（通信与信息系统专业论文）基于rfid系统防碰撞技术的研究和实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 潜在的市场和经济价值促使无线射频识别( r f i d ) 系统的研究与应用迅速 发展，使r f i d 技术有可能成为继移动通信技术、互联网技术之后又一项影响 全球经济与人们生活的新技术。尤其超高频r f i d 应用具有较高的商业价值， 但由于标准、技术和价格等多方面因素限制了应用市场进一步拓展。因此，针 对超高频r f i d 系统关键技术的研究，对中国r f i d 标准和技术的发展成熟具有 极其重要的意义。 为了更深入地研究系统关键技术一防碰撞技术，就要充分把握整个r f i d 系统的原理。论文首先在整体上概述分析射频识别系统，着重介绍超高频段系 统的传输、编码、调制的原理和特点。作者结合参与的上海电信研究院项目， 给出针对会展行业提出的r f i d 应用开发系统的解决方案和设计，此系统能解 决目前会展人工检录、会议签到、信息服务等应用的实际效率低下和观众资料 信息统计难等问题，具有较好的市场前景。作者分析了在系统测试中出现错误 的原因和解决方法。 在系统研究的基础上，论文从读写器冲突和标签防碰撞机制两个方面进行 研究：( 1 ) 重点分析i s 0 1 8 0 0 0 6 c 标准中非强制性规范密集读写器模式，详细 阐述读写器和标签通道划分。作者分析了在硬件上采用带通滤波、跳频和解码 滤波来解决和减少冲突问题的思路，并提出读写器各模块划分的思想，给出锁 相环部分设计和c r c 校验算法实现，为读写器冲突解决和硬件设计提供指导： ( 2 ) 作者分析了多标签防碰撞方案框架，针对盘存标签流程中帧调整过于频繁 和调整理论依据不足问题，改进盘存流程，引入动态帧时隙a l o h a 算法，提 出后验估计标签数( 盼盯) 和基于简单碰撞率( s c r ) 反馈调整帧长方法。经 m a t l a b 7 0 仿真模拟验证，两者均符合设计要求，与基于q 分段调整方法相比， e n t 方法具有调整频度适当，系统效率高和时间消耗小的优势；s c r 反馈方法 动态性略差，但具有复杂度小和实现简单特点，它们能分别适应不同应用场合。 关键词：射频识别，防碰撞方案，读写器冲突，帧时隙a l o h a v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sap o t e n t i a lm a r k e ta n de c o n o m i cv a l u et oa c c e l e r a t ea p p l i c a t i o n so ft h e r f i dt e c h n o l o g y , a n di ti sp r o b a b l et ob e c o m ea n o t h e rn e wt e c h n o l o g yt h a ti m p a c t g l o b a le c o n o m i ca n dp e o p l e sl i v e sa f t e rt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d i n t e m e tt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yt h eu l t r a - h i g hf r e q u e n c y ( u h f ) a p p l i c a t i o n sw i t h h i g h e rc o m m e r c i a lv a l u e ，h o w e v e r , b e c a u s eo ft h es t a n d a r d s ，k e yt e c h n o l o g i e sa n d c o s t ，a n do t h e rr e a s o n s ，i t sa p p l i c a t i o n sa r ev e r yf e w a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho f r f i ds y s t e mb a s e do nu h fi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s e r f i ds t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y i no r d e rt om o r ed e e p l ys t u d yo fa n t i c o l l i s i o nt e c h n o l o g y , i ti se s s e n t i a lt o g r a s pt h ee n t i r es y s t e m t h i sp a p e rf i r s tt a k e sa no v e r v i e wo ft h er f i ds y s t e m s f o c u s i n go nt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - h