UHF频段RFID标签防碰撞标准研究

徐 彪，万 莎，陈弘扬

（国家无线电监测中心福建监测站，厦门 361000）

UHF频段RFID标签防碰撞标准研究

徐 彪，万 莎，陈弘扬

（国家无线电监测中心福建监测站，厦门 361000）

本文重点分析了UHF频段RFID标签的三种防碰撞标准，并对系统吞吐率进行仿真，比较了标签数量较小的情况下的系统吞吐率。

UHF；管理系统；RFID技术；防碰撞算法

1 引言

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，以其数据存储量大、识别时间短、保密性好、无需人工干预等优点，在许多服务领域、货物销售与后勤分配、生产企业和材料流通等领域得到了快速的普及和发展。UHF频段（860-930MHz）的RFID标签因为适合远距离识别（几米到十几米），适应物体高速运动性能好并且对环境影响较小而成为现在RFID产品发展的热点。但随着射频操作距离的加大和传输数据的增加，不可避免地会出现多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，在信道共用、信号频率相同的情况下，多个电子标签同时将信号送入一个阅读器的通道会产生信道争用，各信号之间相互干扰，产生数据碰撞，从而造成阅读器和标签之间的通信失败。为了防止这些冲突的产生，RFID系统中需要设置一定的相关命令，以解决冲突问题，这些命令被称为“防碰撞命令或算法”或者“防碰撞算法”。

常用的防碰撞算法有频分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA），具体实现方法可以分硬件和软件两种方式：硬件方式优点是时延少，但是以增加系统复杂性和成本为代价的，因此RFID系统一般不采用；软件方法实现，使得系统设计简单、成本低且易于修改。在无源RFID标签中运用较多的防碰撞算法为基于软件的TDMA法，较经典的为基于ALOHA算法和二进制搜索算法的改进。

2 UHF频段标签防碰撞算法分析

在UHF工作频段[2]，主要是ISO/IEC 18000-6《信息技术—针对物品管理的射频识别(RFID)—第6部分：针对频率为860-930MHz无接触通信空气接口参数》标准，包括A，B，C（EPC Class1 Gen2标准纳入18000-6C）以及EPC Class0共四种标准。它们采用的防碰撞算法也都不同，但均是基本防碰撞算法的改进应用。ISO/IEC 18000-6 TYPE A，TYPE B，TYPE C都是基于概率性的防碰撞算法（即不确定性），TYPE B虽然采用二进制树形防碰撞算法，但它不是基于位操作的，所以严格意义上来说它是不确定性算法；EPC Class0协议采用的二进制树算法是真正意义上的确定性算法（EPC Class0协议不做详细讨论）。

ISO/IEC 18000-6 Type A[5]防碰撞采用动态帧时隙ALOHA算法，设计相对简单，使用自适应时隙分配的线形算法，可为一个读卡器阅读范围内250个标签分配256个时隙。其本质是基于概率的，在确定时间内依靠一定的概率分辨出所有在读卡器工作范围内的标签，如果在识别区内的标签数目相对开始识别命令中制定的初始时隙数较多时，防碰撞的过程就会比较长。这是Type A防碰撞机制的不足之处。

ISO/IEC 18000-6 Type B[6]标准的防碰撞机制是基于二进制树形搜索算法下的机制。它利用随机产生的0，1信号达到了二进制树形搜索的效果，并且设定了“成功命令”进一步提高了搜索的效率，可以说这是一种二进制树形的防碰撞算法。但从根本上说，Type B的防碰撞算法仍然是基于概率的，每次识别一定数量的标签的时间是不能保证一致的，这和真正的二进制搜索算法是不同的，防碰撞的效率会随标签的数量增多而下降。

Type B的标签主要有四种状态：离场关闭（POWER-OFF）、准备（READY）、识别（ID）、数据交换（DATA EXCHANGE）。

标签进入读卡器的工作范围，从离场关闭状态进入准备状态。读卡器可以通过组选择和取消选择命令，让读卡器工作范围内处于准备状态的所有或部分标签参与冲突判决。此时标签进入识别状态，同时把它们内部的计数器清零。它们中的一部分可以通过接收取消选择命令重新回到准备状态，其他处在识别状态的标签就进入了冲突判断流程中。被选中的标签开始进行下面的循环：

（1）所有处于识别状态并且内部计数器为“0”的标签将发送它们的识别码给读卡器。

（2）如果当有一个以上的标签发送时，读卡器将接收到叠加在一起冲突的错误回答而发送FAIL命令。

（3）当标签接收到FAIL命令后，首先查看自己的内部计数器，如果计数器不为“0”，则把计数器加“1”。如果计数器为“0”，标签将生成一个“1”或“0”的随机数，随机数是“1”，则计数器加“1”；随机数是“0”，则计数器不变，并再次发送它们的识别码。

（4）如果有一个以上的标签发送它们的识别码，则重复第（2）步操作。

（5）如果所有标签都随机选择了“1”，则读卡器就接收不到任何回答，它将发送“成功命令”，所有标签的计数器减“1”，然后计数器等于“0”的标签开始发送，接着重复第（2）步操作。

