微波應答器的防碰撞技術分析與實現

摘要:微波RFID技術是目前RFID技術中最活躍、最受關注和發展最為迅速的領域。由于RFID在應用中不可避免地存在碰撞問題，造成了數據讀取的不可靠和不正確，該文對RFID的碰撞問題作了研究，并以無源UHF集成芯片XRA00為例分析微波應答器的防碰撞技術和實現方法，以及在EPC中的應用。

關鍵字:RFID;微波應答器;防碰撞算法;二進制樹;EPC編碼

中圖分類號:TP302文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5943-02

Microwave Transponder Anti-collision Technology Analysis and Implementation

JIANG Shi-fen， ZHANG Zheng-yong

(Jiangmen Polytechnic， Jiangmen 529090， China)

Abstract: Microwave RFID technology is currently the most active RFID technology， the most attention and the fastest growing areas. As RFID applications inevitably exist in the collision， resulting in unreliable data read and not correct this on the RFID collision problem is studied， and in case of passive UHF ICs XRA00 analysis of microwave transponder anti-collision technology and methods， and the EPC application.

Key words: RFID; microwave transponder; anti-collision algorithm; binary tree; EPC code

RFID(Radio Frequency IDentification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。一套完整的RFID系統通常由Reader(讀卡器)和Transponder(應答器)兩部分組成。RFID的工作頻率分低頻(LF，常用125kHz)、高頻(HF，常用13.56MHz±7kHz)和微波，微波頻段包括特高頻(UHF，433MHz，866~960MHz，2.45GHz)和超高頻(SHF，5.8GHz，24GHz)，微波RFID技術是目前射頻識別技術最活躍的技術領域之一，與低頻和高頻的RFID相比，工作距離較遠，通常大于1m，在讀寫器的作用范圍內，可能會有多個應答器(標簽)存在，這些應答器的數據同時傳送到讀寫器時出現沖突即數據碰撞，導致讀寫器無法讀出數據。因此，必須有較快的、有效的處理碰撞的能力，此外，在一些應用中會出現密集閱讀器的情況，因些閱讀器之間的相互干擾問題也需要有較好的對策。

1 微波應答器的防碰撞技術

1.1 微波應答器工作原理

微波應答器的基本電路組成和其他頻段的RFID應答器相同，它的特點是工作頻率高、作用距離遠，因而在能量獲取和信息傳送的方式上有所不同。

微波應答器的能量獲取方式有三種，一是僅從射頻能量獲得，應答器不帶電池，其信息傳輸采用基于反向散射原理的反射調制;二是應答器帶有附加電池，但僅提供芯片運轉能量，通信能量仍通過射頻獲得;三是所帶電池提供芯片運轉和通信所需的能量。利用電池提供通信所需能量的應答器，其信息傳輸可采用通信技術的多種通信方式主動發送信息。

通信能量靠閱讀器傳送來的射頻能量的應答器，其信息傳輸采用基于反向散射原理的反射調制。當電磁波從發送天線向周圍空間輻射時，如果遇到目標，到達目標的能量部分被目標吸收，另一部分能量以不同強度散射到各個方向上，其中反向散射到發射天線的一小部分能量被發送天線接收，這種現象稱為反向散射。RFID技術利用反向散射原理將應答器的數據傳輸到閱讀器。

1.2 RFID防碰撞技術

考慮到RFID系統通信形式、功耗、系統的復雜性及成本等因素，選擇時分多址(TDMA)方式來實現射頻識別系統的防碰撞機制是最普遍的方法。TDMA法通常被分為兩大類:讀寫器控制防碰撞法和射頻卡控制防碰撞法。

讀寫器控制防碰撞法是以讀寫器為主動控制器，進入射頻場的所有射頻卡同時由讀寫器進行控制和檢查。閱讀器依據射頻卡的ID號(Identification number)首先向射頻卡發射不同的詢問信號或指令，閱讀器依據選舉方法或二進制樹尋找方法，在同一時間內總是建立起一個通信關系，并且可以快速地按時間順序操作射頻卡。

射頻卡控制法以射頻卡為主控制器，讀寫器對數據傳輸沒有控制。讀寫器發出指令后，由射頻卡依據自己的ID號(每個射頻卡的ID號是唯一的)隨機產生應答時間。這時閱讀器發送信息如果有沖突，則射頻卡要等到下一個時隙到來時再重新產生響應時間(即自動排隊)，使射頻卡在不同的時間段發回數據，讀寫器只是被動的接收數據。若有兩張以上的射頻卡同時反應，則讀寫器認為該數據無效，會重發指令，直到識別出場中的所有射頻卡。

1.3RFID防碰撞算法

現階段RFID系統應用中，基于TDMA的防碰撞算法目前有兩種:基于比特位的二進制搜索算法和基于時隙的ALOHA 算法。

1.3.1二進制樹搜索算法

二進制樹型搜索算法是時分多址法，按照其工作方式可分為兩種。

一種是基于序列號的方法:每個應答器擁有一個唯一的序列號UID(Ubiquitous IDentifications，身份識別標簽)，閱讀器和多個應答器這間按規定的相互握手(命令和應答)的順序進行通信，以實現在較大的應答器組中選出所需的應答器，該算法要求閱讀器能準確辯別碰撞的位置(位檢測)。

另一種是基于隨機數和時隙的方法，該方法采用遞歸的工作方式，遇到碰撞就進行分支，成為兩個子集。這些分支越來越小，直到最后分支下面只有一個信息色或者為空。這種算法稱為樹型算法，每次分割使用搜索樹增加一層分支。