i g hf r e q u e n c yt r a n s m i s s i o n s y s t e m ，c o d i n ga n dm o d u l a t i o n t h ea u t h o rc o m b i n e sw i t ht h ep r o j e c tp a r t i c i p a t e di n t h es h a n g h a it e l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hi n s t i t u t e ，a n dw i t hh e r t e a mp r e s e n t st h es y s t e ms o l u t i o n sa n dd e s i g no fr f i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tf o r t h ee x h i b i t i o ni n d u s t r y t h i ss y s t e mh a sag o o dm a r k e tp r o s p e c t sa n da p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s ，w h i c hc a l ls o l v et h ep r o b l e m so fc u r r e n te x h i b i t i o ni n e f f i c i e n c y a p p l i c a t i o n s ， s u c ha sr e c o r d e dm a n u a l l y ,m e e t i n ga t t e n d a n c ea n di n f o r m a t i o n s e r v i c e s ，a n dt h a tt h es t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no fa u d i e n c ed a t ai sd i f f i c u l t t h ea u t h o r a l s oh a sf o u n dan u m b e ro fe r r o r $ i nt h es y s t e mt e s ta n dg i v e nan u m b e ro fe f f e c t i v e m e a s u r e st od e a lw i t h o nt h eb a s i so fs y s t e mi n t r o d u c t i o n ，t h ea u t h o rf o c u s e so nt h ec o n f l i c to ft h e r e a d e r sa n dt h et a g sa n t i c o l l i s i o nm e c h a n i s m f i r s t l y , t h ep a p e rf o c u s e so na n a l y s i s o ft h ei s 018 0 0 0 6 cs t a n d a r dn o n - m a n d a t o r yd e n s er e a d e rm o d e ( d r m ) ，a n ds h o w s t h ed e t a i lo fr e a d e r sa n dt a g sc h a n n e ld i v i s i o n t h e nt h ea u t h o ra n a l y z e st h e h a r d w a r eu s e di nt h es y s t e m ，s u c ha sb a n d p a s sf i l t e r i n g ，f r e q u e n c yh o p p i n ga n d d e c o d i n gf i l t e r i n g ，t or e d u c et h ec o n f l i c tp r o b l e m s w h a t sm o r e ，t h ea u t h o rp r o p o s e s v i 上海大学硕士学位论文 t h ed i v i s i o no fm o d u l a rd e s i g nc o n c e p tf o r t h er e a d e ra n ds h o w st h ep a r t i a ld e s i g no f p h a s el o c k e dl o g i ca n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fc y c l i cr e d u n d a n c yc h e c ka l g o r i t h m ， w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o l u t i o no f r e a d e rc o n f l i c t s e c o n d l y , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ef r a m e w o r ks c h e m eo fm u l t i - t a g s a n t i c o l l i s i o n ，a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m st h a tt h ef r a m ef o ra d j u s t m e n ti st o oo f t e n a n dt h et h e o r yf o ra d j u s t m e n ti sn o te n o u g hi nt h ei n v e n t o r yp r o c e s so ft a g s ，t h e a u t h o ri n t r o d u c e sd y n a m i cf r a m es l o t t e da l o h aa l g o r i t h m ，p r e s e n t san e wm e t h o d u s e di nt h ei n v e n t o r ya d j u s t m e n tb ya c c u r a t e l ye s t i m a t i n gt h en u m b e ro ft a g s ( e n t ) a n dan e ws i t u a t i o nf e e d b a c kb a s e do ns i m p l ec o l l i s i o nr a t i o ( s c r ) t oa d j u s tt h e f r a m e w em a k et h es i m u l a t i o nb ym a t l a b 7 0t ov e r i f yt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fb o t h m e t h o d sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c o m p a r i n gt ot h em e t h o do fqs u b - r e g u l a t i o n ， t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a te n tm e t h o ds y s t e me f f i c i e n c yi sh i g h e r ，s l o t s c o n s u m p t i o ni ss m a l l e ri nt h ec o n d i t i o no fs u i t a b l ef r a m e f r e q u e n c ya d j u s t m e n t ；a n d t h ed y n a m i c i t yo fs c rf e e d b a c km e t h o di ss l i g h t l yw o r s e ，b u tw i t ht h el o w e r c o m p l e x i t ya n ds i m p l e ri m p l e m e n t a t i o n ，也e yc a na d a p tt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：r f i d ，a n t i c o l l i s i o ns o l u t i o n , r e a d e rc o n f l i c t ，f r a m e s l o t a l o h a v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丞垂日期：翌互兰：多 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑半导师签名：j 毫皇l 日期：旦犁 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海电信技术研究院企业与综合产品开发项目，项目编号： 0 7 c 2 s h 0 2 3 3 - 0 31o a 。 近年来，全球无线产业呈现出新的发展态势围绕信息化与网络化无线 技术与应用日益走向融合，泛在( u b i q u i t o u s ) 网络也在逐渐发展。泛在网络 ( u b i q u i t o u sn e t w o r k i n g ) 最初由日本提出，其含义指无所不在的信息网络。 这个概念得到了信息产业界广泛的关注和认同。而未来泛在化的信息网络，离 不开多样化无线技术的支持。主要包括以下几个方面： 移动通信技术正在逐步实现向3 g b e y o n d3 g 演进。w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 技术的带宽增强型技术不断推出，如h s d p a h s u p a 大幅度 提升了3 g 系统的数据传输和承载能力。我国的t d s c d m a 技术的外场测 试取得了较好的效果，已经开始商用。