射频识别技术第四章.

第四章RFID的标签识别协议RFID系统的两种冲突•阅读器之间的干扰冲突，由多个阅读器同时发送信号引起•标签之间的冲突干扰，由多个标签同时响应阅读器引起三种防冲突协议•基于时分多址（TDMA）的防冲突协议•基于频分多址（FDMA）的防冲突协议•基于载波侦听多路访问（CSMA）的防冲突协议§4.1基于ALOHA的防冲突算法•纯ALOHA算法•工作原理：站点只要产生帧就立即发送，在规定时间内收到应答则发送成功，否则重新发送。•重发策略：等待一段随机的时间再次发送，若再次冲突，则再等待随机时间后发送，直到不再冲突。•优点：简单易行•缺点：极容易产生冲突§4.1基于ALOHA的防冲突算法•纯ALOHA算法用于只读系统。当应答器进入射频能量场被激活以后，它就发送存储在应答器中的数据，且这些数据在一个周期性的循环中不断发送，直至应答器离开射频能量场。§4.1基于ALOHA的防冲突算法•时隙ALOHA算法（S-ALOHA）•把纯ALOHA算法的时间分为离散的时间段(时隙)，每个时隙大于或等于标签标识符发送的时间长度，每个标签只能在时隙开始时刻发送标识符.•ISO/IEC14443TYPEB采用的就是这种算法作为防碰撞算法§4.1基于ALOHA的防冲突算法•基于帧的时隙ALOHA算法•在S-ALOHA算法的基础上，将若干个时隙组织为一帧，阅读器以帧为单元进行识别，就形成了基于帧的时隙ALOHA算法（FSA）•FSA算法是目前RFID系统中最常用的一种基于ALOHA的防冲突算法§4.1基于ALOHA的防冲突算法•FSA算法思想•每一帧开始阅读器广播下一帧的长度f，并激活区域内的所有标签•每个标签在接收到帧长f后，随机独立地在0~(f-1)之间选择一个整数作为自己发送标识符的时隙序号SN，并将其存在寄存器中•在下一帧的每个时隙开始，如果标签SN的值等于0则立即发送标识，否则零SN=SN-1且不发送标识§4.1基于ALOHA的防冲突算法•如果有冲突发生，则标签进入等待状态，在下一帧重新选一个时隙发送标识符•阅读器不断重复上述过程，直到在某一帧中没有收到任何标签信号，则认为所有标签均被识别•FSA算法中有三种时隙，空时隙、单时隙和冲突时隙。只有单时隙阅读器才可以成功识别一个标签。§4.1基于ALOHA的防冲突算法•FSA算法中帧长是固定的，当标签个数远大于帧长时，发生冲突的概率会增加，识别标签的时间也会极大的增加。•标签个数远小于帧长时又会造成时隙的浪费。•理论证明，当帧的长度等于阅读器场内标签数目时，FSA才能获得最佳的识别性能。§4.2基于二进制数的防冲突算法•基于二进制数的防冲突算法思想按照递归的方式将冲突的标签集合划分成两个子集，直到集合中只剩下一个标签为止。•划分子集的算法随机二进制树算法：标签随机选择所属集合查询二进制树算法：按标签标识符划分子集§4.2基于二进制数的防冲突算法一、基于随机二进制树的防冲突算法每个标签维持一个计数器，初始值为0在每一个时隙开始，如果标签计数器为0则发送自己的标识符，否则不响应一旦标签识别成功则对阅读器的REQUEST命令不再响应每一个时隙结束阅读器将接收到的时隙状态反馈给标签，标签根据反馈结果对自己计数器进行调整§4.2基于二进制数的防冲突算法•标签计数器调整规则•若时隙为冲突时隙，则参与响应的标签随机给自己的计数器加0或1，没有参与响应的标签直接给自己的计数器加1.•若时隙为单时隙，被成功识别的标签进入沉默状态，未被识别的标签将自己的计数器减1.§4.2基于二进制数的防冲突算法二、基于查询二进制树的防冲突算法阅读器维持一个二进制前缀，初始值为0每个时隙开始时，阅读器广播该二进制前缀，标签将自己的标识符前几位与此二进制前缀进行比较，若相同则该标签发送标识符，否则保持沉默如果有冲突发生，则在下次查询中将原来的二进制前缀后面增加0或1，重新查询§4.2基于二进制数的防冲突算法例题：有六个标签处于阅读器场中，它们的ID分别为0010、0011、1001、1100、1101、1110，试描述查询二进制树的执行过程。§4.3防冲突算法的性能分析•基于ALOHA的防冲突算法简单，并且兼顾了公平性，但是存在标签饿死问题。•随机二进制树算法中标签不存在饿死问题，但标签需要维护一个内部状态•查询二进制树散发不存在饿死问题，但算法性能受到标签标识符长度的影响，并且通常比基于ALOHA的算法需要更长时间§4.4差错检测在RFID系统中，数据传输的完整性存在两个方面的问题：一是外界的各种干扰可能使数据传输产生错误；二是多个应答器同时占用信道使发送数据产生碰撞。