RFID阅读器-ppt课件.ppt

1、RFID阅读器 在无线射频识别（RFID）系统中，标签存储着全球唯一的识别号，并附着在被识别物上。阅读器通过给附着有识别标签的物品发射无线射频信号来识别物品，像其他无线通信系统一样，RFID 系统也存在着信号干扰问题。什么是阅读器？它的工作原理是什么？它的基本组成？阅读器与电子标签的通信过程中存在着什么样的问题？如何解决这些问题？1ppt课件 1 1、什么是阅读器？、什么是阅读器？ 阅读器（Reader and Writer）又称读写器、询问器、通信设备、扫描器、编程器、读出装置、便携式读出器、AEI设备（Automatic Equipment Identification Device）、识

2、读器、读头等。以上起名起源于不同功能或者是应用场合的角度。阅读器是读取和写入电子标签内存信息的设备。阅读器又可以与计算机网络进行连接，计算机网络可以完成数据信息的存储、管理和控制。另阅读器又是一种数据采集设备，其基本作用就是作为数据交换的一环，将前端电子标签所包含的信息，传递给后端的计算机设备。1.11.1阅读器工作原理阅读器工作原理2ppt课件 工作原理 阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上，经天线发送给进入阅读器识别范围的电子标签，接收此脉冲信号，电子标签的有关电路对此信号进行解调、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。 若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中

3、读取有关的信息，经加密、编码、调制后通过芯片内的天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送给中央信息系统进行有关数据的处理； 若为修改信息的写命令，有关的控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对EEPROM中的内存信息进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。3ppt课件 2 2、阅读器的基本组成、阅读器的基本组成 一般来说，RFID阅读器从屋里上可以划分成硬件和软件两个部分，另外阅读器也可以从功能上划分为四个逻辑组件。 2.1.2.1.硬件部分硬件部分 硬件的基本组成一般包括以下几个部分：控制模块、射频处理模块、天线以及外围接口电路等。与主机的通信接口M

4、CU射频处理模块LED/LCD显示其他外围设备接口4ppt课件（1 1）控制模块）控制模块控制模块或为控制器（Micro Controller Unit）主要功能是：与应用软件系统进行通信；执行从应用系统软件发来的动作命令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间的传送的数据进行加密和解密；进行读写器和电子标签之间的身份验证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中最重要的是对射频读写芯片的控制操作，这种控制操作体现在以下几个方面：1）对射频读写芯片的电源控制。通过对射频读写部分的独立电源控制，用户可以在MCU中根据自己的需要选择或关闭射频读写功能。2）

5、MCU通过数据线、地址线、控制线等并行控制接口与射频读写芯片连接，控制读写芯片的正常工作，实现与电子标签的通信。5ppt课件3）另外，主控MCU通过串行通信接口与PC方进行通信，方便用户将开发的应用程序载入到MCU中。同时，将主控MCU的剩余I/O口及中断引脚引出，供用户扩展使用。6ppt课件（2 2）射频处理模块）射频处理模块 射频处理模块的主要功能是产生高频发射能量、激活电子标签并为其提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传输给电子标签；接收并解调来自电子标签的射频信号。射频处理模块负责射频信号的处理和数据的传输，完成对电子标签的读写。7ppt课件（3 3）天线）天线 天线是发射和接收射

6、频载波信号的设备。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频处理模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波。天线的作用就是产生磁通量，为无源标签提供电源，在设备和标签之间传送信息。天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。（4 4）MCUMCU与主机的通信接口以及键盘、与主机的通信接口以及键盘、LED/LCDLED/LCD显示等其他显示等其他外部设备。外部设备。8ppt课件3 3、阅读器的工作特点、阅读器的工作特点 阅读器的基本功能就是触发作为数据载体的电子标签，与这个标签建立通信联系。电子标签与阅读器并非接触通信的一系列任务，均由阅读器来处理，同时阅读器在应用软件的控制下，实现

7、阅读器在系统网络中的运用。阅读器的工作特点如下： 1、电子标签与阅读器之间的通信阅读器以射频的方式向电子标签传输能量，对电子标签完成基本的操作。基本操作主要包括对电子标签的初始化，读取或写入电子标签的内存信息，使电子标签功能失效等。 2、阅读器与计算机网络之间的通信 阅读器将读取到的电子标签的信息传递给计算机网络，计算机网络对阅读器进行控制和信息交换，完成特定的应用任务。9ppt课件 3、阅读器的识别能力 阅读器不仅能识别静止的电子标签，而且能同时识别多个移动的电子标签。 （1）防碰撞的能力。 在识别范围内，阅读器可以完成多个电子标签信息的同时存取，具备读取多个电子标签信息的防碰撞能力 （2）