b e y o n d3 g 技术已被提上议事日程， 2 0 0 8 年，i t u 的全球提案征集工作已启动。 宽带无线接入技术获得较快发展，商用规模扩大。无线局域网技术标准不 断创新完善，8 0 2 1 1 系列标准的传输速率正在寻求新的突破，网络安全技 术研究也取得了较大进展。w i m a x 技术在全球也获得高速发展，特别是移 动w i m a x 技术成为关注焦点，韩国k t s k 、美国s p r i n t 等先后建立了商 用网络。 短距离微功率无线技术也十分活跃，正向多个领域渗透。r f i d 技术正在向 低成本化、智能化、标准化方向迈进。短距离通信n f c ( n e a rf i e l d c o m m u n i c a t i o n ) 技术可适应极短的距离内进行通信的业务需求，实现移动 商务如信息卡、手机钱包等功能。“物联网”的提出，使r f i d 技术的前景 更广阔，它将会促使构造一个实现全球物品信息实时共享的物品“i n t e m e t ， 变革目前的商品零售结算、物流配送及产品跟踪管理模式。 从2 0 0 3 年沃尔玛和美国国防部大力推进r f i d 应用以来，全球r f i d 行业 得到快速的发展。总体来说，低、高频的r f i d 技术应用较成熟，超高频和微 上海大学硕士学位论文 波的r f i d 项目尚属于试验阶段。标准和成本是制约r f i d 发展的关键因素。 2 0 0 7 年6 月，上海电信技术研究院产品开发部承接了“会展行业解决方案 应用开发 项目。本人参与上海电信研究院的“会展行业解决方案应用开发 项目的预研工作，部分编码和测试工作。本项目的技术研究内容包括建设会展 行业门户、开发“观众身份识别及资料统计服务”、开发“组展商招展及现场管 理服务 。其中开发“观众身份识别及资料统计服务 ，是指利用r f i d 技术， 将读写器作为识别设备，电子标签嵌入会展门票( 或卡) ，并结合计算机信息处 理系统，应用于专业展览或大型展览的专业观众媒体贵宾，解决大型会展中观 众信息采集、身份识别、流量管理、展台信息读取、观众资料统计分析等难题。 同时所收集到的有效观众信息也有利于参展企业进行长期、稳定的增值应用推 广。本课题是在项目的基础上进行扩展研究，主要是对r f i d 系统的关键技术、 国际标准、相关的硬件做一些研究工作，重点是对防碰撞技术的深入研究。作 为r f i d 系统关键技术之一，防碰撞技术性能影响到多标签的识别率和识别的 准确度，更能增加系统的安全性能。 1 2 课题研究的意义和目的 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是利用感应、无线 电波或微波能量进行非接触双向通信，实现识别和交换数据目的的自动识别技 术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干 预。r f i d 技术与现有的条形码相比，具有防磁、耐高温、使用寿命长、读取距 离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。 r f i d 技术与互联网、通讯等技术结合，可以实现全球范围内物品跟踪与信息共 享。r f i d 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可以大幅提高管理与 运作效率，降低成本。因此，研究r f i d 技术，发展r f i d 产业对提升社会信息 化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全 等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义【l 】。 在国内r f i d 应用以低频和高频为主，它们的标准、技术发展和应用都较 为成熟。超高频应用虽具有更高的商业价值，但是由于标准、技术和价格等多 方面原因，应用较少且几乎全部为小规模试点应用。因此，超高频r f i d 系统 2 上海大学硕士学位论文 的研究，对中国标准和技术的发展成熟具有重要的意义，同时对物流管理和未 来物联网的建立，也具有深远的意义。而对超高频系统来说，由于识别的距离 远，通常会在识别范围内存在十几个，甚至更多的识别目标；另一方面，为了 提高识别的效率和准确率，在一定的应用情景下，需要布置多台读写设备，因 此对r f i d 系统防碰撞技术的研究有助于系统的完善和功能充分发挥，同时为 发展和完善r f i d 防碰撞方案提供理论依据和工程指导，相信作者的研究可以 为我国制定r f i d 标准作一些微薄贡献以及作为建立未来的泛在网络的技术储 备，期望中国r f i d 标准早日出台。 1 3 国内外发展和研究现状 ( 1 ) r f i d 系统发展和研究现状 从r f i d 系统发展来看，国内外在标准、应用方面发展均衡有一定的差距。 标准方面，目前低频r f i d 标准较为成熟，超高频r f i d 标准初步形成，但市场 仍呈现多种标准并存的局面，很多研发厂商处于徘徊观望中。从全球范围来看， 美国已经在r f i d 标准建立、软硬件技术开发、应用等方面走在世界前列。欧 洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg l o b a l 标准，在封闭系统应用方面与美国基 本处于同一阶段。