RFID系统如何防串读？

发布日期：2021-02-26 10:13:37 作者：Ling 点击：18297

RFID系统中的串读与防串读
一、RFID系统中的串读

总体来说，RFID系统存在两类串读问题：一类称为多标签串读问题，即多个标签与同一个读写器同时通信时产生的串读；另一类称为多读写器碰撞问题，即相邻的读写器在其信号交叠区域内产生干扰，导致读写器的阅读范围减小，甚至无法读取标签。

当相邻的RFID读写器作用范围有重叠时，多个读写器同时读取同一个标签时可能会引起多读写器与标签之间的干扰，标签同时收到3个读写器的信号。在这种情况下，标签就无法正确解析读写器发来的查询信号。

RFID读写器自身有能量供应，能够进行较高复杂度的计算，所以读写器能够检测到碰撞的产生，并能够通过与其他读写器之间的交流互通来解决读写器的碰撞问题，如读写器调度算法和功率控制算法都能比较容易地解决读写器碰撞问题，因此，一般讨论防碰撞都是针对多标签的碰撞而言的。本章后续部分讨论的防碰撞也都是针对多标签的防碰撞问题。
多标签碰撞是指读写器同时收到多个标签的信号而导致无法正确读取标签信息的问题。读写器发出识别命令后，各个标签都会在某一时间做出应答。在标签应答过程中会出现两个或者多个标签同一时刻应答，或一个标签还没有完成应答时其他标签就做出应答的情况。这会使得标签之间的信号互相干扰，降低读写器接收信号的信噪比，从而造成标签无法被正常读取。RFID读写器作用范围内的多个标签同时向读写器发送数据，从而导致读写器无法正确识别这些标签。

二、RFID系统中防串读算法分类
RFID电子标签的低功耗、低存储能力和有限的计算能力等限制，导致许多成熟的防碰撞算法（包括空分多路法、频分多路法、码分多路法和时分多路法）不能直接在RFID系统中应用。这些限制可以归纳为：
1、无源标签没有内置电源，标签的能量来自于读写器，因此算法在执行的过程中，标签功耗要求尽量低；
2、RFID系统的通信带宽有限，因此防碰撞算法应尽量减少读写器和标签之间传输信息的比特数目；
3、标签不具备检测冲突的功能而且标签间不能相互通信，因此冲突判决需要读写器来实现；

4、标签的存储和计算能力有限，这就要求防串读协议尽可能简单，标签端的设计不能太复杂。
因此，需要根据RFID系统的特点，在已有防串读方法的基础上，设计相应的防串读算法。
1. 无线通信中的防串读方法
无线通信技术中，解决防碰撞的方法主要包括空分多路法（SDMA）、频分多路法（FDMA）、码分多路法（CDMA）和时分多路法（TDMA）。

（1）空分多路法。空分多路法（Space Division Multiple Access，SDMA）是在分离的空间范围内实现多个目标识别，其实现的方法有两种。一种方法是将读写器和天线之间的作用距离按空间区域进行划分，把大量的读写器和天线安置在一个天线阵列中。当标签进入这个天线阵列的覆盖范围后，与其距离最近的读写器对该标签进行识别。由于每个天线的覆盖范围较小，相邻的读写器识别范围内的标签同样可以进行识别而不受相邻读写器的干扰，如果多个标签根据在天线阵列中的空间位置的不同，可以同时被识别。另外一种方法是，读写器利用一个相控阵天线，通过让天线的方向性图对准单独的标签，这样标签根据其在读写器作用范围内的角度位置的不同而区别开来。空分多路法的缺点是需要使用复杂的天线系统，会大幅度提高RFID设备的成本。

（2）频分多路法。频分多路法（Frequency Division Multiple Access，FDMA）是把若干个使用不同载波频率的调制信号在同时供通信用户使用的信道上进行传输的技术。通常情况下，RFID系统的前向链路（从读写器到标签）频率是固定的，用于能量的供应和数据的传输。对于反向链路（从标签到读写器），不同的标签采用不同频率的载波对数据进行调制，这些信号之间不会产生干扰，读写器对接收到的不同频率的信号进行分离，从而实现对不同标签的识别。频分多路法的缺点是导致读写器和标签的成本要求较高。因此在实际RFID系统的应用中，频分多路法也很少使用。

（3）码分多路法。码分多路法（Code Division Multiple Access，CDMA）是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。扩频技术包含扩频（Spread Spectrum）与多址（Multiple Access）两个基本的概念。扩频的目的是扩展信息带宽，即把需要发送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于其信号带宽的伪随机码进行调制，这样使原来的信息数据的带宽被扩展，最后通过载波调制发送出去。解扩是指在接收端采用完全一致的伪随机码，与接收到的宽带信号进行相关处理，把宽带信号转换成原来的信息数据。多址是给每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠。码分多路法具有抗干扰性好、保密安全性高、信道利用率高等优点；但是该技术也存在诸多缺点，如频带利用率低、信道容量小、伪随机码的产生和选择较难、接收时地址码捕获时间长等，所以该方法很难应用于实际的RFID系统中。

（4）时分多路法。时分多路法（Time Division Multiple Access，TDMA）是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。时分多路复用是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传输，将整个传输时间分为许多时间间隔，每个时间片被一路信号占用。TDMA就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传输多路信号的，电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因为数字信号是有限个离散值，所以时分多路复用技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统。

2．RFID中防碰撞算法分类
目前RFID系统的标签防碰撞算法大多采用时分多路法，该方法可以分为非确定性算法和确定性算法，防碰撞算法的分类如图所示。

非确定性算法也称为标签控制法，在该方法中，读写器没有对数据传输进行控制，标签的工作是非同步的，标签获得处理的时间不确定，因此标签存在“串读”问题（Tag Starvation）。ALOHA算法是一种典型的非确定性算法，实现简单，广泛用于解决标签的碰撞问题。
确定性算法也称为读写器控制法，由读写器观察和控制所有标签。按照规定的算法，在读写器作用范围内，首先选中一个标签，在同一时间内读写器与一个标签建立通信关系。二进制树形搜索是典型的确定性算法，该类算法比较复杂、识别时间较长，但没有标签串读问题。