射频识别技术第四章

1、第四章第四章 RFID的标签识别协议的标签识别协议 RFID系统的两种冲突系统的两种冲突 阅读器之间的干扰冲突，由多个阅读器阅读器之间的干扰冲突，由多个阅读器 同时发送信号引起同时发送信号引起 标签标签之间的冲突干扰，由多个标签同时之间的冲突干扰，由多个标签同时 响应阅读器引起响应阅读器引起 三种防冲突协议三种防冲突协议 基于时分多址（基于时分多址（TDMA）的防冲突协议）的防冲突协议 基于频分多址（基于频分多址（FDMA）的防冲突协议）的防冲突协议 基于载波侦听多路访问（基于载波侦听多路访问（CSMA）的防）的防 冲突协议冲突协议 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 纯纯AL

2、OHA算法算法 工作原理：站点只要产生帧就立即发送，在规工作原理：站点只要产生帧就立即发送，在规 定时间内收到应答则发送成功，否则重新发送。定时间内收到应答则发送成功，否则重新发送。 重发策略：等待一段随机的时间再次发送，若重发策略：等待一段随机的时间再次发送，若 再次冲突，则再等待随机时间后发送，直到不再次冲突，则再等待随机时间后发送，直到不 再冲突。再冲突。 优点：简单易行优点：简单易行 缺点：极容易产生冲突缺点：极容易产生冲突 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 纯纯ALOHA算法用于算法用于只读系统只读系统。当应答器进入。当应答器进入 射频能量场被激活以后，它就发送存储

3、在应答射频能量场被激活以后，它就发送存储在应答 器中的数据，且这些数据在一个周期性的循环器中的数据，且这些数据在一个周期性的循环 中不断发送，直至应答器离开射频能量场。中不断发送，直至应答器离开射频能量场。 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 时隙时隙ALOHA算法算法 （S-ALOHA） 把纯把纯ALOHA算法的时间算法的时间分为离散的时间段分为离散的时间段 (时隙时隙)，每个时隙大于或等于标签标识符发，每个时隙大于或等于标签标识符发 送的时间长度，每个标签只能在时隙开始时送的时间长度，每个标签只能在时隙开始时 刻发送标识符刻发送标识符. ISO/IEC14443 TYPEB

4、采用采用的就是的就是这种这种算法算法 作为作为防碰撞算法防碰撞算法 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 基于帧的时隙基于帧的时隙ALOHA算法算法 在在S-ALOHA算法的基础上，将若干个时隙算法的基础上，将若干个时隙 组织为一帧，阅读器以组织为一帧，阅读器以帧帧为单元进行识别，为单元进行识别， 就形成了基于帧的时隙就形成了基于帧的时隙ALOHA算法（算法（FSA） FSA算法算法是目前是目前RFID系统中最常用的一种系统中最常用的一种 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 FSA算法思想算法思想 每一每一帧开始阅读器广

5、播下一帧的长度帧开始阅读器广播下一帧的长度f，并，并 激活区域内的所有标签激活区域内的所有标签 每个标签在接收到帧长每个标签在接收到帧长f后，随机独立地在后，随机独立地在 0(f-1)之间选择一个整数作为自己发送标识之间选择一个整数作为自己发送标识 符的时隙序号符的时隙序号SN，并将其存在寄存器中，并将其存在寄存器中 在下一在下一帧的每个时隙开始，如果标签帧的每个时隙开始，如果标签SN的的 值等于值等于0则立即发送标识，否则零则立即发送标识，否则零SN=SN-1 且不发送标识且不发送标识 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 如果有冲突发生，则标签进入等待状态，在下如果有冲突发生