e p cg l o b a l 的g e n 2 标准在2 0 0 6 年3 月得到i s o 的批准认可， 以1 8 0 0 0 6t y p ec 的形式，纳入i s o 标准体系。日本提出了u i d 标准，但支持 者主要是本国厂商。韩国政府对r f i d 给予高度重视，但标准一直模糊，直到 2 0 0 7 年4 月，韩国移动通信专用微波射频自动识别( m r f i d ) 服务技术个 体标识符技术( o b j e c ti d e n t i f i e r ) 获得国际标准化组织( i s o ) 批准，正式成为 国际标准。标准方面，中国起步较晚，在u h f 频段标准问题一直没有解决好， 导致频率一直没有开放，直到2 0 0 7 年4 月2 0 日，我国信息产业部正式发布 ( ( 8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用试行规定的通知，规划了 8 0 0 9 0 0 m h z 频段r f i d 技术的具体使用频率范围( 8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 和 9 2 0 m h z 9 2 5 m h z ) ，但标准迟迟没有出台，主要是因为中国r f i d 产业整体还 较弱，还不到推出国家标准的时机。 在亚洲，韩国和日本一直非常重视对r f i d 技术的研究和开发。韩国在r f i d 方面的行动主要是开展i t 8 3 9 计划，一个针对“泛在”识别网络技术的研究。 3 上海大学硕士学位论文 日本的r f i d 研发是每年由政府提供专门经费，用于r f i d 标签的研发和测试。 而国内绝大部分射频识别标签和读写器的专用芯片都是依靠进口。铁道部在中 国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动 识别系统。这是国内采用r f i d 唯一的一个全国性网络，但这个系统目前还是 封闭的，无法和其它系统相连接。国内多数公司的射频识别产品都只是在国外 公司芯片的基础上做二次开发，成本昂贵且易在一些重要场合留下安全隐患。 因此研究开发具有自主核心技术的射频识别系统具有非常重要的意义。 在国内，交通行业是目前r f i d 行业应用模式最成功的行业。在“中国r f i d 行业十大最有影响力成功应用案例”中，关于交通车辆的应用占据了4 0 ，主 要是因为首先交通行业对于自动识别和管制的需求非常强烈，而对标签成本的 敏感度也相对较低，目前的r f i d 交通应用一般不需要防碰撞识别功能，r f i d 技术能够稳定满足系统的性能要求。但r f i d 技术是一种具有多种优点的自动 识别技术，它在其它各个行业同样有着巨大的应用潜力，如物流、零售、医疗、 军事、制造、动物识别、煤矿行业等。每个行业都有自己独特的应用环境和应 用模式，有些要求高性能的防碰撞读取能力，有些要求超强的防伪能力，有些 是要求工作在高温高压的恶劣应用环境，这就要求我们不断发展和完善r f i d 的关键技术，使之达到特定应用环境的要求。 目前，r f i d 技术在各项应用中的研究主要集中在天线设计和制造、防碰撞 技术、安全和隐私保护、读写器和标签的设计、针对某些特殊领域的应用软件 开发，应用领域解决方案的开发。 ( 2 ) 防碰撞技术的研究 r f i d 系统防碰撞技术，主要分为标签防碰撞和读写器防冲突( “碰撞 和 “冲突”是同一个意思，只是习惯称呼不同) 。对于标签防碰撞机制，同时考 虑简单易实现和成本，目前研究最多的是基于时分多址的两类基本算法： a l o h a 和二进制树搜索的改进算法。意大利g b i n e t t i 等人提出混合防碰撞算 法 2 】，该算法采用哈希函数构造查询树，再结合帧时隙a l o h a 算法，在平均 延迟性能上与二进制树搜索相同，但在功耗上有所降低。其他算法【3 - 7 】均是在这 两种基本算法的基础上进行的改进。总体来说，在低频段，标签的防碰撞算法 一般采用a l o h a 协议。使用a l o h a 协议的标签，通过选择一个随机的时刻 4 上海大学硕士学位论文 向读写器传送信息的方法来避免碰撞( 冲突) 。而在4 0 0 , - - 1 0 0 0 m h z 的超高频 ( u h f ) 频段，可采用改进a l o h a 和二进制搜索算法避免冲突。同a l o h a 协议相比，二进制搜索算法泄漏的信息较多，安全性较差。 除以上两种时分多址( t d m a ) 访问方式外，还有频分多址( f d m a ) 和 码分多址( c d m a ) 访问方式的防碰撞算法，主要应用于u h f 频段和2 4 5 g h z 的微波频段等宽带场合中。东南大学王平等人给出了基于c d m a 的超高频防碰 撞机制的电路设计方案【8 】，探讨了标签识别数与功耗的关系。 对于读写器冲突问题，美国e n g e l s d w 等人提出了一种简单分布式在线算 法1 0 l o r w a v e 算法【9 】，清华大学王东等人提出一种通过增加协作中心分享邻 近读写器群中的标签信息来解决读写器冲突的方法【1 0 1 。英国剑桥大学h o j 提出 一种分等级的h i q 在线学习算法 1 ，该算法通过学习读写器冲突模式和有效地 在时间上分配不同频率给邻近读写器以最小化读写器之间的冲突。