RFID數(shù)據(jù)傳輸中的防碰撞方式和防碰撞算法解析
RFID可以同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù),但是如何保證多個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸之間不發(fā)生碰撞呢?為了保證RFID讀寫器的正常讀取,一般會內(nèi)置一定的規(guī)則,通常是使用防碰撞方式和防碰撞算法,來避免數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生碰撞。
RFID數(shù)據(jù)傳輸中的防碰撞方式和防碰撞算法解析
1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?/strong>
讀寫器與電子標(biāo)簽之間的工作方式主要有3種,分別為無線電廣播工作方式、多路存取工作方式以及多個(gè)讀寫器給多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作方式。
(1)無線電廣播方式
這是一種從一個(gè)讀寫器到多個(gè)電子標(biāo)簽的工作方式,讀寫器發(fā)送的信號同時(shí)被多個(gè)電子標(biāo)簽接收。這種工作方式與一個(gè)廣播電臺發(fā)射信號,多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收相類似,所以被稱為“無線電廣播”工作方式。無線電廣播的工作方式如圖所示。
(2)多路存取方式
在這種工作方式中,讀寫器的工作范圍內(nèi)同時(shí)有多個(gè)電子標(biāo)簽,多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給讀寫器。
多路存取的工作方式
在多路存取的工作方式中,各個(gè)電子標(biāo)簽會同時(shí)對電子標(biāo)簽讀寫器發(fā)出信號,從而造成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的碰撞,使讀寫器不能正常讀取各個(gè)電子標(biāo)簽的有關(guān)數(shù)據(jù),這就是RFID系統(tǒng)中的多路存取問題。只有解決好電子標(biāo)簽的碰撞問題,才能使RFID系統(tǒng)正常工作。
解決防碰撞問題需要用到多路存取法。在無線通信中,多路存取法主要有空分多路法(SDMA)、頻分多路法(FDMA)、時(shí)分多路法(TDMA)和碼分多路法(CDMA),如圖所示。在RFID系統(tǒng)中,根據(jù)電子標(biāo)簽讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信特點(diǎn),空分多路法、頻分多路法和碼分多路法在應(yīng)用中都受到一定的限制,只能應(yīng)用到一些特定的場合,一般系統(tǒng)主要采用時(shí)分多路法。
防碰撞的幾種常用方法
?、?空分多路法。
在空分多路法(Space Division Multiple Access,SDMA)中,RFID系統(tǒng)利用天線空間分離的技術(shù)分別讀取電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。
② 頻分多路法。
在頻分多路法(Frequency Division Multiple Access,F(xiàn)DMA)中,RFID系統(tǒng)把不同載波頻率的傳輸通道分別提供給電子標(biāo)簽用戶。
?、?時(shí)分多路法。
在時(shí)分多路法(Time Division Multiple Access,TDMA)中,RFID系統(tǒng)把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間不同分配給多個(gè)用戶分別讀取數(shù)據(jù)。
(3)多個(gè)讀寫器給多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。
這是一種由多個(gè)相鄰的讀寫器試圖同時(shí)與多個(gè)電子標(biāo)簽通信而引起的干擾。
2.防碰撞算法
解決電子標(biāo)簽防碰撞問題的關(guān)鍵是優(yōu)化的防碰撞算法?,F(xiàn)有的 RFID防碰撞算法都是基于TDMA 算法,可劃分為 ALOHA防碰撞算法和基于二進(jìn)制搜索(Binary Search,BS)算法兩大類。ALOHA防碰撞算法有ALOHA算法和時(shí)隙ALOHA算法;
BS防碰撞算法有二進(jìn)制樹型搜索算法和修剪枝的二進(jìn)制樹型搜索算法等。防碰撞算法可以使系統(tǒng)的吞吐率及信道的利用率更高,需要的時(shí)隙更少,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率更高,能夠更好地解決RFID系統(tǒng)的碰撞問題,有助于推動RFID技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。
(1)ALOHA算法。
ALOHA是1968年美國夏威夷大學(xué)一項(xiàng)研究計(jì)劃的名字,ALOHA網(wǎng)絡(luò)是世界上最早的無線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)70年代初,美國夏威夷大學(xué)研制成功一種分組交換計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)采用無線廣播技術(shù),這也是最早、最基本的無線數(shù)據(jù)通信方式。ALOHA 是夏威夷人表示致意的問候語,這項(xiàng)研究計(jì)劃是要解決夏威夷群島之間的通信問題。ALOHA 網(wǎng)絡(luò)可以使分散在夏威夷各島的多個(gè)用戶通過無線信道來使用中心計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信,ALOHA采用的是一種隨機(jī)接入的信道訪問方式。
ALOHA 算法因具有簡單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廣的算法之一。ALOHA 算法是在ALOHA 思想的基礎(chǔ)上,根據(jù) RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)不斷改進(jìn)而形成的算法體系,它的本質(zhì)是分離電子標(biāo)簽的應(yīng)答時(shí)間,使電子標(biāo)簽在不同的時(shí)隙發(fā)送應(yīng)答。ALOHA 算法是一種隨機(jī)接入算法,這種算法多采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式,即標(biāo)簽一旦進(jìn)入讀寫器的閱讀區(qū)域,就自動向讀寫器發(fā)送其自身的ID,隨即標(biāo)簽和讀寫器間開始通信。一旦發(fā)生碰撞,一般采取退避原則,等待下一循環(huán)周期再發(fā)送應(yīng)答。
純ALOHA算法信道利用率不高。分析表明,純ALOHA算法的信道吞吐率S與幀產(chǎn)生率G之間的關(guān)系為
例如,計(jì)算可以得出,當(dāng) G = 0.5 時(shí),信道吞吐率 S = 18.4%。
(2)時(shí)隙ALOHA算法。
幀時(shí)隙(Framed Slotted Aloha,F(xiàn)SA)ALOHA算法是基于通信領(lǐng)域的ALOHA協(xié)議提出的。在FSA中,幀(Frame)是由讀寫器定義的一段時(shí)間長度,其中包含若干個(gè)時(shí)隙(Slot),電子標(biāo)簽在每幀內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。所有電子標(biāo)簽應(yīng)答都要同步,即只能在時(shí)隙開始點(diǎn)向讀寫器發(fā)送信息,每個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)隙是隨機(jī)選擇的。
時(shí)隙可以分為3類,分別為空閑時(shí)隙、應(yīng)答時(shí)隙和碰撞時(shí)隙。在空閑時(shí)隙中沒有識別任何標(biāo)簽;在應(yīng)答時(shí)隙中可以正確識別一個(gè)標(biāo)簽;當(dāng)一個(gè)時(shí)隙中有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送應(yīng)答時(shí),就會產(chǎn)生碰撞,形成碰撞時(shí)隙。碰撞的標(biāo)簽退出當(dāng)前循環(huán),等待參與新的幀循環(huán)。
在幀時(shí)隙 ALOHA 算法中,信道的利用率有所提高。幀時(shí)(Frame time)表示發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長度的幀所需的時(shí)間,吞吐率表示平均每幀時(shí)成功傳送的幀數(shù),幀產(chǎn)生率表示每幀時(shí)嘗試傳送幀的總次數(shù)。分析表明,幀時(shí)隙ALOHA算法的信道吞吐率S與幀產(chǎn)生率G之間的關(guān)系為
例如,計(jì)算可以得出,當(dāng) G = 0.5 時(shí),信道吞吐率 S = 0.368%。