6、，则标签进入等待状态，在下 一帧重新选一个时隙发送标识符一帧重新选一个时隙发送标识符 阅读器不断重复上述过程，直到在某一帧中没阅读器不断重复上述过程，直到在某一帧中没 有收到任何标签信号，则认为所有标签均被识有收到任何标签信号，则认为所有标签均被识 别别 FSA算法中有三种时隙，算法中有三种时隙，空时隙、单时隙空时隙、单时隙和和冲冲 突时隙突时隙。只有。只有单时隙单时隙阅读器才可以成功识别一阅读器才可以成功识别一 个标签。个标签。 4.1 基于基于ALOHA的防冲突算法的防冲突算法 FSA算法中帧长是固定的，当标签个数远大于算法中帧长是固定的，当标签个数远大于 帧长时，发生冲突的概率会增加，识

7、别标签的帧长时，发生冲突的概率会增加，识别标签的 时间也会极大的增加。时间也会极大的增加。 标签个数远小于帧长时又会造成时隙的浪费。标签个数远小于帧长时又会造成时隙的浪费。 理论理论证明，当证明，当帧的长度等于阅读器场内标签数帧的长度等于阅读器场内标签数 目时，目时，FSA才能获得最佳的识别性能才能获得最佳的识别性能。 4.2 基于二进制数的防冲突算法基于二进制数的防冲突算法 基于二进制数的防冲突算法思想基于二进制数的防冲突算法思想 按照按照递归的方式将冲突的标签集合划分成两个递归的方式将冲突的标签集合划分成两个 子集，直到集合中只剩下一个标签为止子集，直到集合中只剩下一个标签为止。 划分子集

8、的算法划分子集的算法 随机二进制树算法：标签随机选择所属集合随机二进制树算法：标签随机选择所属集合 查询二进制树算法：按标签标识符划分子集查询二进制树算法：按标签标识符划分子集 4.2 基于二进制数的防冲突算法基于二进制数的防冲突算法 一、基于随机二进制树的防冲突算法一、基于随机二进制树的防冲突算法 每个每个标签维持一个计数器，初始值为标签维持一个计数器，初始值为0 在每一在每一个时隙开始，如果标签计数器为个时隙开始，如果标签计数器为0则发则发 送自己的标识符，否则不响应送自己的标识符，否则不响应 一旦标签识别成功则对阅读器的一旦标签识别成功则对阅读器的REQUEST命命 令不再响应令不再响应

9、 每一个时隙结束阅读器将接收到的时隙状态反每一个时隙结束阅读器将接收到的时隙状态反 馈给标签，标签根据反馈结果对自己计数器进馈给标签，标签根据反馈结果对自己计数器进 行调整行调整 4.2 基于二进制数的防冲突算法基于二进制数的防冲突算法 标签计数器调整规则标签计数器调整规则 若时隙为冲突时隙，则若时隙为冲突时隙，则参与响应的标签参与响应的标签随机随机 给自己的计数器给自己的计数器加加0或或1，没有参与响应的标，没有参与响应的标 签签直接给自己的计数器直接给自己的计数器加加1. 若时隙为单时隙，若时隙为单时隙，被成功识别的标签被成功识别的标签进入进入沉沉 默状态，未被识别的标签默状态，未被识别的

10、标签将自己的计数器将自己的计数器减减 1. 4.2 基于二进制数的防冲突算法基于二进制数的防冲突算法 二、基于查询二进制树的防冲突算法二、基于查询二进制树的防冲突算法 阅读器维持一个二进制前缀，初始值为阅读器维持一个二进制前缀，初始值为0 每个时隙开始时，阅读器广播该二进制前每个时隙开始时，阅读器广播该二进制前 缀缀，标签将自己的标识符前几位与此二进，标签将自己的标识符前几位与此二进 制前缀进行比较，若相同则该标签发送标制前缀进行比较，若相同则该标签发送标 识符，否则保持沉默识符，否则保持沉默 如果有冲突发生，则在下次查询中将原来如果有冲突发生，则在下次查询中将原来 的二进制前缀的二进制前缀后