国立台湾大 学林春夫等人通过仿真将褪火算法应用于r f i d 读写器网络来解决读写器间的 冲突问题 1 2 】。总体来说，读写器问冲突问题理论研究较多，算法相对复杂，实 际应用并不多。 1 4 论文主要研究内容与难点 本文作者在系统介绍r f i d 系统的前提下，结合参与的上海电信研究院项 目，给出针对会展行业提出的r f i d 应用开发系统的解决方案和设计。该方案 借助r f i d 接入系统，可以提高场馆的商业竞争力和实现管理信息化、自动化 目标，改善目前会展人工检录、会议签到、信息服务等应用的实际效率低下和 观众资料信息统计难等问题，具有较好的市场前景和应用需求。 然后作者进一步拓展研究r f i d 系统关键技术，主要是针对r f i d 系统防碰 撞技术的研究，详细阐述标签和读写器发生碰撞冲突的原因以及各种算法特点 与优劣对比分析，同时作者将多标签和多读写器分为两类情况进行研究。多读 写器冲突问题的研究着重是对现有的标准规范的分析，再从硬件实现和技术的 角度出发，阐述采用哪些手段实现解决冲突这一目标，同时探讨了密集读写器 模式的相关设计。对于多标签碰撞问题，作者通过采用更好的防碰撞机制，尽 量避免碰撞来实现高的系统效率，作者在改进系统盘存流程的同时，引入动态 5 上海大学硕士学位论文 帧时隙a l o h a 算法，提出后验估计标签数( e n t ) 和基于简单碰撞率( s c r ) 反馈调整帧长方法。并采用仿真验证设计的正确性和有效性，能够满足平均系 统效率达到较为理想的效果。 本课题的研究内容主要涉及：超高频r f i d 系统、a l o h a 和二进制树搜索 算法思想及其改进、读写器和标签部分原理、多址技术以及防碰撞方案整体流 程和设计。作者在进行本课题研究时，曾经遭遇过诸多的困难，但都通过各种 方式各个击破，作者认为主要有以下两个方面难点。 ( 1 ) 系统性 r f i d 系统具有整体性，涉及的内容很广泛，尤其是超高频系统标准才初步 形成，部分内容只是规范说明，相关资料很难查询。 在作者刚开始接触r f i d 概念时，由于系统内容较多和纷杂，作者经过一 段时间查阅资料，逐步理清了整个系统原理和组成。然后根据系统的组成，将 系统分成读写器、射频标签与天线、中间件以及应用系统和网络进行介绍，为 进一步知晓每个组件的构成，研读了大量的关于标签和读写器设计文献。为了 论文有整体和系统性，作者阐述了r f i d 不同分类系统的特点和标准规范，特 别对超高频系统特征进行详细的分析。 虽然r f i d 系统不同于陆地无线通信系统，但在研究整个系统时，原理总 有相通之处，如多址技术，调制技术。在涉及到其它无线通信知识时，如雷达 通信原理，查阅相关资料进行对比分析异同。 在应用开发部分，把高频系统作为一个整体研究。通过充分利用整个系统 短距离类自动识别功能，调研会展行业目前需要解决的问题，与预研小组同事 共同提出可以与电信已有的品牌业务综合应用开发方案，并在测试中发现与分 析问题，与团队合作共同讨论解决未知问题。 目前大多数文献研究的防碰撞技术，要么针对标签防碰撞，要么针对读写 器间的冲突问题，部分文献甚至对研究对象含混不清，作者综合研究把这类问 题统称为防碰撞技术，并且分为两个方面进行分别研究，在总体上将防碰撞技 术作为一个系统性课题进行研究。 ( 2 ) 仿真性与工程实现性 在论文中，作者针对系统中两类碰撞冲突问题进行透彻的分析，并对各个 6 上海大学硕七学位论文 算法的性能和特点进行了研究。如基于时分多址的a l o h a 和二进制树搜索算 法，a l o h a 算法改进多是通过增加成功读取时隙数比例来提高系统吞吐量或 效率，二进制树搜索算法多是通过减少交换数据量来提高系统执行效率。而解 决读写器间冲突的各类经典算法，多是通过对读写器之间时隙或频率的协调分 配进而减少相互冲突。 通过钻研i s 0 1 8 0 0 0 6 和e p c 标准规范，针对密集读写器( d r m ) 模式进 行分析，这部分内容标准中只有框架说明，关于d r m 模式没有文献可供参考。 作者探讨部分的硬件设计，并给出读写器模块划分设计思想。对于标签防碰撞 方案整体流程和设计，作者作出的改进流程创新性尝试并不困难，但关于仿真 实验部分，几乎没有文献涉及如何仿真问题，作者通过在充分利用各种网络资 源的前提下，访问专业网站和论坛，相互交流寻求帮助，并且利用m a t l a b 7 0 作为仿真工具，再经过逐步改进终于顺利完成这部分内容。在仿真实验中作者 验证了理论分析结果，大大减少了帧调整频度，并在系统效率和时隙消耗保持 优越性。同时在仿真时也发现了一些问题，作者给出进一步改进的方法，e n t 方法可以折衷考虑系统效率与帧调整频度的关系，s c r 方法动态性略差，适用 于已知标签数，若要改进，可以联合考虑碰撞率和空闲率，改善它的动态性。 1 5 论文结构安排 本论文共分为七章，重点章节是第四章、第五章和第六章，各章节主要内 容提要如下： 本文第一章阐述了课题研究的来源、研究目的意义以及国内外在r f i d 系 统整体发展和研究现状以及防碰撞算法研究情况，说明了作者选择本课题的目 的和意义。接着概括性的介绍课题研究的主要内容，并剖析了作者在研究的过 程中遇到的困难，同时也举例说明作者解决办法和总结方法。最后给出了整篇 文章的结构安排提要。 