RFID系统中的碰撞问题研究

杨晓娇+吴必造

摘要： RFID作为物联网感知层的关键技术之一，广泛应用于仓储物流，产品防伪等各个领域。文中首先介绍了RFID系统中的关键组成部分并详细分析了各部分的工作原理，然后重点分析了制约RFID技术发展的关键问题—碰撞问题，主要包括RFID中的多标签，标签-阅读器以及阅读器-阅读器这三种碰撞及其对应的防碰撞算法。文中针对RFID碰撞问题的相关研究工作，对防碰撞算法的后续研究具有一定的参考价值。

关键词：射频识别； 防碰撞；多标签碰撞；阅读器标签碰撞 ；阅读器碰撞

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）01-0276-03

Abstract： Radio Frequency Identification can serve as critical technology elements for a wide range of future application in logistics，Product forgery-proof recognition etc. This paper firstly discussed the crucial part in RFID system and detailed analysis of its parts. Then this paper put emphasis on the collision problems that limit the development of RFID technology， including three types of collision problems and its anti-collision algorithm： multi-tag collision， tag-reader collision and reader-reader collision. On account of collision problem in this paper is worthy for reference in the following research.

Key words：radio frequency identification； anti-collision； muti-tag collision； reader-tag collision ； reader-reader collision

1 概述

物联网（Internet of Things， IOT）是对生活中连接如互联网的各种实物所形成的网络的统称，在这些物体中嵌入电子芯片、软件和传感器再通过互联网传输数据使得物体之间能相互通信[1]。物联网中的每个物体都有一个识别码可在物联网中被唯一识别，按照网络架构从下到上可将物联网划分为三层即感知层、网络层和应用层。物联网通过感知层的进行信息的采集工作，网络层的可靠传输和应用层的数据处理来实现对现实世界中的任何物品信息的全面感知，并完成全方位的信息交互，从而实现对物体的智能化感知识别、管理和控制[2]。

感知层是物联网中的基石，而RFID作为物联网感知层中最关键的一项信息获取技术，是未来物联网领域研究的重点。RFID系统由阅读器和标签组成。标签携带与物品的相关信息即识别码通过RFID的阅读器识别标签后用通信网络传输到后台信息处理系统。物联网就是先用RFID技术实现对物品的识别，再通过互联网对信息进行共享和交换，从而实现物体间的互联来构建一个大的物联网系统。综上所述，RFID技术是物联网中最关键的技术，是感知层的核心技术，是物联网的重要研究对象。根据ID Tech Ex的最新预测报告显示，截止2026年RFID总市场价值将高达186.8亿美元[3]。

而RFID系统通常有如下两种结构：1）一个RFID系统中包含一个阅读器和多个标签，这些标签公用一个信道，就会导致多标签碰撞问题；2）一个RFID系统中包含多个阅读器和多个标签，就包含阅读器碰撞问题和多标签碰撞问题。本文，首先介绍物联网系统的构成的关键部分，然后分别介绍了RFID系统的两种结构的碰撞问题及其解决方案。

2 RFID系统简介

一个标准的RFID 系统主要包含后台信息处理系统，阅读器（Reader），标签（ Tag）这三部分，如图1所示。标签又叫应答器（transponder），其内部存储物体的标识信息，根据其种类和应用场合不同可贴于物体表面或置于物体内部。阅读器又称为收发机（transceiver），阅读器可以读取标签的ID和其中存储的信息，目的是识别物体，并将其中存储的数据信息传到后台信息处理系统中。后台信息处理系统一般在计算机系统中，具有强大的数据处理和存储能力。下面分别分析RFID系统的这个三个关键部分。

2.1RFID标签

RFID标签由集成电路（微芯片）、天线和存储器这三个主要部件构成。目前也有一些无芯标簽[5]，此类标签可以直接打印到物体上，因此极大地降低了系统的应用成本。微芯片包含微处理器和存储单元。微处理器用于调制和解调射频信号，从入射的阅读器信号中采集到能量为标签内部提供直流电源并处理阅读器的命令，完成相关操作。存储单元主要用来存储标签的唯一标识符（Unique Identifier， UID）或产品电子代码（Electronic product code， EPC）。标签的天线用于接收和发送信号，因此天线从某种程度决定了标签的读写距离。照供电方式可以将标签分为无源、有源和半有源标签。