11、面增加后面增加0或或1，重新查询重新查询 4.2 基于二进制数的防冲突算法基于二进制数的防冲突算法 例题：例题： 有六个标签处于阅读器场中，它们的有六个标签处于阅读器场中，它们的ID分别为分别为 0010、0011、1001、1100、1101、1110，试描述，试描述 查询二进制树的执行过程。查询二进制树的执行过程。 4.3 防冲突算法的性能分析防冲突算法的性能分析 基于基于ALOHA的防冲突算法简单，并且兼顾了的防冲突算法简单，并且兼顾了 公平性，但是存在标签饿死问题。公平性，但是存在标签饿死问题。 随机二进制树算法中标签不存在饿死问题，但随机二进制树算法中标签不存在饿死问题，但 标签需要

12、维护一个内部状态标签需要维护一个内部状态 查询二进制树散发不存在饿死问题，但算法性查询二进制树散发不存在饿死问题，但算法性 能受到标签标识符长度的影响，并且通常比基能受到标签标识符长度的影响，并且通常比基 于于ALOHA的算法需要更长时间的算法需要更长时间 4.4 差错检测差错检测 l在在RFID系统中，数据传输的系统中，数据传输的完整性完整性存在两存在两个个 方面的方面的问题问题： l一一是外界的各种干扰可能使数据传输产生是外界的各种干扰可能使数据传输产生错错 误误； l二二是多个应答器同时占用信道使发送数据产是多个应答器同时占用信道使发送数据产 生生碰撞碰撞。 l运用运用数据检验数据检验（

13、差错检测）（差错检测）和和防碰撞算法防碰撞算法可可 分别解决这两个问题。分别解决这两个问题。 4.4 差错检测差错检测 差错：差错： 包括包括随机错误、突发错误随机错误、突发错误和和混合错误混合错误。 随机错误：由信道中的随机噪声干扰引起。随机错误：由信道中的随机噪声干扰引起。 在出现这种错误时，前后位之间的错误彼此在出现这种错误时，前后位之间的错误彼此 无关。无关。 突发错误：由突发干扰引起，当前面出现错突发错误：由突发干扰引起，当前面出现错 误时，后面往往也会出现错误，它们之间有误时，后面往往也会出现错误，它们之间有 相关性。相关性。 混合错误：既包括随机错误又包括突发错误混合错误：既包括

14、随机错误又包括突发错误。 4.4 差错检测差错检测 突发错误的误码影响用突发错误的误码影响用突发长度突发长度b来表征。来表征。 突发长度突发长度b定义为：当产生突发错误时，定义为：当产生突发错误时， 错误图样中最前面的错误图样中最前面的1和最后出现的和最后出现的1的的 间隔长度。如：间隔长度。如： 突发错误长度为突发错误长度为b=5。 4.4 差错检测差错检测 差错的表示方法：差错的表示方法： 误比特率误比特率P Pb b： ： 误码元率误码元率P Ps s： ： 误字率误字率P PW W： 4.4 差错检测差错检测 差错控制差错控制 差错控制实现两部分功能：差错控制实现两部分功能：差错编码差

15、错编码和和差错差错 解码解码。 差错控制的基本思想是在传输信息数据中增差错控制的基本思想是在传输信息数据中增 加一些冗余编码，使监督码元和信息码元之加一些冗余编码，使监督码元和信息码元之 间建立一种确定的关系，在接收端根据已知间建立一种确定的关系，在接收端根据已知 的特定关系来实现错误的检测与纠正的特定关系来实现错误的检测与纠正。 4.4 差错检测差错检测 利用检纠错码进行差错控制的方法主要有：利用检纠错码进行差错控制的方法主要有：反反 馈重发（馈重发（ARQ）、前向纠错（）、前向纠错（FEC）和和混合纠混合纠 错（错（HEC）三种。三种。 反馈重发：发送端需要在得到接收端正确收到反馈重发：发

