RFID原理与应用 教师:朱华贵 2015年03月09日 18970866755

第8章 RFID系统的关键技术 ---防碰撞机制分析与实现 朱华贵 2015年03月08日

主要内容 一、教学内容的引入 二、产生碰撞的原因 三、标签的几种状态 四、防碰撞机制的实现 五、读写器防碰撞机制的实现

一、教学内容的引入

EPC class1 Gen2 Tag 一、教学内容的引入 1、Reserved区：存储Kill Password（灭活口令）和Access Password（访问口令）。 2、EPC区：存储EPC号码等。 3、TID区：存储标签识别号码，每个TID号码应该是唯一的。 4、User区：存储用户定义的数据。

一、教学内容的引入 EPC编码结构 Standard EPC Tag Data Header Filter Value (Optional) Domain Identifier General Identifier (GID-96) Header General Manager Number Object Class Serial Number Header 8 bits Manufacture 28 bits Product 24 bits Serial Number 36 bits

问题探究 一、教学内容的引入 存在这么几个问题 1、上次我们实验中其读写距离是多少？ 2、UHF EPC Gen2的标签有几种种状态？ 3、为什么每次读写的标签的数量会 不一样？各组之间的读写器之间是否 存在干扰？

二、产生碰撞的原因 1、读写器碰撞 2、标签碰撞 什么是碰撞 1 在RFID系统应用中，因为多个读写器或多个标签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰，统称为碰撞。 2 碰撞的类型 1、读写器碰撞 2、标签碰撞

二、产生碰撞的原因 RFID数据碰撞示意图 Time TagA TagB Time Time 读写器 Data 1 Data 2 Data 完全碰撞 TagA Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 Data 5 Time TagB Data 2 Data 4 Data 1 Data 3 Data 5 Time 读写器 RFID数据碰撞示意图

二、产生碰撞的原因 从标签T反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰。 读写器-读写器频率干扰 R1 Tag Rr为Reader1和Reader2的读取范围 读写器-读写器频率干扰

二、产生碰撞的原因 多读写器一标签干扰 标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和,是一个未知信号。 Tag3 Tag1 Reader2

三、标签的几种状态 1 标签的几种状态 准备 标签 掉电 识别 数据交互

三、标签的几种状态 掉电 上电 碰撞仲裁 选择 取消选择 准备 识别 复位 读操作 读操作 数据交互 标签状态转换图 读操作

四、防碰撞机制的实现 如何解决碰撞的问题呢？

四、防碰撞机制的实现 1、空分多址SDMA法 Tag3 Tag5 Tag4 Tag1 读写器 Tag6 Tag7 Tag2

四、防碰撞机制的实现 1、空间分割多重存取 分离的空间范围内重新使用确定的资源（通信容量） 2、减少单个读写器的作用范围 Reader Tag 1、自适应SDMA，电子控制定向天线，天线的方向直接对准某个标签 分离的空间范围内重新使用确定的资源（通信容量） 2、减少单个读写器的作用范围

四、防碰撞机制的实现 2、频分多址FDMA法 阅读器广播命令 f1 f2 f3 f4 f5 Tag1 Tag2 Tag3 Tag5 Tag4 写 器 Tag2 Tag3 f3 Tag5 f4 Tag4 f5 阅读器读写区域

四、防碰撞机制的实现 2、频率分割多重存取 把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通信用户使用。 Reader Tag a b c

四、防碰撞机制的实现 3、时间分割TDMA a’ a a’ b’ c’ a b c b’ b Reader Tag1 Tag2 Tag3 a’ a a’ b’ c’ a b c b’ b TDMA是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个同户的技术。 c’ c

四、防碰撞机制的实现 掉电 上电 碰撞仲裁 选择 取消选择 准备 识别 复位 读操作 读操作 数据交互 标签状态转换图 读操作

四、防碰撞机制的实现 防碰撞的基本算法 算法 ISO18000-6协议中使用的是一种类二进制树形防碰撞算法，通过标签内随机产生0、1及内置计数器实现标签的防碰撞。 树分叉算法

四、防碰撞机制的实现 基本思想是：将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有碰撞，则正确识别标签，若仍有碰撞则分裂，把1子集分成00和01两个子集，直到识别子集1中所有标签。 树分叉算法 1 10 11 冲突节点 101 100 非冲突节点

四、防碰撞机制的实现 1 当进入“识别”有多个标签----碰撞仲裁 （1）所有处于“识别”状态且内部计数器为0的应答器发送它们的识别码。 （2）当有一个以上的标签发送时，读写器因不能正确识别信号为发送FAIL指令。 （3）所有接收到FAIL指令且内部计数器不等于0的标签计数器加1。所有接收到FAIL指令且内部计数器等于0的标签将产生一个1或者0的随机数，如果是1，则标签计数器加1，如果是0，则标签计数器保持不变，并再次发送其识别码。 （4）a、若有一个以的标签发送，则重复步骤（2）;b、若只有一个发送，则读写器发送包含识别码的“DATA_READ”，指令，标签正确接收此指令进入“数据交互”，通信完成后，发送SUCCESS指令；C、当标签没有被正确接收，则读写器将发送一个RESEND指令。 所有接收到FAIL指令且内部计数器不等于0的标签计数器加1。所有接收到FAIL指令且内部计数器等0的标签将产生一个1或者0的随机数，如果是1，则标签计数器加1，如果是0，则标签计数器保持不变，并再次发送其识别码。

