无线射频识别系统中的防碰撞算法研究.pdf

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract Abstract Radio frequency identification (RFID) technology is a non-contact automatic identification technology which uses wireless technology to realize the contactless identification. RFID technology has reusable, non-contact operation, safe and reliable and man

2、y other advantages. Because of advancing RFID technology and practical applications requirements, it has been widely used in access control, asset management, supply chain management and transportation. Currently, many technical problems are still unsolved in RFID systems，such as tag collision probl

3、ems, information security problems, tags cost problems. This thesis mainly focuses on the tag anti-collision problem in the RFID systems, the tradition ALOHA tag anti-collision algorithm has improved and analysis the performance of capture ALOHA algorithm. Firstly, the researches in this thesis are

4、mainly focused on improving the performance of RFID tag anti-collision algorithm. The paper detailed analyses of several commonly used anti-collision algorithms: ALOHA algorithm, framed slotted ALOHA algorithm, dynamic framed slotted ALOHA algorithm and enhanced dynamic framed slotted ALOHA. Based o

5、n these above algorithms, the paper proposes a new algorithm. Finally, the proposed new anti-collision algorithm has improved the efficiency of the RFID system. Secondly, Because the wireless communications environment is more complex features for wireless communication, the paper introduces the pow

6、er capture effect model and analyzes the impact of capture effect on the ALOHA anti-collision algorithm. The simulation and analysis shows that capture effect has improved the performance of RFID systems. Key words: RFID; anti-collision algorithm; ALOHA algorithm; throughput; capture effect 南京邮电大学硕士

7、研究生学位论文 目录 III 目录目录 摘要I AbstractII 第一章 绪论. 1 1.1 无线射频识别技术 1 1.2 课题研究意义 1 1.2.1 无线射频技术发展前景 . 1 1.2.2 无线射频识别技术存在的问题 . 2 1.3 无线射频技术的应用 3 1.4 本文的主要研究内容及章节安排 4 第二章 RFID 技术的基本原理. 5 2.1 射频识别系统的组成 5 2.1.1 阅读器. 5 2.1.2 标签. 7 2.1.3 中央信息系统. 8 2.2 射频识别系统的基本原理 9 2.2.1 射频识别中的数据传输 . 9 2.2.2 数据的编码与调制 . 10 2.3 射频识别系

8、统中的能量传递 12 2.3.1 阅读器到标签的能量传输 . 12 2.3.2 标签到阅读器的能量传输 . 13 2.4 本章小结 13 第三章 基于 ALOHA 的标签防碰撞算法 . 14 3.1 标签防碰撞算法 14 3.1.1 防碰撞算法性能指标 . 14 3.1.2 帧的生成. 15 3.1.3 信道模型. 16 3.2 ALOHA 算法 16 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 3.3 时隙 ALOHA 算法 17 3.4 动态 ALOHA 算法 19 3.4.1 最优数据帧长估算 20 3.4.2 平均传输迟延分析 22 3.5 分组动态 ALOHA 算法 23 3.6 本

9、章小结 25 第四章 改进型 ALOHA 防碰撞算法 . 26 4.1 改进型 ALOHA 防碰撞算法 26 4.2 吞吐量分析 28 4.3 仿真分析 35 4.3.1 系统吞吐量分析 35 4.3.2 平均传输迟延分析 35 4.4 本章小结 40 第五章 捕获效应对 ALOHA 防碰撞算法的影响 41 5.1 自由空间传播模型 41 5.1.1 阴影效应. 42 5.1.2 多径效应. 42 5.1.3 瑞利分布. 42 5.1.4 捕获效应. 43 5.2 捕获效应对 ALOHA 算法的影响 44 5.3 捕获效应对改进的 ALOHA 算法的影响 46 5.4 本章小结 49 第六章

10、总结与展望. 50 6.1 本文工作总结 50 6.2 未来工作展望 50 致谢. 51 参考文献. 52 本人在攻读硕士研究生期间发表的论文 . 55 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 无线射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）1是一种非接触式自动识别技 术，它可以通过射频无线信号自动识别标签数据信息，对目标对象的识别过程不需要人工接 触，可远距离快速完成信息输入和处理。 1.1 无线射频识别技术 1.1 无线射频识别技术 无线射频识别技术是利用空间电磁感应或者电磁传播进行通信，达到自动识别被标识对