8、对移动物体的识别能力。 阅读器能够子在一定的技术指标下，对移动的电子标签进行读取，并能够校验读写过程中的错误去信息。 4、阅读器与有源电子标签的管理 5、阅读器的适应性 6、应用软件的控制作用10ppt课件 4 4、阅读器存在的问题、阅读器存在的问题 所有的标签和阅读器都在一个有限的空间内进行通信，为了覆盖整个阅读的空间从而识别该范围内所有的标签，阅读器网络必然会在空间中产生多个阅读器读写范围的交叉。这些读写范围交叉的阅读器之间就可能发生碰撞；另外，对于被动式的标签，其工作使用的能量来自阅读器，其反射回阅读器的信号是反射信号，是一种弱信号，容易受其他阅读器强信号的干扰，这样也有可能发生碰撞。

9、4.1(1)多阅读器到标签间的干扰 当多个阅读器同时阅读同一个标签时引起了多阅读器到标签间的干扰, 这里分两种情况。一种两个阅读器阅读范围重叠, 如图4-1（a）中，从阅读器1和2发射的信号可能在射频标签1处产生干扰。在这种情况下,标签1不能解密任何查询信号并且阅读器1和2都不能阅读1。11ppt课件 图4-1（a） 阅读器范围重叠 另外一种两个阅读器阅读范围没有重叠,如图4-1（b）所示。虽然阅读范围没有重叠,但处于干扰范围之内,但在同一时间占用相同频率与标签1通信,阅读器2发射的信号对读写器1发射的信号在标签1处产生干扰,从而导致通信质量下降。 12ppt课件 图3-1（b） 阅读范围不重

10、叠的多阅读器对标签的干扰 （2）阅读器之间的干扰 另一种是阅读器之间的干扰。对于被动式的标签，其工作使用的能量来自阅读器，其反射回阅读器的信号是反射信号，是一种弱信号，容易受其他阅读器强信号的干扰，这样也有可能发生碰撞。如下图3-1（c）标签1是弱信号接收阅读器R1的强信号，但R1在R2在干扰范围内，这就有可能让阅读器R1无法接收标签的信息。13ppt课件 图3-1（c）读写器与读写器之间的干扰4.2阅读器防碰撞算法 现有解决多阅读器信号碰撞问题的方法主要可以分为两类:协调计划算法和功率控制算法。14ppt课件 (1)基于调度的阅读器防碰撞算法是在全网的体系结构中，统一收集阅读器间的碰撞消息，

11、将系统的可用资源合理分配给各个阅读器使用，防止多个阅读器同时发送信号给标签而产生信号干扰。常用算法有Colorwave、HiQ-learning、PULSE 以及LBT 等。但是，需要耗费系统大量资源来建立并实时维护全网结构，当系统出现微小变化时，需重新调整全网范围的资源分配，系统开销大。 (2)功率调整方式通过动态调整阅读器的信号功率范围，使得每个阅读器利用不同的发送功率在同一时隙内工作，从而减小阅读器之间的重叠区域，获得最大的阅读范围。其代表协议有LLCR 及w-LCR。该算法较复杂，会导致效率和功耗的降低，而且需要在无线射频识别系统中引入新的中心控制设备，系统成本较高。尽管现有算法已在无

12、线射频识别系统中应用广泛，但仍存在着高功耗、高成本等缺点。15ppt课件阅读器分类结构图阅读器协议调度功率ColorwaveHiQ-learningPULSELLCRw-LCRLBT16ppt课件DCSDCS协议协议 DCS算法的原理是：一个时隙代表一种颜色，系统随机的给阅读器分配各种颜色，阅读器的颜色与时隙的颜色相同时则其通信信道打开，开始读取标签。读取过程中发现与其他的阅读器冲突，那么系统随机分配给阅读器一个新的颜色（时隙)。同时向周围的阅读器发送一个 Kick信息包，以便通知新的颜色(时隙)。如果相邻的阅读器已着此种颜色（时隙），那么系统再次分配某种新颜色，阅读器再次发送 Kick 信息