四、防碰撞机制的实现 2 当进入“识别”有多个标签----防碰撞指令规则 （1）REQUEST——请求(序列号)。此命令发送一序列号作为参数给射频卡。应答规则是，射频卡把自己的序列号与接收到的序列号比较，如果自身序列号小于或等于REQUEST指令序列号参数，则此射频卡回送其序列号给读写器。这样可以缩小预选的射频卡的范围；如果大于，则不响应。  (2)SELECT——选择(序列号)。用某个(事先确定的)序列号作为参数发送给射频卡。具有相同序列号的射频卡将以此作为执行其他命令(例如读出和写入数据)的切入开关，即选择这个射频卡。具有其他序列号的射频卡只对REQUEST命令应答。 所有接收到FAIL指令且内部计数器不等于0的标签计数器加1。所有接收到FAIL指令且内部计数器等0的标签将产生一个1或者0的随机数，如果是1，则标签计数器加1，如果是0，则标签计数器保持不变，并再次发送其识别码。

四、防碰撞机制的实现 3 当进入“识别”有多个标签----防碰撞指令规则 （3）READ-DATA——读出数据。选中的射频卡将存储的数据发送给读写器。  (4)UNSELECT ——去选择。取消一个事先选中的射频卡，射频卡进入"无声"状态，在这种状态下射频卡完全是非激活的，对收到的REQUEST命令不作应答。为了重新话化射频卡，必须先将射频卡移出读写器的作用范围再进入，以实行复位。

四、防碰撞机制的实现 N Y 二进制搜索算法的工作流程是： 射频卡进入读写器的工作范围，读写器发出一个最大序列号让所有射频卡响应；同一时刻开始传输它们的序列号到读写器的接收模块。 读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数。 N 即有的序列号该位为0，而有的序列号该位为1 出现不一致的现象 Y 把有不一致位的数从最高位到低位依次置O再输出系列号，即依次排除序列号大的数，至读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数完全一致时，说明无碰撞。 选出序列号最小的数后，对该标签进行数据交换，然后使该卡进入“无声”状态。

四、防碰撞机制的实现 在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码(Mancherster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射频卡。 射频卡1 1 1 1 射频卡2 1 1 1 读写器译码 ?? ?? ??

五、读写器防碰撞机制的实现 1、RFID读写器冲突及解决途径 密集读写器环境中的读写器冲突 密集读写器环境就是指在RFID系统应用中，在预定区域内部署多个RFID读写器，以满足对区域内的所有标签进行完全的、高可靠的读取要求。系统网络中包含多个读写器和一个中央计算机，读写器与中央计算机之间一般采用局域网（LAN）或无线局域网（WLAN）方式进行通信连接。 密集读写器网络拓朴结构

五、读写器防碰撞机制的实现 分时传输解决读写器冲突 网络中的每个读写器通常具有不同范围的识读区域，各读写器的识读区域可能有交集，即识读区域有相互重叠的部分。为了便于说明，用图7-17近似地描绘了密集读写器环境下的读写器冲突。每个圆圈代表一个读写器的识读区域（实际应用中的识读区域可能为不规则形状），圆点代表相应的读写器。如果两个读写器的识读区域有相互重叠，如图7-17中的R1和R2，则当R1、R2同时工作时，如果不采取防冲突措施，就会产生读写器冲突，甚至使整个RFID系统无法正常工作。 密集环境下读写器冲突示意图

五、读写器防碰撞机制的实现 分时传输解决读写器冲突 分布式时隙控制方法以防冲突算法Colorwave和IRCM为代表，时隙分配过程以网络中的每个读写器为中心，各读写器之间相互反复通信协商来确定各自的工作时隙，发生冲突时往往通过增加新的时隙来解决，结果使得时隙分配过程较长且需要的总时隙数目多；集中式时隙控制方法几乎不占用读写器的资源，通过中央计算机或服务器运行优化算法进行时隙分配问题的求解。这种方法求解速度快且不占用读写器资源。

五、读写器防碰撞机制的实现 平面图着色与读写器防冲突 图7-18 读写器冲突问题的平面图,RFID读写器冲突问题类似于一个简单的平面图G=(R，E)。顶点集合R是RFID读写器集合，即R={r1，r2，…，rn)。边集合E描述了RFID系统中读写器之间的冲突关系。也就是说，如果读写器Ri和读写器Rj的识读区域之间存在交集，就将顶点ri和rj用一个无向线段连接起来。据此建立图7-17中的读写器冲突问题的平面图G=(R，E)如图7-18所示。 读写器冲突的平面图