11、象的目的。RFID 系统通常是将电子标签安装在被识别对象上，标签上携带关于这个对象的数 据信息。当被识别对象进入阅读器的读取范围时，标签的无线收发器通过无线电波将这些数 据信息发送到附近的阅读器。阅读器可以对这些数据进行收集和处理，并通过计算机网络传 送数据信息。射频识别技术的特点是利用无线电波来传送识别信息，不受空间限制，可快速 的进行物体追踪和数据信息交换。工作时，这种电子标签和阅读器的作用距离近可以小于十 厘米，远可以达到数十米甚至上百米。通过这种对对象进行非接触式信息采集处理的方式， 可实现对不同物品（如设备、车辆和食品）在不同状态（高速移动或静止）下的自动识别， 从而实现对物品的自动

12、化管理和控制。RFID 标签的存储容量都可以是 2 的 96 次方以上，它 彻底抛弃了条形码的种种限制，使世界上的每一种商品都有一个独一无二的电子标签，贴上 这种电子标签的商品，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场的货架，再到消费者购买 后的结账，甚至到标签最后被回收的整个过程都能够被追踪管理。由于采用 RFID 电子标签 技术可以省去物体跟踪过程中的人工干预，在节省大量人力的同时可以大大提高工作效率， 因此在物流和供应链管理中具有巨大的发展潜力。 1.2 课题研究意义 1.2 课题研究意义 1.2.1 无线射频技术发展前景 射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展，它突破了供应链、物流和

13、 IT 技术的概 念，是一门交叉应用学科，所涉及的关键技术主要包括：IC 芯片技术、射频天线技术、无线 通信技术、数据编码解码技术、信息加密解密技术。虽然射频识别技术存在着诸如标准不统 一、成本过高、标签碰撞等问题，但是一方面受到市场应用需求的驱动，另一方面射频识别 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 技术的成功应用，又极大的促进了射频识别技术的发展。随着全球经济快速发展，企业以新 技术开拓商机的愿望非常强烈，为 RFID 技术的发展提供了资金和市场支持。同时，我国政 府也高度重视 RFID 技术发展， 出台政策引导我国 RFID 产业朝着健康快速的轨道发展并努力 制定自己的 R

14、FID 技术标准。经过多年全行业的共同努力，我国 RFID 技术应用、标准和产业 均取得了较快发展。2008 年，中国 RFID 市场销售额规模为 65.8 亿元人民币，2011 年就已经 达到 124.4 亿元人民币。 RFID 技术除了在物流管理、门票管理、交通管理和资产管理等领域有广泛的市场外， RFID 技术还可以和其他新技术相融合，形成新的产业链。例如，RFID 技术与无线传感器网 络技术相结合、RFID 技术与近距离无线通信技术以及 RFID 技术与 3G 融合。RFID 技术具有 “标记”、“电子码”和“传感功能”这三个本质的特点，可以解决物品到物品之间的许多 实际问题，实现真正

15、的物与物的智能互联。据 ABI 研究公司分析与预测：到 2013 年，全球 RFID 市场将到达 110 亿美元，而在 2008 年 RFID 市场不到 60 亿美元。 1.2.2 无线射频识别技术存在的问题 尽管 RFID 技术早于上世纪 70 年代便进入商业化应用，发展比较迅速，在很多领域具有 良好的运用前景，并且已经在物流管理、门票管理、交通管理和资产管理等领域开始广泛应 用，但仍有许多因素在制约 RFID 技术的发展和应用。目前，RFID 技术面临的主要问题有以 下几方面2 3： （1）标准问题 标准化是推动产品广泛获得市场接受的必要措施，但是阅读器与标签技术还没有统一的 标准，不同的