13、包。此过程不断循环，直到结束。在DCS算法中，用来给阅读器着色的总的颜色的数目是确定不变的，系统随机的循环分配这些颜色给阅读器。 17ppt课件C Colorwaveolorwave算法算法 是一种分布式的TDMA算法，是DCS算法的扩展算法。通过阅读器分配给不同的时隙来避免阅读器之间的碰撞。该算法需要所有阅读器之间的时间同步，同时还要求所有的阅读器都可以检测RFID系统中的碰撞。Colorwave协议具有动态的最大颜色数量值，并且具有动态的颜色分配机制来最小化阅读器图中颜色需要的数量。随着使用颜色数量的减少，信息传送的效率将会增加。 当阅读器自己察觉到，或是被相邻的阅读器检测到数据传输成功的

14、概率小于最大色彩的阈值时，它就会增加本地最大色彩值，同时给相邻的阅读器官博这个新的最大色彩值，使相邻阅读器也重新选择色彩来减少传输的碰撞。相反的，但数据传输成功的概率大于最大色彩阈值时，阅读器会减少本地最大色彩值以减少传输等待时间。18ppt课件 FDMAFDMA协议协议 基于FDMA的协议把所有的可用频率带划分成多个频率信道。阅读器可以使用不同的信道来同时与标签进行通信。如果一个频率信道一次只分配一个阅读器，多个阅读器将会无干扰的同时收发数据。 HiQHiQ协议协议 Ho等人提出了同时基于TDMA和FDMA的HiQ协议。HiQ协议使用称为Q-learning的分布式、分等级的，并且是在线学习

15、的方案来解决频率和时间的分配。通过重复的与系统进行交互，Q-learning试图在时间上寻求一种优化频率的分配方案。 HiQ分级的控制结构由阅读器、R-severe和Q-severe组成。阅读器在最低一级，在R-severe级的每个服务器管理着多个阅读器。当某个阅读器需要发送信息给他的识别区域内的标签时，它必须首先从它的主R-severe处请求资源，即频率信道和时隙。阅读器只有在主R-severe分配于同一个时隙内的具体频率信道之后，才能发送信息。19ppt课件在这样的分布式架构中，相邻阅读器可以在相同的时隙或者相同的频率信道内发送信息，从而会造成碰撞。阅读器需要检测与相邻接节点之间的碰撞。每

16、个阅读器需要报道碰撞的数量碰撞的类型和成功读它的主R-severe的次数。随后，R-severe能够根据反馈的报告判断哪些从阅读器间有相互干扰，并重新动态的分配资源来避免碰撞。R-severe能够分配资源来自于分级结构中主Q-severe（ Q-learning severe）。由于较好的灵活性和可扩展性，Q-severe在分级架构中可以较好地完成自己工作。但是，在整个系统中，只有一个根Q-severe控制所有的频率信道和时隙的分配。20ppt课件 资源请求 资源分配 资源请求 资源分配 资源请求 资源分配 HiQ协议的分级控制结构 R-severeQ-severe根Q-severeQ-sev

17、ereR-severe阅读器阅读器21ppt课件 EPCglobal Gen2EPCglobal Gen2协议协议 Class 1 Generatio 2 UHF标准是EPCglobal提出的，使用FDMA技术减少阅读器的干扰。整个分配频带被分成若干信道，一个阅读器只能使用一个信道来进行通信。阅读器和标签分开使用载波频率。即阅读器将只会与阅读器发生碰撞。阅读器使用跳频扩频技术来避免干扰。在欧洲，频率分配时规定为200khz的带宽。建议阅读器使用偶数的信道，而标签使用奇数的信道。在美国，频率分配时规定为500khz的带宽，所有信道对阅读器都是有用的。而标签在这些信道的边界处散射。22ppt课件

18、CSMACSMA协议协议 将通信网络的信道分成频率不同的控制信道和数据信道两个部分。其中，控制信道是给阅读器之间的通信使用的，用来控制阅读器的开启与关闭；数据信道则用于阅读器和标签之间的数据信号传递。控制信道要求任意两个可能有数据信道碰撞的阅读器之间能够通讯，以便确保两个阅读器之间避开碰撞，则控制信道的作用范围要比阅读器产生频率干扰时的数据通道的范围还要大。研究表明，为了控制信道的通信范围大于数据信道的频率干扰范围，可以增加控制信道的发射功率。 载波侦听算法，实现比较简单，如今也发展了很多的不同的形式，这其中包含“非坚持”型 CSMA 算法，“1-坚持”型 CSMA 算法，“P-坚持”型 CS