第二章系统地分析了射频识别系统的组成和工作原理，介绍了低频、高频、 超高频及微波系统的特点，着重阐述了超高频系统调制解调及编码技术等。 第三章主要介绍了作者参与的电信技术研究院项目。在项目中，作者和团 队成员共同提出了应用于会展行业的r f i d 高频系统解决方案，并介绍了该系 7 上海大学硕士学位论文 统的结构和功能，也展示了接口设计的一些细节问题。在实际测试中，作者发 现了不少问题，萌发了拓展研究射频识别系统及其关键技术的想法。 第四章主要是对防碰撞技术的整体性研究。作者针对标签防碰撞机制两种 基本的算法以及改进算法展开研究，通过分析得出结论；作者还针对读写器和 标签间的冲突问题进行了深入的研究，列举前人文献中提出的算法解决途径， 分析它们的优缺点。 第五章对多读写器防冲突机制进行研究，主要针对实际工程应用标准进行 分析和总结。在实际的工程应用中，采用的多是时分和频分结合解决读写器之 间的干扰问题。作者分析现有的1 8 0 0 0 6 c 中非强制规范内容：密集读写器模式。 在此模式下，系统是如何实现多读写器间干扰冲突问题以及采用的硬件实现探 讨，并研究与解决冲突相关的技术，为读写器的硬件设计提供指导。 第六章是本论文重点章节，作者首先比较i s 0 1 8 0 0 0 6 标准三个类型协议多 标签碰撞算法异同以及各自的特点。重点分析主流标准i s 0 18 0 0 0 6 c 防碰撞方 案框架，多标签防碰撞算法的特点以及盘存标签流程，针对标签帧调整过于频 繁问题，引入动态帧时隙a l o h a 算法，提出两种可使用在标签盘存中帧长度 调整算法，即通过准确估计标签数( e n t ) 或多标签碰撞率情况( s c r ) 反馈 调整帧长。经仿真模拟验证其系统效率、总时隙消耗和帧调整次数符合标签清 点的流程特点。 第七章在总结全文的基础上，给出进一步研究防碰撞技术的一些建议以及 展望r f i d 的发展前景。 8 ：海大学顾十学位文 第二章射频识别系统概述 2 1 系统的组成 拱本的r f i d 系统由四个部分组成：读写器( r e a d e r ) 、射频卡h 不签( t a g ) 、 天线( a n t e n n a ) 、应用管理系统。近年束又出现中间件的新概念( 如图2i 所 不) 接下来将分小节详细蜕明各自的功能。 2 i 1 读写器组成和功能 雉机 隧 r s 2 3 2u s b 接l j 葛 刚2 i 射频识别系统图 读写器是射频识别系统的重要组成部分之一，根据具体实现功能也称为：询 问机，阅读器，识读器，读卡器等，论文中统称为读写器，可以设计为固定式或 手持式。 ( 1 ) 读写器的基本构成 读写器的基本构成分为硬件和软件两部分。硬件由天线、通信模块、控制模 块、接口电路等构成。天线有时是外置的，也可以是集成的。它是读写器与射频 标签通信的媒介，用来接收和发射电磁能量。通信模块完成射频通信中一些基本 的调制、解调、功率放大等功能。而控制模块根据不同的性能要求，在不同的应 用场合可以有多种实现方式。系统r f l 的接u 电路根据需要包括：键盘控制接口、 和计算机相连的r s 2 3 2 接口、和p d a 相连的c f 接口以及l c d 液晶显示驱动接u 等，还包括一些时钟产生电路等辅助电路。软件部分都是生产厂家在产品出一时 上海大学硕士学位论文 固化在读写器模块中的，负责对读写器接收到的指令进行响应和对标签发出相应 的动作指令 1 3 】。主要包括： 曲控制软件( c o n t r o l l e r ) ，负责系统的控制和通信，控制天线发射的开、关， 控制读写器的工作模式，完成与主机之间的数据传输和命令交换等功能。 b ) 导入软件( b o o tl o a d e r ) ，主要负责系统启动时导入相应的程序到指定的 存储器空间，然后执行导入的程序。 c ) 解码软件( d e c o d e r ) ，负责将指令系统翻译成机器可以识别的命令，进而 控制发送的信息，或者将接收到电磁波模拟信号转换成数字信号，进行数据解码、 防碰撞处理等功能。 读写器的任务是控制射频收发器发射射频信号，通过射频收发器接收来自标 签上已编码射频信号，对标签的认证识别信息解码；将认证识别信息连带标签上 其它相关信息传输到计算机系统以供处理。读写器硬件部分结合协议命令完成对 标签的读写操作，具体可配合实际应用需求。 ( 2 ) 读写器系统模式与工作原理 通常情况下，读写器应根据射频标签的读写要求以及应用需求情况来设计。 随着射频识别技术的发展，读写器也形成了一些典型的系统实现模式。如图2 2 所示，为读写器基本的工作原理图。从最基本的原理出发，可以得出读写器遵循 图2 2 读写器工作原理图 图2 3 所示为基本的功能模式，读写器与标签之间通过空间信道实现发送和 接收响应命令，以实现射频识别。 l o 上海大学硕士学位论文 设备配 立用命z 应用命 命令响应 单元 标签读写 命令与映 射规则 设备配 置命令 逻辑内存 标签存储内容 型圈 接口i i 鉴垄! i 一 响应一 数据协议处 物理 理器 读写器 图2 3 读写器系统功能模式图 在r f i d 应用系统中，一般情况下，通过读写器实现对射频标签数据无接触 收集或由读写器向射频标签写入的标签信息均要回送到应用系统或来自应用系 统，形成读写器与应用系统程序之间的接n a p i 。