16、制造商所开发的阅读器与标签之间的通信协议不同。各国为了自己的核心利益 和安全， 都积极制定具有自主知识产权的标准。 目前全球有两大 RFID 标准阵营： 欧美的 EPC global 与日本的泛在 ID 中心（UID）。不同的标准在频率分配、空中接口参数都存在差异， 导致不同标准 RFID 系统之间不能够互联，限制了 RFID 系统在某些应用领域的发展，尤其 是需要在全球范围内工作的系统。 （2）成本问题 对 RFID 系统来说，标签价格仍是限制 RFID 发展规模的关键因素，如果大规模的商用， 就必须降低成本。目前，国外电子标签最低的价格是 5 美分，而条形码的价格不到 1 美分。 对 RF

17、ID 技术大规模推广来说， 射频标签和阅读器的价格显得过高，制约了 RFID 技术的广泛 发展与应用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 （3）标签碰撞问题 在 RFID 系统中阅读器范围内的标签数量很多，当多个标签同时向阅读器发送数据信息 时，标签之间的数据信息相互干扰，阅读器将不能正确识别标签的数据信息，阅读器必须解 决标签之间的信息冲突问题。尽管国内外许多学者对防碰撞算法做了很多研究，但现有的防 碰撞算法仍存在许多缺点，限制了 RFID 技术的应用和发展。 （4）隐私安全问题 RFID 技术读取数据快速便捷， 储存在标签上的个人信息很容易被窃取， 且不容易被察觉。 在非自

18、愿给予的情况下，个人的隐私信息也会在不经意间被读取，甚至造成被追踪，给使用 者带来不必要的麻烦。目前，RFID 系统还没有完全解决数据信息加密解密技术。 1.3 无线射频技术的应用 1.3 无线射频技术的应用 RFID 技术的应用领域广泛，而且每种应用的实现都会形成一个庞大的商业市场，可以 说射频识别技术是一个重要的新的经济增长点。2003 年，RFID 技术就被评为科技界十大最 热点的技术之一，吸引了许多著名公司参与无线射频识别技术的研究、开发和生产。世界主 要发达国家都在大力宣传和支持 RFID 技术研发和应用， 并在政府各个部门率先采用 RFID 技 术。美国、日本、欧洲等发达国家都大力

19、积极推广 RFID 技术，将 RFID 技术作为一项增进其 国际竞争力的重要产业，推动了 RFID 技术向社会各个领域的渗透。以下列举说明 RFID 技术 的一些应用领域。 （1）身份识别和门禁管理 我国第二代身份证就是利用 RFID 技术的 IC 卡来存储公民的身份信息，使其可以进行非 接触的机器自动读取，提高了读取效率。IC 卡也可以存储公司员工的信息，如姓名、职位、 指纹等，用于出入公司的安全检查，实现对员工的考勤管理，提高了公司的管理效率。 （2）财产管理 RFID 技术可以实现对财产的跟踪和保护，将电子标签贴在物体上，阅读器安放在某一建 筑的出口处，当物体离开建筑时阅读器能够读取电子

20、标签的信息并用报警的方式提醒物主。 例如，在商场广泛应用的 1bit 应答器可以防止商品被盗。 （3）物流管理 RFID 技术可以有效的解决物流与供应链管理中信息采集的自动化问题。 在仓库货物管理 中，可以利用 RFID 技术存取货物与库存盘点，RFID 系统可以有效解决商品在仓库中存储跟 踪和货物调度问题，提高货物管理效率，并保证相关信息准确可靠，同时可以减少由于商品 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 偷窃、滞留和出货错误等造成的损失，它可以有效的解决供应链上各种数据信息的输入与输 出，能够实现对货物的实时跟踪与管理。 （4）交通运输管理 利用 RFID 技术可以实现高速公路

21、不停车收费，当安装有电子标签的汽车经过收费站时， 安装在收费站的阅读器能够读取电子标签的数据信息并实现自动收费过程。有效的避免了因 停车排队引起的交通堵塞问题，提高了收费结算效率，还可以减少收费成本、解决管理混乱 等问题。利用非接触 IC 卡作为公交、地铁的电子车票，具有交易便捷、快速方便、可靠性高 等优点，有些城市还将电子车票增加了新的功能，如超市购物等。 1.4 本文的主要研究内容及章节安排 1.4 本文的主要研究内容及章节安排 本文主要研究无线射频识别系统中的标签防碰撞算法。首先对 RFID 技术进行概述，介 绍 RFID 技术的应用领域和发展前景，通过分析 RFID 技术所面临的问题提

