摘 要： 提出一種應用于RFID系統(tǒng)上行鏈路的多標簽沖突檢測算法，并給出了參考實現(xiàn)電路。依算法，對電子標簽進行隨機分群，在群間做隨機避讓，在群內(nèi)進行沖突檢測和標簽的仲裁。與現(xiàn)有的隨機避讓算法和二進制樹算法相比，該算法不但有效降低了碰撞次數(shù)，實現(xiàn)電路也更簡單。
關(guān)鍵詞： RFID 電子標簽 防沖突算法 仲裁
無線射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利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)應用和標準化建立等幾個重要階段。從現(xiàn)有發(fā)展趨勢看，RFID 將構(gòu)建虛擬世界與物理世界的橋梁。可以預見在不久的將來，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" title="讀寫器">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。考慮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。
文獻[1]和[2]提出了三種RFID系統(tǒng)的防碰撞算法。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)" title="隨機數(shù)">隨機數(shù)產(chǎn)生器" title="產(chǎn)生器">產(chǎn)生器，最大" title="最大">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1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[3]提出了對該算法的一個實現(xiàn)方案，文獻[4]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1位隨機數(shù)產(chǎn)生器，最大可以仲裁標簽的數(shù)量是65 536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1 048 576個標簽的仲裁，而且碰撞次數(shù)相對于算法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)群間的隨機避讓，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)存入寄存器高4位(相當于隨機選擇一個群)并把寄存器低4位設(shè)為全0，同時產(chǎn)生一個0或1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則回傳該標簽的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0的標簽寄存器中的數(shù)加1，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0的標簽僅把寄存器低4位減1后重復前面的回傳操作。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入到下一個群中，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＝65 536，則本算法能仲裁的標簽數(shù)理論上限是16×216＝1 048 576。
2 算法步驟
本節(jié)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－標簽中設(shè)計一個4+4
位的寄存器(Re1)和1個“0”、“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器(RG1)，如圖1所示。
(2)在所述RFID系統(tǒng)的主動方－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RG1產(chǎn)生4比特隨機數(shù)，加載" title="加載">加載到Re1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)Re1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1”。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Re1為全零的標簽由RG1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Re1高4位為零而低4位不為零的標簽Re1加1，回到步驟(4)重復操作。
(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Re1低4位減1，回到步驟(4)重復操作。
(8)低4位減1操作重復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1”，回到步驟(4)。
(9)標簽接收到附加“高位減1”參數(shù)的確認命令后，所有Re1高4位不為零的標簽高4位減1，回到步驟4重復操作；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1操作。
3 電路實現(xiàn)
算法實現(xiàn)的參考電路框圖見圖1，其中RG1是一個“0”“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器；Re1是一個8位寄存器。加法器ADD1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ADD1進位；當執(zhí)行減法操作時，兩個器件ADD1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1: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0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20～10 000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50～5 000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1～4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1，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1位“0”、“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器和2個4位加減1計數(shù)器以及少量選擇電路就能實現(xiàn)最多達1 048 576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，復雜度低，非常適合在RFID系統(tǒng)中應用，因而具有廣闊的應用前景。
參考文獻
1 ISO18000-6C標準：Information technology-Radio-frequency identification for item management - Part 6C: Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960MHz.
2 ISO18000-6A/B標準:Information technology automatic iden-tification and data capture techniques - Radio frequency identification for item management air interface-Part 6:Parameters for air interface communications at 860-960MHz.
3 Fukmnizu Y, Ohno S, Nagata M, etc. A highly collision resistive RFID system. In：proc. of APSITT 2003, Nov.2003:223～228
4 Zhou, F, Jing, D, Huang C et al. Optimizing the power consumption of passive electronic tags for Anti-collision schemes. In:Proceedings of the 5th ASICON, Beijing,China, October 2003:1213～1217