19、MA 算法等。 23ppt课件阅读器协议实例1Pulse算法该算法是依据载波侦听的模式解决 RFID 阅读器网络中阅读器冲突问题的算法。Pulse 算法的流程图如图所示。24ppt课件25ppt课件 从上面的流程图可以发现，在阅读器和标签通信前，阅读器保持一段空闲时间。当空闲状态时间超过设定的空闲时间Tmin同时其他阅读器没有发出BEACON的信息即没有相邻其他阅读器与标签发生通信行为，则该阅读器与其他阅读器处于同一起跑线处于竞争模式，直到有 Beacon 信号发出，阅读器重新进入空闲状态，再次开始等待当阅读器与标签达成通信协议时，阅读器每隔一段时间会发出Beacon 信号，表明阅读器正与标签

20、进行通信，以使其他阅读器处于空闲状态，直至通信完成为止。通常，Pulse 算法适合用于动态拓扑变化比较频繁的网络。26ppt课件 该算法中，在阅读器和标签通信之前，阅读器处于等待状态。在等待状态，阅读器先等待一定的时间 T min，该时间类似于 802.11 协议中的 DIFS 时间。阅读器等待该时间后，如果没有收到其他阅读器发出的 Beacon 信号，该阅读器将认为没有近邻的阅读器正在和标签进行通信。那么，它将进入竞争状态并且随机选择一段时间。如果此时，阅读器收到了别的阅读器的 Beacon 信号，那么阅读器将重新回到等待状态,并且等待 T min 时间。在竞争状态中，如果阅读器等待了它随机

21、选择的一段时间后仍然没有收到其他阅读器发出的 Beacon 信号的话，该阅读器将在控制信道中发Beacon 信号并且通过数据信道和其范围内的标签进行通信。其原理简化图如下图 27ppt课件 在和这些标签进行通信的过程中，过一段较短的时间，该阅读器都发出 Beacon信号，直到和标签的通信结束。此时，该标签回到等待状态。每当阅读器发送出Beacon 信号之后，该阅读器首先检测控制信道，如果控制信道忙，将一直检测控制信道直到不忙为止。一旦控制信道空闲，该阅读器等到一段随机延迟时间，并且发送 Beacon 信号。该算法类似于传感器网络中的 BTMA 协议，实现起来比较简单，比较适合用在动态拓扑变化比

22、较频繁的网络。28ppt课件 阅读器协议实例2 Colorwave算法的核心思想是自适应图着色法。算法要是利用图着色的方式对阅读器网络中的每一个阅读器进行图着色，用不同的颜色来代表时隙，保证阅读器网络中的任意两个相邻的阅读器被分配的颜色相同的几率最小，同时要求系统用最少的颜色种类对阅读器网络进行图着色以及阅读器网络系统能用最少的时间来读取所有的标签。该算法实质为一种分布式的 TDMA 算法。为了防止阅读器间的冲突，使用了两种分布式算法：DCS(Distributed Color Selection)算法和 VDCS(VariableMaximum Distributed Color Selec

23、tion)算法。 29ppt课件 DCS算法在该算法中，每种颜色代表一个时隙，被分配给某种颜色的阅读器可以在该时隙中进行读写标签的操作。如果阅读器在读写标签的过程中，发现和其它阅读器发生了冲突，那么该阅读器随机选择一个新的颜色，并且发送一个kick信息包给它周围的所有的相邻阅读器来告诉自己选的新的时隙。如果相邻的 阅读器此时具有的颜色和该阅读器新选的颜色相同，那么相邻的这个阅读器将选 择一个新的颜色并且它也发送一个kick信息包。此过程一直执行到结束。在DCS算法中，最大的可以使用的颜色的数目是一个定值，在算法执行的过程中保持不变。30ppt课件其主要算法程序由三个子程序组成： (1)判断是否