16、送端需要在得到接收端正确收到 所发信息码元（通常以帧的形式发送）的确认所发信息码元（通常以帧的形式发送）的确认 信息后，才能认为发送成功。信息后，才能认为发送成功。 4.4 差错检测差错检测 前向纠错：接收端通过纠错解码自动纠正传输前向纠错：接收端通过纠错解码自动纠正传输 中出现的差错，所以该方法中出现的差错，所以该方法不需要重传不需要重传。这种。这种 方法需要采用具有很强纠错能力的编码技术方法需要采用具有很强纠错能力的编码技术 。 混合混合纠错：是纠错：是ARQ和和FEC的结合，设计思想是的结合，设计思想是 对出现的错误尽量纠正，纠正不了则需要通过对出现的错误尽量纠正，纠正不了则需要通过 重

17、发来消除差错。重发来消除差错。 4.4 差错检测差错检测 RFID中的差错检测中的差错检测 目前目前RFID中的差错检测主要采用中的差错检测主要采用奇偶校验奇偶校验 码码和和循环冗余码（循环冗余码（CRC），二者都属于线，二者都属于线 性分组码。性分组码。 4.4 差错检测差错检测 线性分组码线性分组码 构成：由构成：由k个信息码元个信息码元和和r个监督码元个监督码元构成，构成， 总码元个数为总码元个数为n=k+r。监督码元通过预定的。监督码元通过预定的 线性关系与所在码组的信息码元相联系。线线性关系与所在码组的信息码元相联系。线 性分组码表示为性分组码表示为（n，k）码。码。 4.4 差错检

18、测差错检测 线性线性分组码的性质分组码的性质 （n，k）码可以构成码可以构成2k个许用码组，这些码个许用码组，这些码 组具有下列性质组具有下列性质 封闭性：封闭性：任意两个码组模任意两个码组模2和仍为一个码组和仍为一个码组 最小最小码码距：距：码的最小距离码的最小距离d等于非零码的重等于非零码的重 量，即码组中非零码的数母。量，即码组中非零码的数母。 4.4 差错检测差错检测 线性线性分组码的检分组码的检纠错能力：纠错能力： 若要检测码组中若要检测码组中e位误码，则需要位误码，则需要de+1 若要纠正码组中若要纠正码组中t位误码，则需要位误码，则需要d 2t+1 若要纠正码组中若要纠正码组中t

19、位误码，同时检测位误码，同时检测e位误码，位误码， 则需要则需要dt+e+1 4.4 差错检测差错检测 奇偶校验码奇偶校验码 奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验 方法。方法。 实现方法：实现方法：在每个被传送码的后边加上在每个被传送码的后边加上1位位 奇偶校验位奇偶校验位0或者或者1，若采用奇校验位，则要，若采用奇校验位，则要 把每个编码中把每个编码中1的个数凑成奇数；若采用偶的个数凑成奇数；若采用偶 校验位，则需要把每个编码中校验位，则需要把每个编码中1的个数凑成的个数凑成 偶数。偶数。 4.4 差错检测差错检测 检验原理：检验原理：这种编码能发现奇

20、数个位出错，但这种编码能发现奇数个位出错，但 因为码距较小，不能实现错误定位。因为码距较小，不能实现错误定位。 对奇偶校验的评价：对奇偶校验的评价：能发现奇数个位出错，但能发现奇数个位出错，但 是没有错误定位和纠错能力。是没有错误定位和纠错能力。 4.4 差错检测差错检测 CRC码：较强的检错能力，硬件实现简单。码：较强的检错能力，硬件实现简单。 算法步骤算法步骤 将将k位信息写成位信息写成k-1阶多项式阶多项式M(X)； 设生成多项式设生成多项式G(X)的阶为的阶为r； 用模用模2除法计算除法计算XrM(X)/G(X)，获得余数多项式，获得余数多项式 R(X)； 用模用模2减法求得传送多项式减法求得传送多项式T(X)，T(X)= XrM(X)- R(X)，则，则T(X)多项式系数序列的前多项式系数序列的前k位为信息位，位为信息位， 后后r位为校验位，总位数位为校验位，总位数n=k+r。 4.4 差错检测差错检测 CRC的编码方法的编码方法 将待编码的将待编码的k位有效信息位表示为一个位有效信息位表示为一个k-1阶多阶多 项式项式M(X) 将