RFID干貨專欄概述

經(jīng)過(guò)20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

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3.3.1 基于工程場(chǎng)景的多標(biāo)簽防碰撞算法——碰撞讀取率A

01、RFID常見多標(biāo)簽算法簡(jiǎn)介

從13.56MHz頻段的ISO/IEC 14443協(xié)議、ISO/IEC 15693協(xié)議到900MHz頻段的ISO/IEC 18000-6B/C協(xié)議，防碰撞協(xié)議在現(xiàn)有的技術(shù)中一般都基于兩種基本算法：時(shí)隙ALOHA算法和二進(jìn)制樹的搜索算法。

其中18000-6C采用的是時(shí)隙ALOHA算法：應(yīng)答器（標(biāo)簽）只在規(guī)定的同步時(shí)隙中才傳輸數(shù)據(jù)包。這種情況下，對(duì)所有應(yīng)答器的同步由閱讀器控制。本質(zhì)上時(shí)隙ALOHA算法是一種由閱讀器控制的隨機(jī)時(shí)分多址（TDMA）算法。它將信道分為很多時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙正好傳送一個(gè)分組。對(duì)于射頻系統(tǒng)，標(biāo)簽只在規(guī)定的同步時(shí)隙內(nèi)才能傳輸數(shù)據(jù)包，對(duì)所有的標(biāo)簽所必須的同步由閱讀器控制，但發(fā)生碰撞后，各標(biāo)簽仍是經(jīng)過(guò)隨機(jī)延時(shí)后分散重發(fā)的。

時(shí)隙ALOHA算法較為實(shí)用，由于時(shí)隙ALOHA算法不關(guān)注實(shí)際沖突的位數(shù)，而只關(guān)注是否發(fā)生沖突，因此實(shí)現(xiàn)較為方便。但在實(shí)際系統(tǒng)中，其算法效率相對(duì)不高。如果應(yīng)答器數(shù)目過(guò)多，時(shí)隙數(shù)量不夠，發(fā)生沖突的概率增大，需要的時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。因此，當(dāng)多個(gè)應(yīng)答器在閱讀器工作范圍內(nèi)停留時(shí)間太短，識(shí)別率就會(huì)相應(yīng)變低。

ISO/IEC 14443、15693、18000-6B采用的是二進(jìn)制樹的搜索算法：如果數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中發(fā)生碰撞，閱讀器使用二進(jìn)制搜索樹的運(yùn)算法則和一個(gè)比特的數(shù)據(jù)來(lái)解決沖突。因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽本身都有一個(gè)地址（ID），所以閱讀器可以指定一個(gè)特定范圍內(nèi)的地址來(lái)讀取標(biāo)簽，而這些標(biāo)簽必須對(duì)閱讀器的詢問(wèn)做出應(yīng)答，其他標(biāo)簽則表示緘默。這時(shí)，如果有兩個(gè)標(biāo)簽由于同時(shí)上傳數(shù)據(jù)而發(fā)生碰撞，閱讀器可以精確的檢測(cè)出地址發(fā)生碰撞的比特位，并找出對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽。依靠二進(jìn)制搜索樹的運(yùn)算理論，閱讀器可以讀出所有的標(biāo)簽。

基本的二進(jìn)制搜索算法抗干擾能力差，數(shù)據(jù)容易誤讀而造成效率低，難以實(shí)現(xiàn)。

02、基于實(shí)際工程場(chǎng)景的多標(biāo)簽——清點(diǎn)率介紹

本書中的防碰撞算法結(jié)合實(shí)際閱讀器特性，提出閱讀器碰撞讀取率這個(gè)概念，并結(jié)合了實(shí)際的工程場(chǎng)景，精確計(jì)算標(biāo)簽清點(diǎn)的時(shí)間期望值，從而大大提高了閱讀器的清點(diǎn)效率有利于推動(dòng)以物流倉(cāng)儲(chǔ)為代表的超高頻RFID多標(biāo)簽場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用。

該防碰撞算法的模型包括1個(gè)閱讀器，0個(gè)或者多個(gè)應(yīng)答器（標(biāo)簽）。使用的幾個(gè)要素：Q（時(shí)隙數(shù)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)），A（碰撞讀取率），N（標(biāo)簽的總量）。

在閱讀器對(duì)標(biāo)簽清點(diǎn)的通信中，閱讀器先向所有標(biāo)簽發(fā)Query指令，在Query指令中包含參數(shù)Q，Q可以取0到15之間的任意數(shù)值。

所有標(biāo)簽收到Query指令后會(huì)各自從0到中產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)。若標(biāo)簽的隨機(jī)數(shù)為0則標(biāo)簽立即返回RN16，閱讀器可以通過(guò)該RN16與這個(gè)標(biāo)簽通信。

當(dāng)閱讀器發(fā)送Query后，會(huì)連續(xù)發(fā)個(gè)Query_rep指令，標(biāo)簽每次收到Query_rep指令后，其隨機(jī)數(shù)減1，直到隨機(jī)數(shù)變?yōu)?則返回RN16。

在該通信過(guò)程中如果標(biāo)簽數(shù)量N比較大（比如100），而Q比較?。ū热?），那么100個(gè)標(biāo)簽每個(gè)從0-15個(gè)數(shù)字中隨機(jī)分配一個(gè)必然存在相同的隨機(jī)數(shù)，那么當(dāng)閱讀器發(fā)Query或者Query_rep指令后兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)返回它們各自的RN16就發(fā)生沖突，由于兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交疊在一起，閱讀器很難分辨數(shù)據(jù)，就無(wú)法和特定的一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行通信，這就是沖突的產(chǎn)生。