24、执行子程序。即此程序首先判断当前的时隙的颜色是否和分配给阅读器的颜色一致。如果相同，阅读器开始工作；反之，阅读器继续等待，至相同颜色的时隙的到来。 (2)冲突子程序。该程序用来在阅读器信号相互干扰时，重新分配阅读器的颜色并通知其他阅读器。 （3）Kick 子程序。此程序的主要作用是，根据收到的 Kick 信息包，判断是否会与自己颜色的冲突。如果相同的话，该阅读器重新随机的挑选一个新的颜色。31ppt课件 在VDCS算法中，每个阅读器监测获得的成功通信的百分比。五个变量用来决定一个阅读器是否改变其最大的颜色： (1)Upsafe：增加最大颜色的门限百分比。当成功通信的百分比低于该值时，最大颜色增

25、加。 (2)UpTrig：增加最大颜色的触发百分比。当相邻阅读器增大其最大颜色的触发百分比大于该阅读器的最大颜色时，该阅读器使其最大颜色增大。 (3)Dnsafe，DnTrig：分别和Upsafe、UpTrig相对应，执行和它们相反的操作。 (4)MinTimeInColor: 在初始化或者改变颜色最大值之后时隙的最小数量，这个值是在olorwave 算法再次改变最大色彩值之前。32ppt课件 Colorwave算法建立在DCS算法之上。除了需要DCS算法中的子程序之外，还需要下面两个子程序： 1、颜色数目改变子程序：如果冲突发生的百分比超过了SAFE门限，并且在当前最大颜色消耗的时间超过了最

26、小时间门限，那么将增大最大颜色或者减小最大 颜色（取决于超过的门限），并且在下一个重复阶段发送那个kick信息包。 2、kick信息包子程序。如果阅读器收到kick信息包，该信息包所包含的颜色内容和自己的当前颜色一致，那么该阅读器将随机在最大颜色范围内除了当前颜色选择一种新的颜色。如果阅读器收到的kick信息包中表明最大颜色发生改变，并且冲突百分比超过了触发门限，而且在当前最大颜色消耗的时间超过了最小时间门限，那么阅读器将改变最大颜色值为kick信息包中所包含的最大值并在下一个重复阶段，发送包含该最大值的kick信息包。33ppt课件 时隙的要求：时隙必须与所有的阅读器同步 ，每个阅读器都分配

27、一个时间间隔，在这个时间内又分为三个时间段sttktcommt34ppt课件 在这两个算法中，什么时候阅读器选哪个时隙传输，这由传输概率决定。 传输概率=伯努力概率p= 在Colorwave算法中，传输概率并不是严格意义上的伯努力概率，因为他的最大颜色数改变的，但是也可以计算的。 p required to produce the first-order arrival time t% equal to the Colorwave “transmission probabilitykmkkmPPC )1 (35ppt课件对这两个算法进行仿真设定条件：1、5种阅读器图，分别为稀疏、中等、密集、网

28、格和Hex其中稀疏、中等、密集随机形成图形，网格和Hex分别为正方形网络和六边形模型。2、对Colorwave算法假设了四种方案在TABLE1表中每种方案输入迭代100000次且传输速率分别为5%, 25%, 50%, 75%, and 100%,Colorwave MinTimeInColor参数为 100, 500, and 1000, 进行60次的仿真。对DCS传输速率一样，最大色彩参数分别为3、4、6、8、10、12，每个图仿真30次，36ppt课件图（1）Performance of DCS on sparse example graph37ppt课件 图（2）Performance

29、 of Colorwave Set 4 on sparse example graph比较里DCS和Colorwave，发现的特性在各个方面不如Colorwave的性能，例如上图（1）和（2）是在传输速率为100%，为了实现98%的成功传输，Colorwave每个阅读器需要平均4到4.5颜色（根据the MinTimeInColor 参数）而DCS需要8到10个颜色。38ppt课件 Performance of Colorwave Set 4 on sparse example graph39ppt课件 阅读器应用实例3 基于调度方式的多阅读器防碰撞算法本文算法基于调度方式，利用分簇的思想，引

30、入预约、休眠机制，将RFID 系统的读取过程分为竞争、预约和传输3 个阶段，通过优化预约阶段可以实现传输阶段的阅读器无碰撞通信。算法原理及流程 在竞争阶段，引入CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)机制监听信道，竞争簇首。在预约阶段，簇首送预约命令安排通信小组内的受控阅读器预约通信顺序。在传输阶段，簇首利用预约阶段获得的碰撞信息，控制选取正确时隙的阅读器进行通信，完全避免了阅读器间的信号碰撞。在一轮通信结束后，完成通信任务的阅读器进入去活态，簇首根据碰撞值来决定是否进行新一轮预约。如此重复预约阶段和传输阶段