1.3.2 時隙ALOHA(Slotted-ALOHA)算法

純ALOHA是多路存取中最簡單的方法，它是一種隨機接入算法，采取射頻卡進入讀寫器的閱讀區域就自動向讀寫器發送其自身的ID，隨即射頻卡和讀寫器間開始通信。在卡發送數據的過程中，若有其他卡也在發送數據，那么發生信號重疊從而導致完全沖突或部分沖突。讀寫器檢測接收到的信號來判斷有無沖突。一旦發生沖突，讀寫器就發送命令讓標簽停止發送，隨機等待一段時間后再重新發送以減少沖突。

時隙ALOHA(Slotted-ALOHA)算法是在純ALOHA算法的基礎上把時間分成多個離散時隙，射頻卡只能在每個時隙的分界處才能發送數據。這樣射頻卡或成功發送或完全沖突，避免了純ALOHA算法中的部分沖突，使沖突期減少一半，提高了信道的利用率。但是這種方法需要一個同步時鐘，使得讀寫器閱讀區域內所有射頻卡的時隙同步。經改進發展動態時隙ALOHA算法，該算法可動態地調整時隔的數，即發生數據碰撞后，閱讀器就用下一個請求命令增加可使用的時隙數，直到不出現碰撞為止。

2 微波無源應答器芯片XRA00的防碰撞分析與實現

XRA00是一個工作在甚高頻的用于射頻識別的無源應答器或標簽集成電路。該芯片采用860~960MHz ISM 頻帶載波頻率，接收信號是異步脈寬調制(PWN)脈沖編碼的50%到100%幅度鍵控(ASK)調制信號，應答為雙相空間編碼信號，內含帶鎖存的128位EEPROM和96位ePC。

XRA00芯片的防碰撞技術基于二進制樹和時隙相結合的算法，通過防碰撞命令PINGID實現。PingID命令將XRA00設備按其ID碼通過XRA00分塊響應劃分成 8個獨立時間片，或響應窗口。分塊提供了二進制ID代碼樹反碰撞算法的依據。如圖1所示的二元樹表示在XRA00地址空間前4個LSB 位，雖然只有前4個位顯示，二進制樹結構適用于整個XRA00編號代碼(XRA00Class- 1b的96位)。對于用PingID命令[PTR] = 0，[LEN] = 1和[VALUE] = 0時，XRA00設備其最低有效位是0000b回應0，最低有效位是0010b回應1 ，...，最低有效位是1110b回應7。可以從每個二進制位尋找出XRA00設備的反向散射調制，并由此得出產生碰撞的XRA00。

假設兩個XRA00芯片應答器，其地址低位為0111b和1011b，其防碰撞過程如下:

1) 第一步:假設閱讀器第一次發出的PINGID命令為:

Query1

[CMD]=0000 1000(PINGID命令碼)

[PTR]=0000 0000(00H)

[LEN]=0000 0001(01H)

[VALUE]=1

接收到該命令的XRA00芯片將存儲器中最低地址位(00H)的值與[VALUE]的值進行比較，最低地址位的值為1的XRA00芯片獲得匹配，應答PINGID命令，發出從最低地址位開始的8位數據，如圖2所示，而發送時隙由高于匹配位的最低3位確定。例如，低4位為0111和1011的XRA00芯片都可匹配[VALUE]，但發回的時隙為第3(011)和第5(101)時隙，如圖3所示。若閱讀器在各時隙收到的應答沒有碰撞，則防碰撞過程結束。若閱讀器在某時隙發現了碰撞，則進入第二次詢問。設在第3(011)時隙檢測到碰撞，則轉入第二步。

2) 第二步:閱讀器發出第二次PINGID命令，詢問樹如圖3所示，命令如下:

Query1

[CMD]=0000 1000

[PTR]=0000 0000(00H)

[LEN]=0000 0100(04H)

[VALUE]=0111

假定在第3時隙發回響應的XRA00芯片低7位的數據分別為001 0111，110 0111，111 0111，則它們在接收到第二次PINGID命令后會分別在第3、第6和第7時隙發回應答(如圖4所示)，閱讀器此時便可識別出各個XRA00芯片。

若仍有碰撞，則可再進行詢問識別，直到完成防碰撞過程。

3 微波應答器的EPC典型應用

EPC系統是集編碼技術、射頻識別技術和網絡技術為一體的新興技術，EPC系統射頻標簽與視頻識讀器之間是利用無線感應方式進行信息交換的，而XRA00芯片正是存儲EPC編碼的芯片，即作為EPC射頻標簽，XRA00全面支持ePCglobal Class 1b防沖突協議，由于多個標簽常處于同一個閱讀器射程范圍內(如零售商業環境)，因而在這種情況下就需要防沖突機制。XRA00芯片提供的刪除命令(通常叫做\"隱私\"命令)可在工作期結束(如當顧客離開商店時)時永久地禁用該器件。款器件內的非易失性存儲器還可以使用戶能夠在供應鏈的應用點來為標簽進行編程，同時允許給一個特殊的物品分配一個專用代碼，或者在標簽通過系統時更改標簽內的數據，其典型編程時間為30ms。

低廉的RFID IC特別適合大批量的電子條形碼應用，在強盛的市場導向下，RFID技術、EPC與物聯網在世界范圍內必將引起一場重大的變革，它正成為未來一個新的經濟增長點。

4 結束語

本文在分析微波應答器的防碰撞技術與防碰撞算法的基礎上，分析了實用的無源應答器芯片XRA00的防碰撞機制，將傳統的二進制搜索樹算法與時隙ALOHA算法完美結合，實現微波頻段無源應答器防碰撞技術，將之應用于EPC系統，將提高系統可靠性和運行效率，對降低整個物聯網的成本可起到較關鍵的作用。

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