RFID應用中的防碰撞技術
通常,RFID系統存在兩種類型的碰撞問題:一種叫做多個標簽同時與同一讀寫器進行通信時發生碰撞,另一種稱為多讀寫器碰撞問題,也就是相鄰的rfid讀寫器在信號重疊區域內產生干擾,造成閱讀范圍縮小,甚至無法閱讀標簽。當相鄰讀寫器的作用范圍重疊時,多個讀寫器同時讀取相同的標簽可能會造成多個讀寫器和標簽之間的干擾。如圖,標簽同時收到多個讀寫器的信號。在這種情況下,標簽不能正確解析讀寫器發送的查詢信號。
讀寫器自身有能量供應,能夠進行較高復雜度的計算,所以讀寫器能夠檢測到碰撞的產生,并能夠通過與其他讀寫器之間的交流互通來解決讀寫器的碰撞問題,如讀寫器調度算法和功率控制算法都能比較容易地解決讀寫器碰撞問題,因此,一般討論防碰撞都是針對多標簽的碰撞而言的。
多標簽碰撞是指讀寫器同時收到多個標簽的信號而導致無法正確讀取標簽信息的問題。讀寫器發出識別命令后,各個標簽都會在某一時間做出應答。在標簽應答過程中會出現兩個或者多個標簽同一時刻應答,或一個標簽還沒有完成應答時其他標簽就做出應答的情況。這會使得標簽之間的信號互相干擾,降低讀寫器接收信號的信噪比,從而造成標簽無法被正常讀取。如圖所示為標簽碰撞示意圖,讀寫器作用范圍內的多個標簽同時向讀寫器發送數據,從而導致讀寫器無法正確識別這些標簽。
無線通信技術中,解決防碰撞的方法主要包括空分多路法(SDMA)、頻分多路法(FDMA)、碼分多路法(CDMA)和時分多路法(TDMA)。根據 RFID系統的特點,在已有防碰撞方法的基礎上,可以設計相應的防碰撞算法。
1)空分多路法
空分多路法(Space Division Multiple Access,SDMA)是在分離的空間范圍內實現多個目標識別。其實現的方法有兩種:一種方法是將讀寫器和天線之間的作用距離按空間區域進行劃分,把大量的讀寫器和天線安置在一個天線陣列中。當標簽進入這個天線陣列的覆蓋范圍后,與其距離最近的讀寫器對該標簽進行識別。由于每個天線的覆蓋范圍較小,相鄰的讀寫器識別范圍內的標簽同樣可以進行識別而不受相鄰讀寫器的干擾,如果多個標簽根據在天線陣列中的空間位置的不同,可以同時被識別。另外一種方法是,讀寫器利用一個相控陣天線,通過讓天線的方向性圖對準單獨的標簽,這樣標簽根據其在讀寫器作用范圍內的角度位置的不同而區別開來。空分多路法的缺點是需要使用復雜的天線系統,會大幅度提高RFID設備的成本。
2)頻分多路法
頻分多路法(Frequency Division Multiple Access,FDMA)是把若干個使用不同載波頻率的調制信號在同時供通信用戶使用的信道上進行傳輸的技術。通常情況下,RFID系統的前向鏈路(從讀寫器到標簽)頻率是固定的,用于能量的供應和數據的傳輸。對于反向鏈路(從標簽到讀寫器),不同的標簽采用不同頻率的載波對數據進行調制,這些信號之間不會產生干擾,讀寫器對接收到的不同頻率的信號進行分離,從而實現對不同標簽的識別。頻分多路法的缺點是導致讀寫器和標簽的成本要求較高。因此在實際 RFID系統的應用中,頻分多路法也很少使用。
3)碼分多路法
碼分多路法(Code Division Multiple Access,CDMA)是在擴頻通信技術的基礎上發展起來的一種無線通信技術。擴頻技術包含擴頻(Spread Spectrum)與多址(Multiple Access)兩個基本的概念。擴頻的目的是擴展信息帶寬,即把需要發送的具有一定信號帶寬的信息數據, 用一個帶寬遠大于其信號帶寬的偽隨機碼進行調制,這樣使原來的信息數據的帶寬被擴展,最后通過載波調制發送出去。解擴是指在接收端采用完全一致的偽隨機碼,與接收到的寬帶信號作相關處理,把寬帶信號轉換成原來的信息數據。多址是給每個用戶分配一個地址碼,各個碼型互不重疊。碼分多路法具有抗干擾性好,保密安全性高,信道利用率高等優點。但是該技術也存在諸多缺點,如頻帶利用率低、信道容量小,偽隨機碼的產生和選擇較難,接收時地址碼捕獲時間長等,所以該方法很難應用于實際的RFID系統中。
4)時分多路法
時分多路法(Time Division Multiple Access,TDMA)是把整個可供使用的通路容量按時間分配給多個用戶的技術。時分多路復用是按傳輸信號的時間進行分割的,它使不同的信號在不同的時間內傳輸,將整個傳輸時間分為許多時間間隔,每個時間片被一路信號占用。TDMA 就是通過在時間上交叉發送每一路信號的一部分來實現一條電路傳輸多路信號的。電路上的每一短暫時刻只有一路信號存在。因為數字信號是有限個離散值,所以時分多路復用技術廣泛應用于包括計算機網絡在內的數字通信系統。目前RFID系統的標簽防碰撞算法大多采用時分多路法。