射频识别技术即RFID" title="RFID" target="_blank">RFID（Radio Frequency Identification）是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，并对目标加以识别和获取相关数据的技术。它由一个附在天线上的微芯片构成，芯片中存储唯一的电子产品代码，用于标识单个商品。它由于具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大，可实现非接触目标识别等特点，被广泛地应用于生产、交通、医疗、物流、资产管理等众多领域。射频识别主要由电子标签和读写器组成。通过读写器发射无线电波，读取电子标签内存储的信息，实现双向通信，以达到识别目的并交换数据。
    在许多应用领域，单个标签已经能够满足要求。但是在许多新的应用领域像图书馆藏书、机场包裹管理、零售业等等，这些应用场合标签数量较多，阅读器读取范围内可能会存在多个标签，这样在读取标签时就会不可避免地发生冲突。因此防碰撞协议的研究是必须的。本文提出一种新的防碰撞协议，新协议结合了两种基本的防碰撞协议,与现有的RFID防碰撞协议相比新协议极大地提高了系统的读取效率,协议设计更加灵活实用。
1 RFID系统中防碰撞协议
    为了解决碰撞问题，产生了很多的防碰撞算法，目的就是把众多的标签按照某种方式分隔开进行逐个读取，主要有频分多路法(FDMA)、空分多路法(SDMA)、时分多路法(TDMA)和码分多路法(CDMA)四种方法。防碰撞算法结构图如图1所示。

    空分多路法由于其复杂的天线系统的高费用使得应用不是很广泛，频分多路法由于其阅读器的费用比较高，应用也受到了限制。码分多路法的多路方式软件设计困难，读写器每一路都需要相应的硬件或软件支持，非常复杂，所以不适合RFID系统。因此，TDMA成为反碰撞算法最广泛的选择，该方法又分为标签驱动法和阅读器驱动法，标签驱动法中具有代表性的算法是Aloha算法。阅读器驱动法需要准确的同步进而无错误的检测出碰撞位，它再划分为“轮询法”和“分裂法”。由于Aloha算法不能有效地解决标签饿死的问题，所以本文的研究主要在分裂法的基础上进行。
1.1 二进制防碰撞协议
    二进制防碰撞协议中，阅读器应用二进制搜索算法能够成功地读取它范围内的所有标签。标签含有唯一的ID序列号(由一些二进制码构成)，阅读器在每次查询过程中只发送一位0或1，标签中与接收的位相同的才会发生应答，并发送自己的下一位直至所有ID序列号传完。标签中与接收到的位不相同的就会转到待机状态，直到某个标签被识别剩余的标签重置。在一个识别过程中，如果阅读器发现冲突就会发0，否则发送从标签接收的那一位作为下一个查询位。状态转换图如图2所示。

1.2 查询树防碰撞协议
    查询树算法是一种无记忆标签防碰撞算法。读写器发送一个前缀查询信息，与这个前缀相匹配的标签做出响应。读写器发出的前缀决定了碰撞的标签如何分裂。标签除了其自身的ID号以外无需记忆其他额外的信息。一旦一个标签被成功识别，读写器就开始新一轮的读取操作。协议原理：读写器发送长度为k的前缀；ID中前k bit和前缀匹配的标签反馈第(k+1)bit至最后1 bit。如果阅读器收到的ID碰撞，再先后将前缀加“0”或 “1”，作为新的前缀发送出去。如果没有发生碰撞，就表明有一个标签被识别了。状态转换图如图3所示。

2 改进型防碰撞协议
    本文设计了一种新的防碰撞协议，它是结合了二进制防碰撞协议和查询树防碰撞协议而构成的，它能够在最坏的情况下，减少状态转换数和时钟循环数，很大程度上减少了冲突的发生，增加了标签的读取速度。状态转换图如图4所示。

    在改进型协议中，如果标签在状态S2下检测到碰撞的发生，它会转移到状态S3来接收阅读器发送的屏蔽位，而不是直接跳到S0。状态S3的加入很大程度上减少了标签识别过程中状态转换数和时钟循环数。这个效果是很明显的，如果两个标签的第一位相同而接下来的位都不相同，运用二进制和查询树协议时，阅读器必须发送两个不同的位来识别两个标签,标签经历两次从S0到S1再到S2的转换，而在改进型协议中由于S3的加入，一个标签在识别的同时其他标签只需向阅读器发送一个前缀位。这样既减少了识别过程中能量的消耗，又增加了识别速度。例如对#28（11100）和#30（11110）两个标签的识别，运用二进制防碰撞协议需要21次时钟转换和19次状态转换，查询树防碰撞协议需要21次时钟转换和8次状态转换，而改进型协议只需要15次时钟转换和7次状态转换（Ps为现在的状态；Ns为下一个状态），表1是在新协议下对两个标签的识别过程。

    运用这个协议，需要增加一个硬件用来在S3状态下减少它的ID指针，标签在S3收到的屏蔽位需要与先前发送的那位相比较，来确定标签的下个状态。
3 性能分析
    一个RFID系统性能的好坏，主要是衡量它的能量消耗和读取速度。本文主要从状态转换次数和时钟循环次数两个方面考虑。标签的识别过程各种情况的标签的分布都有可能发生，要衡量RFID防碰撞协议的性能，就要从最坏的情况[1]考虑。
3.1 数学分析
    在不计命令时间、前后缀开销及校验冗余等情况下对各算法进行数学分析，若在阅读器范围内有n个标签，标签的ID位数为N，则在满足2≤n≤2N-2情况下，以上三种协议的状态转换次数和时钟循环数如下：

3.2 仿真结果
    仿真时笔者认为三种协议识别一个特定的标签时间是相等的。仿真环境：标签ID长度为2的整数倍，冲突标签数为4，30次仿真取均值。仿真结果如图5所示。

    由仿真结果可见，改进型协议在识别效率上明显优于二进制协议和查询树协议,在标签ID位比较长的情况下尤为明显。
    在研究了RFID系统中现有的防碰撞协议的基础上，本文提出了一种新的防碰撞协议。通过算法分析及仿真表明，该协议较大幅度减少了每条命令的信息量，使系统的传输数据量和传输时间大大减少，有效节省了传输信道，能更准确、更高效、更好地解决射频识别系统中多个标签之间的数据冲突问题，具有良好应用前景。
参考文献
[1]  ZHOU F, CHEN C. Evaluating and optimizing power  consumption of anti-collision protocols for applications in RFID systems. in Proc. of 2004 IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design, 2004:357-362.
[2]  谭民，刘禹，曾隽芳,等.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京:机械工业出版社，2007: 261-297.
[3]  LIANG Biao, HU Ai Qun, QIN Zhong Yuan. Trends and  brief comments on anti-collision techniques in radio frequency identification system[C]//Proc.of the 6th International Conference on ITS Telecommunications. [S.l.]:  IEEE Press,2006:241-245.
[4]  HYUN K S.Park PooGyeon an efficient tree-based taganticollision protocol for RFID systems,2007(5).
[5]  杨健，王永华，詹宜巨,等.密集标签环境下RFID标签防冲突算法的分析研究[J].中山大学学报(自然科学版),  2009,48(6):147-150.