31、，直到完成通信小组内所有的应答请求。40ppt课件 算法流程41ppt课件 算法设计 1、 算法约定 每个阅读器包含一个碰撞寄存器，用于添加阅读器间的通信结束命令、通信顺序表、簇首的碰撞值和休眠计数值。1)阅读器工作状态 休眠态(1)：除计数器外，不响应阅读器任何命令； 待命态(0)：处于待命状态，随时准备进行数据传输； 半休眠态(1)：只响应预约命令； 去活态(其他)：通信结束的阅读器进入去活状态，不再响应阅读器的任何命令。42ppt课件 (2)阅读器间的通信命令Reservation(1, Nc)： 预约命令（1、Nc）， Nc为 预约序号的最大值。簇首发送此命令，只有通信小组内的半休眠态

32、阅读器才响应； End：通信结束命令，发送此命令的阅读器释放此次通信占有权，通信状态转为去活态，组内其他阅读器休眠度减1。(3)阅读器预约时隙状态预约命令，通信小组内的受控阅读器进行通信顺序号(即时隙号)的预约，将时隙分为3 类：空闲时隙没有阅读器选择的时隙；正确时隙只有一个阅读器选择的时隙；碰撞时隙2 个及2 个以上阅读器选择的时隙。通信小组的定义为存在潜在相互干扰的阅读器(包括簇首)及其阅读范围之内的应答器。后续的所有通信都是基于通信小组进行的。部分阅读器虽在簇首控制的范围内, 但并没有读取应答器的需求, 我们也不认为它属于通信小组。43ppt课件临时簇首的产生过程由如下几步完成: 多个阅

33、读器可通过自由竞争的方式竞争临时簇首, 如载波侦听多路访问(CSMA)等。其方法可以是阅读器先进行信道监听, 一旦确认周围没有阅读器工作, 则发送簇首竞争命令竞争临时簇首; 竞争成功的阅读器发送消息通知相邻的阅读器, 确立其簇首地位; 竞争失败的阅读器接收到临时簇首的通知消息后, 成为通信小组的受控阅读器, 受控于临时簇首。从阅读器到临时簇首的角色变化是在基于阅读器通信需求的公平竞争原则下进行的, 只有存在通信需求的阅读器才会参与竞争。当通信小组内的所有阅读器(包括簇首)通信结束后, 临时簇首的地位将自动丧失。待下一轮通信开始时, 所有阅读器根据通信需求, 重新竞争簇首。44ppt课件算法的阶

34、段设计算法的阶段设计算法阶段设计具体如下：(1)竞争阶段该阶段的目标是阅读器通过竞争产生簇首。竞争阶段的具体步骤如下：1)在标签进入电磁场区域后，接收阅读器发出的射频信号，并被激活。2)有通信请求的阅读器采用CSMA/CA 机制监听信道。若信道空闲，则自由竞争产生簇首；若信道繁忙则等待到空闲时再竞争。3)竞争成功的阅读器成为簇首，发送信息通知周围的阅读器，确定其簇首地位；竞争失败的阅读器接收到来自簇首的消息后，成为受控阅读器，与簇首一起构成一个通信小组。45ppt课件(2)预约阶段该阶段的目标是在尽量短的时间内获取当前阅读器时隙分配的碰撞信息，以此控制下阶段的无碰撞通信。预约阶段的步骤如下：1

35、)簇首的碰撞值初始化为0，休眠度初始化为0(待命态)，各受控阅读器休眠度初始化为1(半休眠态)。2)簇首发送预约命令Reservation(1, Nc)。3)受控阅读器从预约范围内随机选择一个时隙Ni 作为自己的时隙号并返回给簇首。4)簇首检测回复的时隙预约情况。若碰撞时隙个数0，则簇首的碰撞值置1，并根据碰撞时隙预估计出下次预约的顺序号范围(如1, Nc)；否则，置0。5)根据回复情况，簇首选出正确时隙，依次排成一个通信顺序表(如1, 3, 6, 9)。簇首判断此时的碰撞值，若为0，则将自己的通信顺序定义为0，加到顺序表中，形成新的通信顺序表(如0, 1, 3, 6, 9)。46ppt课件6

