子集0和1，先查詢(xún)子集0，若沒(méi)有沖突，則正確識(shí)別標(biāo)簽；若仍有沖突，則再分裂，把子集0分為00和01兩個(gè)子集，依次類(lèi)推，直到識(shí)別出子集0中的所有標(biāo)簽，再按此步驟查詢(xún)子集1。使用基本的二進(jìn)制樹(shù)形算法的標(biāo)簽?zāi)軌蛴洃浺郧暗牟樵?xún)結(jié)果從而減少平均查詢(xún)時(shí)間，但對(duì)功率要求很高。

二進(jìn)制樹(shù)搜索算法是一種無(wú)記憶的算法，即標(biāo)簽不必儲(chǔ)存以前的查詢(xún)情況，這樣可以降低成。在這種算法中讀寫(xiě)器查詢(xún)的不是一個(gè)比特，而是一個(gè)比特前綴，只有序列號(hào)與這個(gè)查詢(xún)前綴相符的標(biāo)簽才響應(yīng)讀寫(xiě)器的命令而發(fā)送其序列號(hào)。當(dāng)只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)的時(shí)候讀寫(xiě)器可以成功識(shí)別標(biāo)簽，但是當(dāng)有多個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)的時(shí)候，下一次循環(huán)中讀寫(xiě)器就把查詢(xún)前綴增加一個(gè)比特0，通過(guò)不斷增加前綴讀寫(xiě)器就能識(shí)別所有的標(biāo)簽。二進(jìn)制樹(shù)搜索的前提是要辨認(rèn)出讀寫(xiě)器中數(shù)據(jù)碰撞的準(zhǔn)確位置，選用曼徹斯特編碼可以檢測(cè)出碰撞位。采用二進(jìn)制樹(shù)搜索算法的RFID系統(tǒng)特點(diǎn)是：具有較高的穩(wěn)定性，易于用軟件實(shí)現(xiàn)，吞吐率最高可達(dá)36.4%，但I(xiàn)D不能太長(zhǎng)，ID越長(zhǎng)所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)間超過(guò)一定限度時(shí)，這種算法將不再適用。

二進(jìn)制搜索樹(shù)的程序流程

ALOHA算法

ALOHA系統(tǒng)采用無(wú)規(guī)則的時(shí)分多址，或叫隨機(jī)多址。ALOHA算法采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式，即RFID標(biāo)簽一進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用區(qū)域就自動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送其自身的信息。在標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，若有其它標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù)，那么將會(huì)導(dǎo)致沖突。RFID讀寫(xiě)器檢測(cè)接收到的信號(hào)有無(wú)沖突，一旦檢測(cè)到?jīng)_突，RFID讀寫(xiě)器就發(fā)送命令讓標(biāo)簽先停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新發(fā)送以減少?zèng)_突。

ALOHA算法的主要特點(diǎn)是各個(gè)標(biāo)簽發(fā)射時(shí)間是完全隨機(jī)的，當(dāng)工作范圍內(nèi)標(biāo)簽的數(shù)量不多時(shí)ALOHA算法可以很好的工作。缺點(diǎn)就是數(shù)據(jù)幀發(fā)送過(guò)程中沖突發(fā)生的概率很大，沖突周期是，而且標(biāo)簽不能自己檢測(cè)沖突，只能通過(guò)接收讀寫(xiě)器的命令判斷有無(wú)沖突。

當(dāng)工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)增加時(shí)，發(fā)生碰撞的概率增加，性能急劇下降，信道利用率只有18.4%。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了時(shí)隙ALOHA算法和幀時(shí)隙ALOHA算法等來(lái)改善ALOHA算法。采用時(shí)隙ALOHA算法的RFID系統(tǒng)因?yàn)橛凶x寫(xiě)器控制在同步時(shí)隙內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，可能發(fā)生碰撞的時(shí)間區(qū)就縮短了一半，吞吐率最大可達(dá)36.8%，相對(duì)于純ALOHA算法增加了一倍，但仍局限于只讀型電子標(biāo)簽。采用幀時(shí)隙ALOHA算法的RFID系統(tǒng)適用于傳輸信息量較大的場(chǎng)合，但當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)大于時(shí)隙個(gè)數(shù)時(shí)，讀取標(biāo)簽的時(shí)間將會(huì)大大增加，在標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于時(shí)隙個(gè)數(shù)時(shí)，就會(huì)造成時(shí)隙的浪費(fèi)。

（圖文來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

審核編輯 黃宇