通常情况下，要求读写器能够 接收来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令或约定的协议做出相应的响 应( 回送收集到的标签数据等) 。 2 1 2 射频标签与天线 射频标签也称电子标签( t a g ) 、智能标签( s m a r tl a b e l s ) 。每个标签具有唯 一的电子编码( e p c ) 和一定的存储容量，可以附着在物体上用于标识目标对 象。目前大多数应用中的r f i d 系统使用的是低频和高频的标签，u h f 标签更 适合未来远距离识别环境，以及物流和商业链中的应用。 具体来说，标签是由耦合文件及微芯片组成，其中包含加密逻辑、串行 e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器) 、微处理器c p u 和射频收发等相 关电路。电子标签具有智能读写和加密通信功能，它是通过无线电波与读写设 备进行数据传输，工作能量是由读写器发出的射频脉冲提供。 根据供电方式，可将标签分为有源标签和无源标签。有源电子标签识别距 离较长，可达十几米，但是它的寿命有限( 3 1 0 年) ，价格较高；无源电子标 签不含电池，它接收到读写器发出的微波信号后，利用读写器发射的电磁波提 应用程序接口pi l il i l i l i i 上海大学硕士学位论文 供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射 距离受限制，一般是几十厘米到几米，且需要读写器的发射功率大。 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式标签和被动式标签。主动式 的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的 应用中，距离较远( 可达3 0 米) 。被动式的电子标签，使用调制散射方式发射 数据，它必须利用读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通应用中使 用。目前广泛应用的大多是无源被动式标签。 根据载波频率，可以分为低频、高频、超高频和微波四种标签。低频标签 有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种典型频率，高频标签典型频率为1 3 5 6 m h z ，超高 频标签典型频率为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z ，微波标签典型频率2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。 天线用于在标签和读写器间传递射频信号。标签的天线一般集成在标签内 部，读写器的天线，可以集成读写器内部，也可以单独分离出来。 对于u h f 以上频段的r f i d 系统而言，读写器和标签工作时就相当于一组 无线电发射机和接收机。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到 天线，由天线以电磁波的形式辐射出去。电磁波到达接收点后，由无线电接收 机的天线接收( 仅是发射功率中很小的一部分) ，并通过馈线送到接收机。可 见，天线是需要发射和接收电磁波的无线电设备中不可缺少的重要组成部分。 天线按方向性分有：全向天线、定向天线等；而按外形，天线可分为线状天线、 面状天线和板状天线等。对于高频段的r f i d 系统，在重点考虑天线的尺寸的 前提下，可选的天线主要有对数螺旋天线、微带面天线和半波振子天线及其变 形【1 4 1 。 2 1 3 中间件 随着r f i d 技术的逐渐普及，在其应用过程中大量信息的传输将会产生数 据爆炸效应，如何管理和合理利用这些数据，取决于应用软件的设计和性能。 为了使r f i d 应用软件和服务质量更高效、可靠，使其开发适应快速变化的各 种业务需求，引入r f i d 中间件技术。r f i d 中间件在企业应用中的位置如图2 4 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 r f i d 中间件 图2 4r f i d 中间件在企业应用中的位置 随着中间件技术的不断发展完善，r f i d 中间件需要具备以下特性：读写设 备管理、应用集成、协同软件集成、过程管理和应用开发、动态平衡和数据过 滤、标准整合、封装的r f i d 技术内容。 2 1 4 应用系统和网络 r f i d 应用系统包括前端的数据采集系统、中间件以及根据一定的业务规则 进行的数据传输、后台和r f i d 数据系统相关的业务系统，如客户关系管理 ( c 1 w ) 、企业资源计划( e r p ) 、供应链管理( s c m ) 、( 仓库管理系统) w m s 盘蟹 号宇o r f i d 网络系统基本功能是实现对较大型r f i d 应用系统中多个读写器网络 化、集成化管理。多读写器网络系统的拓扑实现方式可以是以下3 种： ( 1 ) 每个读写器的通信串口和多串口卡相连，再将它的输出端口( 串口) 和计算机系统相连，计算机对数据进行本地过滤、存储等操作后接入局域网或 者远程网络，如图2 5 a 所示。 ( 2 ) 每个读写器直接和计算机相连，计算机经过本地数据处理后按照一定 的协议向数据库或者获准授权使