36、)预约成功的阅读器休眠度加1，转为待命态，进入阶(3)；否则，仍为半休眠态，等待下次预约命令的到来。(3)传输阶段该阶段的目标是利用预约阶段获得的碰撞信息，控制选取正确时隙的阅读器进行通信，以完全避免信号碰撞。传输阶段的工作过程如下：1)簇首将阶段(2)的通信顺序表发送给各受控阅读器(如0, 1, 3, 6, 9)，只有预约成功的阅读器接收(其他阅读器已进入半休眠态，故不响应)。2)各受控阅读器判断自己的预约顺序号Ni 在通信顺序表中的位置，并按表中的顺序，各阅读器的休眠计数器从0 开始依次加1。3)休眠计数器为0 的阅读器开始通信，通信顺序表中的其他阅读器(休眠计数1)处于休眠态。4)获得此

37、次通信占有权的阅读器开始与读取范围内的标签通信。47ppt课件5)当前通信结束后，发送通信结束命令，进入去活态，不再响应阅读器任何命令；收到此命令的其他阅读器休眠度均减1。返回到过程(3)。6)一轮通信结束后，簇首判断碰撞值。若为1，则返回阶段(2)，继续新一轮预约；若为0，则通信结束。根据上述设计描述，可知该算法中阅读器碰撞只发生在预约阶段，因此，选取恰当的预约阶段长度，在理想信道情况下将会完全消除碰撞，从而极大地提高系统效率。在传输阶段的每个时隙内，只有收发阅读器活跃，其他受控阅读器进入休眠状态，从而降低了能量消耗。48ppt课件假设当前通信小组内有 Nr 个阅读器，预约序号的选择范围为1

38、, Nc(不包括簇首的顺序号)。有M 个受控阅读器预约同一顺序号的概率服从二项分布： （1）其中，当 M =1时，P1 表示阅读器选择正确时隙的概率，则预约成功的阅读器数目E 为： （2）系统的通信效率 e 定义如下 （3） 49ppt课件其中，L1 表示竞争阶段时隙的长度；L2 表示阅读器预约时隙的长度；L3 表示阅读器与标签通信时隙的长度。由式(2)和式(3)可得： （4）其中，令： 50ppt课件 由式(4)可以看出，要使系统效率最大化，需要最小化的值。因此，在阅读器的竞争时隙L1 和通信读取时隙L3 一定的情况下，应尽量减小L2 的值从而提高系统效率。由文献6可知，若RFID 系统采用

39、曼彻斯特编码来判别碰撞位，可在若干比特内完成预约过程的碰撞检测，从而缩短L2。同时，根据当前的Nr 选择合适的Nc，可对系统效率进一步优化。于是有 对Nr 求导： 由式(5)可得，系统效率最优时，Nc 与Nr 满足以下关系：51ppt课件 （6） 泰勒级数展开，有： Nc Nr+1 Nr (7) 算法的系统效率与预约时隙数 Nc 的选择有关。若Nc 远小于Nr 时，会增加碰撞的概率；而Nc 远大于Nr 时，又会造成时隙浪费。由上述理论可知，当Nc 与Nr 接近相同时，可优化系统效率。图 2 给出在不同k 和Nc 下，系统效率随Nr 变化的曲线。由图2 可知，当Nc 与Nr 满足式(7)关系时，

40、系统效率达到峰值；随着k 的增大，系统可以达的最大效率逐渐升高。52ppt课件由上述分析可知，通过缩短预约过程的长度L2以及选择最佳的Nc 可使系统效率最优化。但是，在实际系统中，组内受控阅读器数目Nr 通常是未知的，而Nc 的确定依赖于Nr的估计值，因此，快速准确地估计出Nr，可以进一步提高系统效率。 图图2 2 参数参数k k 和和Nc Nc 对系统效率的影响对系统效率的影响 53ppt课件本文采用 Lowbound 算法，当簇首发送预约命令后，根据组内各受控阅读器回复的时隙情况进行阅读器数目的估计。假设时隙数目分别为空闲时隙 、正确时隙 和碰撞时隙 。由于碰撞时隙中至少有2 个阅读器，因