五、读写器防碰撞机制的实现 Hopfieid神经网络模型 n×4阶矩阵 n×n阶对称矩阵

五、读写器防碰撞机制的实现 读写器防冲突问题混沌神经网络模型 为了消除网络中的读写器冲突问题，必须使网络中存在冲突关系的读写器工作在不同的时隙。根据这样的约束要求，读写器防冲突神经网络的能量函数如下： 当神经网络的能量函数E的值等于‘0’时，当前的输出矩阵v的值就是读写器防冲突神经网络的可行解。

五、读写器防碰撞机制的实现 读写器防冲突问题混沌神经网络模型 二维Hopfield神经网络能量函数的一般表达形式： 比较式(3)和式(4)，可以得到：   因此，读写器防冲突神经网络的微分方程为：

五、读写器防碰撞机制的实现 基于退火策略的混沌神经网络模型 基于退火策略的混沌神经网络模型  Hopfield神经网络模型可以收敛到一个稳定的平衡解，但会经常陷入局部最优 。因此，在上述建立的Hopfield神经网络模型基础上，本文通过引入混沌机制和模拟退火策略，为读写器防冲突建立基于退火策略的混沌神经网络模型如下： 当模拟温度衰减至趋近于‘0’时，混沌状态消失，此后算法获得一个较好的初值，并按照Hopfield神经网络算法继续进行搜索并逐渐收敛于有效解。

五、读写器防碰撞机制的实现 仿真流程 采用MATLAB对基于退火策略的混沌神经网络读写器时隙分配算法进行仿真。仿真流程如下： 步骤1：设置A，B，C，，0，￡，k，a，z(0)， ，／Z (0) 等参数的值，如表1。实验中， (0)取[0，1]区间  的随机数。  　步骤2：根据式(10)和(11)计算 (t)。  　步骤3：根据式(3)计算能量函数 。  　步骤4：根据式(12)计算／Z (t+1)。  　步骤5：判断能量函数 是否满足稳定条件。如果满足进行步骤6，否则进行步骤2。能量函数的稳定判据为：1) 的值在连续l0次迭代中的变化量小于0．01；2)如果E≤10～，则停止迭代；3)如果算法在1000次迭代中无法收敛到有效解，则停止仿真。  　步骤6：输出仿真结果，即输出V and E。

五、读写器防碰撞机制的实现 仿真实验结果 对于图2和图3所示的读写器冲突网络，用基于退火策略的混沌神经网络算法在经过162次迭代后，得到了读写器防冲突的时隙分配有效解。输出矩阵的值为：

五、读写器防碰撞机制的实现 仿真实验 根据输出矩阵中的每行元素，得到各读写器的时隙分配结果如表2所示：

3、 仿真实验 若以4种形状分别代表时隙 T1, T2, T3, T4,对图2所示的读写器网络按照表2的结果进行着色填充的结果如图5所示： 从图5中可以看出，任意两个识读区域存在交集的读写器(即存在冲突约束的读写器)的识读区域分别采用不同的填充方式，表明了求解结果的正确性。 尽管与式(1)的 的值不同，但仍然是读写器防冲突时隙分配问题的可行解。

五、读写器防碰撞机制的实现 算法性能分析 首先，基于退火策略的混沌神经网络读写器防冲突算法是基于TDMA原理的，因此运用该算法来解决读写器冲突问题原理上是可行的。  　其次，本算法属于集中式控制算法，算法的执行过程在中央计算机上实现，几乎不占用读写器的扫描时间(只在确定读写器之间冲突关系时占用极少的时间)。而分布式算法在执行的全过程中，所有的读写器要相互通讯来协调时隙分配，在时隙分配完成前无法扫描标签。因此，从应用的角度来说，本文提出的方法更具有合理性和实用性。 　最后，在密集读写器环境中，Colorwave和IRCM算法大概需要10个时隙数量才能得到96％ 以上的传输成功率，而本文提出的新算法仅需4个时隙即可完成几乎100％的传输成功率(除去算法执行时间都可以成功传输)，显然本文提出的新算法使得每个读写器具有更大的标签吞吐能力。

课程小结 产生碰撞的原因 标签的几种状态及转换 ——标签与读写器的碰撞 ——标签与标签的碰撞 ——读写器与读写器的碰撞 2018/12/4 课程小结 产生碰撞的原因 ——标签与读写器的碰撞 ——标签与标签的碰撞 ——读写器与读写器的碰撞 标签的几种状态及转换 ——掉电 ——识别 ——准备 ——数据交互 制造业主要是出口导向，依靠的是出口退税政策、国内高额储蓄所提供的投资、大量吸引外资、以及大量从农村转移到城市所提供的廉价劳动力，而不是依靠创新和生产率的提高。这种模式目前遭遇到了巨大的挑战 中国制造业目前的增长模式与东南亚新兴工业化经济、苏联计划经济体制时期的增长模式没有很大的区别，都是外延式的粗放经济增长模式 制造业企业大部分仍然处在“资本投入驱动” 的落后创新模式阶段 防碰撞机制的实现 ——防碰撞的方法 ——防碰撞算法 ——防碰撞的二进制搜索算法实现 46

思考题： 1、如何解决标签与标签之碰撞？ 2、如何布署多读写器解决它们之间的碰撞？