2.2 RFID阅读器

RFID阅读器主要由微控制器、射频前端、基带处理单元和天线组成。阅读器通过天线发射射频来询问工作范围内的标签。一旦收到标签的返回信号，阅读器的微控制器将接收到的信号传送到基带处理单元处理。阅读器的主要功能包括：实现与标签之间的双向通信，给标签供能，与后端服务器或者计算机网络的通信，实现多标签识别，实现移动目标识别和错误信息提示等。按照阅读器的移动性可以将其分为手持式和固定式。再RFID系统中为了降低阅读器设计的复杂度，阅读器会将接收到的数据交给后台信息处理系统，使得复杂的运算工作都交由后台信息处理系统来完成，提高了系统的效率。

2.3 后台信息处理系统

后台信息处理系统位于阅读器的上层，它的主要作用是协助阅读器和标签进行数据运算和存储。由于RFID系统中标签和阅读器的存储以及运算能力有限，因此不适宜在阅读器和标签上进行大量或者复杂的运算[4]。因此，在阅读器和标签通信过程中所需的大量数据可以存储在后台信息系统的数据库中，而标签和阅读器就只需存储这些信息在后台服务器中对应的存储地址索引即可，这样阅读器就可以通过存储地址的索引在后台数据库中准确读取所需的数据信息。同时，后台信息处理系统还会协助阅读器快速的处理一些复杂的运算工作，后台信息处理系统的运算能力强且处理速度快，因此采用后台信息处理系统协助阅读器的工作会从降低阅读器的硬件成本且提高整个系统的数据处理能力和效率。

3 RFID中的标签碰撞问题

当一个阅读器的作用域内存在多个标签同时请求与阅读器通信，则会导致多个标签公用一个信道即产生了信道拥堵，就发生了数据碰撞问题这类碰撞又称为标签碰撞，下面具体介绍这类碰撞

3.1 标签碰撞的基本原理

当阅读器作用域内多个标签被阅读器激活并同时向阅读器发送数据时会发生多标签碰撞，如图2所示。

多个标签公用一个信道因此若它们的同时响应阅读器，则会使得阅读器无法正确识别到任意一张标签。这种碰撞问题常见于阅读器需要在短时间内识别多个标签的情况。在RFID系统中由于标签成本低、体积小，而阅读器造价相对较高，因此在RFID的众多应用场合中都是存在一个阅读器和多个标签，这类实例有：供应链管理系统，物流系统，因此就需要阅读器能够快速地对多个标签进行识别，因此多标签碰撞是RFID系统中最亟待解决的问题。要解决多标签碰撞问题就需要在阅读器和标签上实现相应的多标签防碰撞算法。

3.2多标签防碰撞算法

多标签碰撞是RFID系统中存在的最普遍的一种碰撞问题，也是研究最广泛的，解决多标签碰撞问题的本质在于尽可能降低碰撞率从而更有效的识别标签。多标签防碰撞算法的技术手段都是基于TDMA思想。如前文所述，无源RFID系统的多标签防碰撞算法主要可以分为确定性算法、随机性算法和混合型算法三类。其中确定性算法主要可以分为BS（Binary Search）和QT（Query Tree）两类，随机性算法主要可以分为Aloha和TS（Tree Search）两类，这些算法在RFID国际标准中得到了广泛的应用，混合型防碰撞算法为目前已有算法的结合体，目前还没有纳入相应的国际标准。如表1所示。