41、此发生碰撞的阅读器最少为2 个，那么可以得到通信小组中的受控阅读器数目C 为：C= +2 (8)式(8)结果为受控阅读器数目的下界。为了进一步精确估计值，对其进行修正，得到新的估计值： (9)其中， 为经验修正参数，通常取值为58。由式(9)估计出内受控阅读器的数目Nr，再由式(7)获得下次预约顺序号的范围为1,Nc，从而进一步提高系统的工作效率。0C1CNCNC0CNC CNr54ppt课件算法仿真PULSE 算法是调度方式中总体性能评价较好的算法，接下来在Matlab 平台上对本文算法与PULSE 算法的系统效率进行仿真。系统仿真的场景设置为200 m200 m 的区域，阅读器的读取半径为

42、4 m，在区域内均匀分布，要求阅读器的信号能够覆盖其通信范围内的所有标签。设式(9)中的经验修正参数 为6。具体仿真参数设置如表1，其中，N/A 表示没有数据。表1 仿真参数设置55ppt课件 图2 给出了预约过程的示例。如图所示, 在得到的预约结果中存在三类序号:没有阅读器选择的“空号” , 如第2 , 5 号;只有一个阅读器选择的“正确号” , 如第1 , 3 , 6 号;有两个或两个以上阅读器选择的“碰撞号” , 如第4 号。显然, 只有选择“正确号”的阅读器可以在后续的通信过程中进行无碰通信。在此基础上, 临时簇首根据预约顺序表的信息重新排列得到一个无碰撞的阅读器正确通信顺序表, 如图

43、2 所示。这一重排结果表示只有预约了时隙1 , 3 , 6的阅读器可以得到通信机会, 而其它阅读器则在此次预约中失败, 等待下一轮预约。56ppt课件本文阅读器识别标签采用的是 ISO/IEC180006C 协议规定的Q 算法，其中，Q 参数初始值Q0 设为4.0，更新步长C设为 0.2。Q 算法是以基于动态帧时隙ALOHA 算法为基础，通过动态调整Q 值来减少碰撞概率的算法。Q 算法具有运算量低的优点，能迅速获取最优帧长度C 值，关键参数C 决定了算法的速度和收敛精度。Q 算法所需时隙数如图3 所示。57ppt课件 PULSE 算法将通信信道分为数据信道和控制信道。数据信道用于阅读器与标签间

44、的通信，控制信道用于阅读器间的通信。这样，2 个信道上的数据传输不会相互影响，以此避免碰撞。但是每个阅读器通信时都要重新竞争获取信道，效率较低。本文算法没有进行信道划分，而是通过簇首来安排组内成员进行预约通信顺序，从而避免了传输阶段的信号碰撞，减少系统开销。在RFID 系统中，采用曼彻斯特编码来缩短预约过程的长度，并且选择合适的Nc 值进一步提高系统效率。58ppt课件 本文算法与PULSE 算法通信过程所需时隙数比较如图 4所示，在相同阅读器数目的情况下，本文算法所需时隙数要少于PULSE 算法，读取速度更快，随着阅读器数目的增加，差距越发明显。当阅读器数目为 100 时，系统划分为10 个

45、并行工作的通信小组，各通信小组之间互不干扰，本文算法比PUSLE 算法节省了大约600 个时隙。59ppt课件 综上所述，PULSE 算法中增加的控制信道会占用系统额外的频率资源，并消耗阅读器额外的功耗。本文算法引入了休眠机制，使传输阶段中无通信请求的阅读器进入休眠态，减少系统功耗。60ppt课件 5、 总结 随着RFID技术的发展和应用的推广,一些相关的问题如通讯距离、数据安全和防碰撞问题受到越来越广泛和深入的研究。防碰撞问题是RFID技术中最重要的研究问题之一,现在已经有几种基于不同算法的防碰撞解决方案。这些方法按其特点被运用在不同类型的RFID系统中,如基于时隙法的RFID系统具有处理简单,成本低廉的特点,而基于二进制算法的RFID系统具有使用灵活,识别成功率高的特点。目前普及射频识别系统还需要一段时间,主要问题在于造价高,所以今后的射频识别系统的开发不仅要保证识别的快速性、稳定性和准确性,在硬件方面也要做到精益求精。防碰撞算法的开发趋势也要向这个方面发展。我相信在不久的将来射频识别技术会走进千家万户,成为我们必不可少的生活用具。61ppt课件