（6）如果只有一个标签发送它的识别码，那么读卡器将发送包含此识别码的数据读取命令。标签正确接收后，就从识别状态进入数据交换状态，并发送数据，然后读写器将发送成功命令。如果这时只剩一个标签，则重复(5)操作；如果这时还有多个标签，则重复（2）操作。

（7）如果只有一个标签发送识别码，但是没有被正确接收，那么读卡器将发送重发命令。这时标签就会重新发送它的识别码，如果正确接收，则重复（6）操作；如果若干次错误，就假定有多个标签，则重复（2）操作。

TYPE C标准的防碰撞算法是在动态帧时隙ALOHA算法基础上改进的时隙随机ALOHA算法，该算法没有明确的帧的概念，取而代之的是识别周期，即读写器两次发送Query指令的间隔，时隙随机算法同样需要标签随机选择响应时隙，区别在于该算法可以再识别周期内的任何时刻更改时隙数，以实现识别时隙的自适应。在每个识别周期，读写器先通过Query指令开启新的盘存(inventory)周期，指令中含槽计数器参数Q，用于控制标签在该盘存周期发出响应的概率。参与识别的标签应在(0，2Q-1)范围内产生一个随机数，并将其载入槽计数器Solt Counter中。每过一个时隙，随机数即减1，当标签随机数为零时进入应答状态并立即响应。采用TYPE C标准的时隙随机ALOHA算法时，最大的识别时隙可达215，在实际应用中不会受到时隙数的限制，有利于识别数量很大的标签群。标签的识别码由标签的伪随机序列发生器产生的16位随机数组成，识别码的分布不会对识别标签群产生影响，因此即使在识别很大数量的标签时，仍能有很高的系统吞吐率和较小的识别延迟。本质上TYPE C标准中的防碰撞算法是动态帧时隙ALOHA算法，是在TYPE A标准的基础上的改进，因此在实际应用中基本不使用TYPE A协议。

ALOHA算法操作简便，便于实际应用，但ALOHA算法在应用中随着标签数量的扩大，性能将会急剧恶化，ALOHA算法不能很好地防止标签碰撞，存在错误判断问题，即个别标签可能被“饿死”的问题(Tag Starvation Problem)，而且信道利用率低。基于树结构的算法性能稍优于基于ALOHA算法，效率相对较高，但是基于树的算法的电路实现复杂，并且延时较长。从应用的角度来看，当标签的规模比较小时，基ALOHA的算法性能最好。

3 性能比较及仿真

图1 时隙数与标签数量关系曲线

图1对Type A（FSA算法），Type B，Type C（EPC Gen2算法）三种标准在相同标签数目的情况下所需时隙数进行了比较，在相同标签数目的情况下，Type B类型的系统所需要的时隙最少；Type C所用的时隙介于Type A与B之间，且在标签数量较小的情况下与Type B的时隙差距很小。

图2对三种标准系统的吞吐率进行了比较，在理想的情况下，在标签数量较小的情况小（标签数量<500）时，Type C（EPC Gen2）协议的防碰撞算法可以达到30%以上的系统吞吐率，吞吐率优于前二者。这与之前分析正好吻合。

图2 三种标准的系统吞吐率

4 结束语

本文对ISO/IEC 18000-6所规定的UHF频段的三种RFID标签防碰撞算法进行了研究、并对系统吞吐率进行仿真，比较了三种算法的系统吞吐率。仿真结果表明，在标签数量较小的情况下，Type C的系统的吞吐量最优，可以达到30%以上。因此，在标签规模较小的管理系统中，可以优先考虑Type C标准的防碰撞算法。■

[1] Zheng HU.Internet of things[M]. BeiJing:Science Press,2011.11-31.

[2] EPCglobal Inc.. EPC Class1 Gen2. EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz～960MHz Version 1.2.0.2008.10.

[3] 高飞．RFID原理与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2010:96-102

[4] 赵军辉．射频识别技术与应用[M]．北京：机械工业出版社，2008:198-207

[5] ISO/IEC 18000-6.Information technology-Radio frequency identification for item management-Part 6:Parameters for air interface communications at 860MHz to 960MHz[S]. USA:ISO and IEC,2006.

[6] EPCTM Radio-frequency identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Conformance Require-Mengts Version 1.0.2[S].EPCglobal Inc,2006.

[7] Jae-Ryong.Anti-collision Algorithms for Fast Object Identifcation in RFID Syatem.[C]The 11th International Conference on Parallel and Distributed Syatems,Washington D.C,2005.

[8] 王海峰，王敬超，张 春．一种超高频 RFID 读写器设计[J]． PLC 技术应用，2008,3(2):1008-0570

Research and Application on Anti-collision Standard of UHF RFID Tag

Xu Biao, Wan Sha, Cheng Hongyang
(State Fujian Station of Radio Monitoring Center, Xiamen, 361001, China)

This paper especially studies three the anti-collision standards of RDID tags on UHF, based on the simulation, we compare with three anti-collision algorithms which is better apply to management system.

UHF; management system; RFID technology; anti-collision algorithm

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.017

TN925

A

1672-7274（2017）02-0068-03