從表1中可以看出，所有这些防碰撞算法主要应用在HF和UHF频段。因此，大多数改进的多标签防碰撞算法的研究也集中在HF和UHF RFID频段。其中HF RFID系统主要采用的是确定性算法，其代表是QT类防碰撞算法。UHF RFID系统主要采用的是随机性算法，其主要代表是DFSA类防碰撞算法和TS类防碰撞算法。同HF阅读器相比，UHF RFID阅读器覆盖范围更广，其工作域内的标签数量更多，同时对标签的读写要求更高，这样使得UHF RFID系统内的多标签防碰撞问题更为突出。多标签防碰撞算法的研究也多集中在UHF 频段，即针对DFSA算法和TS算法。

4 阅读器和标签碰撞

阅读器和标签碰撞按碰撞产生的原理可以分为阅读器-标签碰撞以及阅读器-阅读器碰撞，下面分别介绍这两类算法。

4.1 阅读器-标签碰撞

阅读器-标签碰撞（Reader-tag collision，RTC）是由于有两个或多个阅读器同时去读同一张标签时由于信号干扰而出现的碰撞，碰撞示意图如图3所示。

当一个有限的区域内部署多个阅读器时，阅读器之间的工作域相互重叠，就会产生此类碰撞。遭遇这种碰撞的标签无法正确解码来自阅读器的命令，从而导致标签与阅读器的通信失败。UHF RFID标准ISO/IEC 18000-6对此类碰撞问题进行了研究，标准建议采用跳频方式来最小化阅读器-标签碰撞。阅读器和标签工作在不同的频率，从而避免标签和阅读器之间的信号相互干扰而导致的碰撞。

4.2 阅读器-阅读器碰撞

当多个阅读器都处于各自的干扰域内时，就会产生阅读器-阅读器碰撞（Reader-reader collision，RRC），如图4所示。

在这种情况下，由于某个阅读器的发射功率较强，其干扰信号会到达其他阅读器的识别域内，从而导致该阅读器识别域内的标签无法与阅读器之间进行正常通信。RTC 和RRC本质上都属于阅读器碰撞，尽管许多RFID工业标准允许阅读器操作在不同的工作频率试图缓解阅读器碰撞问题。然而，在一些RFID阅读器密集的环境中可能没有足够多的频率信道来避免所有潜在的阅读器碰撞。因此，许多研究者也提出了相应的阅读器防碰撞算法来解决这一问题。目前，主流的阅读器防碰撞算法有： Colorwave算法[6]、DCS算法、NFRA算法、DCNS算法[7，8]、HiQ算法[9]、Pulse算法[10] MCMC算法[11]和一些改进算法[12]等

5 小结

在RFID系统中，阅读器和标签是通过共享的无线信道进行通信，当多个阅读器或标签同时向信道发送信号时，信号之间会相互干扰，从而产生碰撞。碰撞会致使通信失败，从而影响系统的吞吐率、可靠性和识别效率。为了降低碰撞对系统性能的影响，就必须采用相应的防碰撞机制来协调阅读器与阅读器之间或阅读器与标签之间的通信。这种防碰撞机制被称为防碰撞算法（Anti-collision algorithm），也叫碰撞仲裁协议（Collision arbitration protocol）。RFID系统中的碰撞有三种，分别是多标签碰撞，阅读器-标签碰撞和阅读器-阅读器碰撞。本文分别介绍了这三种碰撞，魏RFID防碰撞算法的研究具有一定的参考价值。

參考文献：

[1] International Telecommunication Union. Internet of things global standards initiative （IOT-GSI）[R]. Geneva： ITU-T， 2012.

[2] 宁焕生，王炳辉. RFID重大工程与国家物联网[M]. 北京：机械工业出版社， 2009： 1-30.

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[4] 王晓华，周晓光，王伟. 射频识别（RFID）系统设计，仿真与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.

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[6] Waldrop J， Engels D W， Sarma S E. Colorwave： a MAC for RFID reader networks[C]. Proc. IEEE Wireless Communications and Networking （WCNC）， New Orleans， 2003.

[7] Waldrop J， Engels D， Sarma S. Colorwave： an anticollision algorithm for the reader collision problem[C]. Proc. IEEE International Conference on Communications （ICC）， anchorage， alaska， 2003.

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