射頻識別技術即RFID" title="RFID" target="_blank">RFID（Radio Frequency Identification）是一種通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，并對目標加以識別和獲取相關數據的技術。它由一個附在天線上的微芯片構成，芯片中存儲唯一的電子產品代碼，用于標識單個商品。它由于具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大，可實現非接觸目標識別等特點，被廣泛地應用于生產、交通、醫療、物流、資產管理等眾多領域。射頻識別主要由電子標簽和讀寫器組成。通過讀寫器發射無線電波，讀取電子標簽內存儲的信息，實現雙向通信，以達到識別目的并交換數據。
    在許多應用領域，單個標簽已經能夠滿足要求。但是在許多新的應用領域像圖書館藏書、機場包裹管理、零售業等等，這些應用場合標簽數量較多，閱讀器讀取范圍內可能會存在多個標簽，這樣在讀取標簽時就會不可避免地發生沖突。因此防碰撞協議的研究是必須的。本文提出一種新的防碰撞協議，新協議結合了兩種基本的防碰撞協議,與現有的RFID防碰撞協議相比新協議極大地提高了系統的讀取效率,協議設計更加靈活實用。
1 RFID系統中防碰撞協議
    為了解決碰撞問題，產生了很多的防碰撞算法，目的就是把眾多的標簽按照某種方式分隔開進行逐個讀取，主要有頻分多路法(FDMA)、空分多路法(SDMA)、時分多路法(TDMA)和碼分多路法(CDMA)四種方法。防碰撞算法結構圖如圖1所示。

    空分多路法由于其復雜的天線系統的高費用使得應用不是很廣泛，頻分多路法由于其閱讀器的費用比較高，應用也受到了限制。碼分多路法的多路方式軟件設計困難，讀寫器每一路都需要相應的硬件或軟件支持，非常復雜，所以不適合RFID系統。因此，TDMA成為反碰撞算法最廣泛的選擇，該方法又分為標簽驅動法和閱讀器驅動法，標簽驅動法中具有代表性的算法是Aloha算法。閱讀器驅動法需要準確的同步進而無錯誤的檢測出碰撞位，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簽餓死的問題，所以本文的研究主要在分裂法的基礎上進行。
1.1 二進制防碰撞協議
    二進制防碰撞協議中，閱讀器應用二進制搜索算法能夠成功地讀取它范圍內的所有標簽。標簽含有唯一的ID序列號(由一些二進制碼構成)，閱讀器在每次查詢過程中只發送一位0或1，標簽中與接收的位相同的才會發生應答，并發送自己的下一位直至所有ID序列號傳完。標簽中與接收到的位不相同的就會轉到待機狀態，直到某個標簽被識別剩余的標簽重置。在一個識別過程中，如果閱讀器發現沖突就會發0，否則發送從標簽接收的那一位作為下一個查詢位。狀態轉換圖如圖2所示。

1.2 查詢樹防碰撞協議
    查詢樹算法是一種無記憶標簽防碰撞算法。讀寫器發送一個前綴查詢信息，與這個前綴相匹配的標簽做出響應。讀寫器發出的前綴決定了碰撞的標簽如何分裂。標簽除了其自身的ID號以外無需記憶其他額外的信息。一旦一個標簽被成功識別，讀寫器就開始新一輪的讀取操作。協議原理：讀寫器發送長度為k的前綴；ID中前k bit和前綴匹配的標簽反饋第(k+1)bit至最后1 bit。如果閱讀器收到的ID碰撞，再先后將前綴加“0”或 “1”，作為新的前綴發送出去。如果沒有發生碰撞，就表明有一個標簽被識別了。狀態轉換圖如圖3所示。

2 改進型防碰撞協議
    本文設計了一種新的防碰撞協議，它是結合了二進制防碰撞協議和查詢樹防碰撞協議而構成的，它能夠在最壞的情況下，減少狀態轉換數和時鐘循環數，很大程度上減少了沖突的發生，增加了標簽的讀取速度。狀態轉換圖如圖4所示。

    在改進型協議中，如果標簽在狀態S2下檢測到碰撞的發生，它會轉移到狀態S3來接收閱讀器發送的屏蔽位，而不是直接跳到S0。狀態S3的加入很大程度上減少了標簽識別過程中狀態轉換數和時鐘循環數。這個效果是很明顯的，如果兩個標簽的第一位相同而接下來的位都不相同，運用二進制和查詢樹協議時，閱讀器必須發送兩個不同的位來識別兩個標簽,標簽經歷兩次從S0到S1再到S2的轉換，而在改進型協議中由于S3的加入，一個標簽在識別的同時其他標簽只需向閱讀器發送一個前綴位。這樣既減少了識別過程中能量的消耗，又增加了識別速度。例如對#28（11100）和#30（11110）兩個標簽的識別，運用二進制防碰撞協議需要21次時鐘轉換和19次狀態轉換，查詢樹防碰撞協議需要21次時鐘轉換和8次狀態轉換，而改進型協議只需要15次時鐘轉換和7次狀態轉換（Ps為現在的狀態；Ns為下一個狀態），表1是在新協議下對兩個標簽的識別過程。

    運用這個協議，需要增加一個硬件用來在S3狀態下減少它的ID指針，標簽在S3收到的屏蔽位需要與先前發送的那位相比較，來確定標簽的下個狀態。
3 性能分析
    一個RFID系統性能的好壞，主要是衡量它的能量消耗和讀取速度。本文主要從狀態轉換次數和時鐘循環次數兩個方面考慮。標簽的識別過程各種情況的標簽的分布都有可能發生，要衡量RFID防碰撞協議的性能，就要從最壞的情況[1]考慮。
3.1 數學分析
    在不計命令時間、前后綴開銷及校驗冗余等情況下對各算法進行數學分析，若在閱讀器范圍內有n個標簽，標簽的ID位數為N，則在滿足2≤n≤2N-2情況下，以上三種協議的狀態轉換次數和時鐘循環數如下：

3.2 仿真結果
    仿真時筆者認為三種協議識別一個特定的標簽時間是相等的。仿真環境：標簽ID長度為2的整數倍，沖突標簽數為4，30次仿真取均值。仿真結果如圖5所示。

    由仿真結果可見，改進型協議在識別效率上明顯優于二進制協議和查詢樹協議,在標簽ID位比較長的情況下尤為明顯。
    在研究了RFID系統中現有的防碰撞協議的基礎上，本文提出了一種新的防碰撞協議。通過算法分析及仿真表明，該協議較大幅度減少了每條命令的信息量，使系統的傳輸數據量和傳輸時間大大減少，有效節省了傳輸信道，能更準確、更高效、更好地解決射頻識別系統中多個標簽之間的數據沖突問題，具有良好應用前景。
參考文獻
[1]  ZHOU F, CHEN C. Evaluating and optimizing power  consumption of anti-collision protocols for applications in RFID systems. in Proc. of 2004 IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design, 2004:357-362.
[2]  譚民，劉禹，曾雋芳,等.RFID技術系統工程及應用指南[M].北京:機械工業出版社，2007: 261-297.
[3]  LIANG Biao, HU Ai Qun, QIN Zhong Yuan. Trends and  brief comments on anti-collision techniques in radio frequency identification system[C]//Proc.of the 6th International Conference on ITS Telecommunications. [S.l.]:  IEEE Press,2006:241-245.
[4]  HYUN K S.Park PooGyeon an efficient tree-based taganticollision protocol for RFID systems,2007(5).
[5]  楊健，王永華，詹宜巨,等.密集標簽環境下RFID標簽防沖突算法的分析研究[J].中山大學學報(自然科學版),  2009,48(6):147-150.