發(fā)生沖突的標(biāo)簽會(huì)在下一輪的Query清點(diǎn)中被清點(diǎn)到，已經(jīng)被清點(diǎn)過(guò)的標(biāo)簽則不響應(yīng)，直到Session翻轉(zhuǎn)，直到將全部的標(biāo)簽清點(diǎn)完畢。

由于技術(shù)的進(jìn)步，閱讀器的靈敏度和解調(diào)能力不斷提高，當(dāng)遭遇多標(biāo)簽沖突時(shí)，閱讀器有一定的概率A正確解調(diào)一個(gè)標(biāo)簽的RN16，從而完成對(duì)一個(gè)標(biāo)簽的清點(diǎn)，在這里稱這個(gè)概率A為碰撞讀取率。深入研究碰撞讀取率還可以分成2個(gè)標(biāo)簽碰撞時(shí)讀取率A2，3個(gè)標(biāo)簽碰撞時(shí)讀取率A3，或者N個(gè)標(biāo)簽碰撞時(shí)的讀取率AN。當(dāng)然為了簡(jiǎn)單分析，在這里對(duì)所有的碰撞讀取率統(tǒng)一為A，方便大家理解和計(jì)算。

為方便后續(xù)計(jì)算，提出清點(diǎn)效率F這個(gè)概念，就是單位時(shí)間內(nèi)識(shí)別標(biāo)簽的數(shù)量。假設(shè)一輪清點(diǎn)過(guò)程中清點(diǎn)到的標(biāo)簽數(shù)量為M，那么F=M/ 。為了提高清點(diǎn)效率，針對(duì)不同的標(biāo)簽數(shù)量N和當(dāng)前的閱讀器的碰撞讀取率A，選擇最優(yōu)的清點(diǎn)參數(shù)Q。

如圖3-18所示，在清點(diǎn)過(guò)程中，每個(gè)時(shí)隙都可能出現(xiàn)三種情況：

只有一個(gè)標(biāo)簽返回RN16，清點(diǎn)到標(biāo)簽；

有多個(gè)標(biāo)簽返回RN16，發(fā)生沖突，有A的概率清點(diǎn)到標(biāo)簽；

沒(méi)有標(biāo)簽返回RN16，沒(méi)有清點(diǎn)到標(biāo)簽。

圖3-18標(biāo)簽清點(diǎn)示意圖

這三種情況在個(gè)時(shí)隙內(nèi)的期望值分別為：

只有一個(gè)標(biāo)簽返回：

（3-2）

有多個(gè)標(biāo)簽返回：

（3-3）

沒(méi)有標(biāo)簽返回：

（3-4）

那么清點(diǎn)效率為a)+b)*A：

（3-5）

03、基于實(shí)際的工程場(chǎng)景的多標(biāo)簽——實(shí)例分析

假設(shè)標(biāo)簽數(shù)量分別為N=40、N=100和N=200，3個(gè)閱讀器碰撞讀取率分別為0%、10%和30%即A1=0；A2=0.1；A3=0.3。那么每個(gè)閱讀器在不同標(biāo)簽環(huán)境中所選用的Q的最優(yōu)值可以用式（3-5）計(jì)算出不同的清點(diǎn)效率F，將Q=4到10以及N和A的數(shù)值帶入后，得到表3-11。

表3-11不同碰撞讀取率、Q值、標(biāo)簽數(shù)量下的清點(diǎn)效率

在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)表3-11選擇清點(diǎn)效率最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的Q（表中斜體為最優(yōu)清點(diǎn)率）。在傳統(tǒng)的算法中，Q的選擇依據(jù)為表3-12（傳統(tǒng)算法中未考慮沖突識(shí)別率，可以認(rèn)為A=0）。

表3-12Q值表

將傳統(tǒng)算法和本書中創(chuàng)新的算法進(jìn)行對(duì)比：

在標(biāo)簽N=40、A=0的情況下，根據(jù)表3-11計(jì)算選擇Q=5，而傳統(tǒng)算法選擇Q=6，那么創(chuàng)新算法效率比傳統(tǒng)增加了7.1%。若選擇N=200、A=0.3，創(chuàng)新算法選擇Q=7，而傳統(tǒng)算法選擇Q=8，那么創(chuàng)新算法的效率比傳統(tǒng)算法提高了14.5%。

現(xiàn)在的超高頻RFID閱讀器種類繁多，通過(guò)對(duì)應(yīng)設(shè)備的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)閱讀器的碰撞讀取率是不同的。從閱讀器的設(shè)計(jì)角度來(lái)講，是由閱讀器的射頻鏈路性能以及基帶的解調(diào)能力不同導(dǎo)致的。不同的閱讀器在使用不同的調(diào)制編碼方式時(shí)其碰撞讀取率是不同的。比如Alien的ALR9900+的碰撞讀取率A大概為0.3，而低端分離器件的閱讀器的碰撞讀取率A約等于0。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)先由閱讀器的協(xié)議算法控制部分根據(jù)標(biāo)簽個(gè)數(shù)和閱讀器的碰撞讀取率生成一張類似表3-11的映射表，然后根據(jù)式（3-5）計(jì)算Q從0到15所得到的所有清點(diǎn)率，最后選擇清點(diǎn)率F最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的Q，作為這輪清點(diǎn)的Q值；下一輪清點(diǎn)根據(jù)剩下的標(biāo)簽數(shù)量繼續(xù)查表選擇清點(diǎn)率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的Q，直到標(biāo)簽全部清點(diǎn)完畢。