运用数据检验（差错检测）和防碰撞算法可分别解决这两个问题。§4.4差错检测•差错：•包括随机错误、突发错误和混合错误。•随机错误：由信道中的随机噪声干扰引起。在出现这种错误时，前后位之间的错误彼此无关。•突发错误：由突发干扰引起，当前面出现错误时，后面往往也会出现错误，它们之间有相关性。•混合错误：既包括随机错误又包括突发错误。§4.4差错检测•突发错误的误码影响用突发长度b来表征。•突发长度b定义为：当产生突发错误时，错误图样中最前面的1和最后出现的1的间隔长度。如：突发错误长度为b=5。§4.4差错检测•差错的表示方法：•误比特率Pb：•误码元率Ps：•误字率PW：§4.4差错检测•差错控制•差错控制实现两部分功能：差错编码和差错解码。•差错控制的基本思想是在传输信息数据中增加一些冗余编码，使监督码元和信息码元之间建立一种确定的关系，在接收端根据已知的特定关系来实现错误的检测与纠正。§4.4差错检测•利用检纠错码进行差错控制的方法主要有：反馈重发（ARQ）、前向纠错（FEC）和混合纠错（HEC）三种。•反馈重发：发送端需要在得到接收端正确收到所发信息码元（通常以帧的形式发送）的确认信息后，才能认为发送成功。§4.4差错检测•前向纠错：接收端通过纠错解码自动纠正传输中出现的差错，所以该方法不需要重传。这种方法需要采用具有很强纠错能力的编码技术。•混合纠错：是ARQ和FEC的结合，设计思想是对出现的错误尽量纠正，纠正不了则需要通过重发来消除差错。§4.4差错检测•RFID中的差错检测•目前RFID中的差错检测主要采用奇偶校验码和循环冗余码（CRC），二者都属于线性分组码。§4.4差错检测•线性分组码•构成：由k个信息码元和r个监督码元构成，总码元个数为n=k+r。监督码元通过预定的线性关系与所在码组的信息码元相联系。线性分组码表示为（n，k）码。§4.4差错检测•线性分组码的性质（n，k）码可以构成2k个许用码组，这些码组具有下列性质•封闭性：任意两个码组模2和仍为一个码组•最小码距：码的最小距离d等于非零码的重量，即码组中非零码的数母。§4.4差错检测•线性分组码的检纠错能力：•若要检测码组中e位误码，则需要d≥e+1•若要纠正码组中t位误码，则需要d≥2t+1•若要纠正码组中t位误码，同时检测e位误码，则需要d≥t+e+1§4.4差错检测•奇偶校验码•奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验方法。•实现方法：在每个被传送码的后边加上1位奇偶校验位0或者1，若采用奇校验位，则要把每个编码中1的个数凑成奇数；若采用偶校验位，则需要把每个编码中1的个数凑成偶数。§4.4差错检测•检验原理：这种编码能发现奇数个位出错，但因为码距较小，不能实现错误定位。•对奇偶校验的评价：能发现奇数个位出错，但是没有错误定位和纠错能力。§4.4差错检测•CRC码：较强的检错能力，硬件实现简单。•算法步骤•将k位信息写成k-1阶多项式M(X)；•设生成多项式G(X)的阶为r；•用模2除法计算XrM(X)/G(X)，获得余数多项式R(X)；•用模2减法求得传送多项式T(X)，T(X)=XrM(X)-R(X)，则T(X)多项式系数序列的前k位为信息位，后r位为校验位，总位数n=k+r。§4.4差错检测•CRC的编码方法•将待编码的k位有效信息位表示为一个k-1阶多项式M(X)•将M(X)左移r位，得到M(X)Xr•用一个预先选好的r+1位的G(X)对M(X)Xr做模2除法，得到余数多项式R(X)，其中G(X)位r阶。•将M(X)Xr和R(X)做模2减法，形成长度为n=k+r的CRC码。§4.4差错检测§4.4差错检测•例题：选择生成多项式为G(X)=X4+X+1，请把8位有效信息11110111编码成CRC码。•解：•步骤1：M(X)=X7+X6+X5+X4+X3+X2+X1=11110111•步骤2：M(X)X4=111101110000（左移4位）•步骤3：模2除，M(X)X4/G(x)=111101110000/10011=11100101+1111/10011,即R(x)=1111•步骤4：模2减，得到CRC1111011100001111§4.4差错检测•检验原理•因为T(X)一定可以被G(X)模2整除，所以判断接收到的T(X)能否被G(X)模2整除，则可以知道在传输过程中是否出现错码。•编码标准•CRC-12：G(X)=X12+X11+X3+X2+X+1•CRC-16:G(X)=X16+X15+X2+1•CRC-CCITT:G(X)=X16+X12+X5+1