22、出本文的研究重 点无线射频识别系统中的标签防碰撞算法研究。本文介绍了四种经典的 ALOHA 防碰撞 算法，然后在对四种经典 ALOHA 防碰撞算法分析的基础上，得出各种算法存在的优缺点。 针对现有 ALOHA 算法吞吐量低的缺点，提出了一种改进型的 ALOHA 防碰撞算法，以达到 提高 ALOHA 算法吞吐量的目的。最后，根据无线通信的特性，引入功率捕获模型，分析捕 获效应对 ALOHA 防碰撞算法的影响。 本文总共分为六章，具体结构安排如下： 第一章 对 RFID 技术进行概述，介绍其应用领域、发展前景及 RFID 技术发展所面临的 问题，并概述本文研究内容和主要内容安排。 第二章 介绍 R

23、FID 系统的基本原理和系统构成，以及 RFID 系统中的数据传输及数据调 制与编码技术。 第三章 详细分析 RFID 系统中基于 ALOHA 的标签防碰撞算法， 并对这些算法进行比较， 分析各种算法的优缺点。 第四章 提出一种改进型的 ALOHA 防碰撞算法， 对算法进行数学建模， 分析算法的性能， 并通过 MATLAB 仿真对算法性能进行验证。 第五章 考虑无线信道特性， 引入功率捕获效应模型， 并分析捕获效应对 RFID 系统影响。 第六章 总结全文，并对未来的研究工作进行展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 5 第二章 第二章 RFID 技术的基本原

24、理 技术的基本原理 无线射频识别技术利用无线电波和电磁感应原理来实现能量和数据信息的传递，是一种 易于操控、快捷实用的自动化识别技术。RFID 技术具有无需人工接触、快捷方便、可重复使 用等许多优点，已经广泛应用在包括物流管理、交通运输、防伪防盗等不同领域。 2.1 射频识别系统的组成 2.1 射频识别系统的组成 射频识别系统由阅读器、电子标签和数据管理系统组成4。如图 2-1 所示，阅读器与数 据管理系统通过网络连接在一起，当阅读器读取到电子标签的数据信息后，将电子标签的数 据信息传送给数据管理系统，从而实现标签数据信息的网络互连。通过数据管理系统可以获 取任何一个标签的数据信息，实现对标签

25、智能管理。阅读器与电子标签通过无线电磁波进行 非接触双向通信，同时阅读器发射电磁波可以为电子标签提供工作时所需的能量。在 RFID 系统中，阅读器通常是固定安装在合理的位置，标签是随机分布在阅读器的读取范围内，在 实际应用中，标签还可能是动态移动的。 网络 阅读器电子标签 数据 时序 能量 标签天线阅读器天线 数据管理系统 图 2-1 RFID 系统结构示意图 2.1.1 阅读器 在射频识别系统中，阅读器（读写器或读出设备）是 RFID 系统的主要部件之一。阅读 器接收中央数据管理系统的指令，与电子标签进行双向通信，获取电子标签的数据信息并将 这些数据信息传送到中央数据管理系统。阅读器是 RF

26、ID 系统的核心组成部分，阅读器发射 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 6 天线的工作频率决定了电子标签的工作频率，并且阅读器发射功率会影响 RFID 系统的有效 识别范围。阅读器是 RFID 系统中数据信息的接收和传送中心，主要由天线、控制模块、读 写模块以及接口模块组成。阅读器与电子标签交换数据信息，并能通过接口模块把数据信息 传输到中央数据管理系统。 一、阅读器的主要功能包括以下几点： （1）阅读器发射电磁波向电子标签传输能量。 （2）阅读器能与电子标签数据通信，向电子标签读取或写入数据信息。 （3）阅读器带有防碰撞功能，能在短时间内识别多个电子标签。 （

27、4）阅读器能够识别移动中的电子标签。 （5）阅读器具有校验检错功能，能检测出数据传送过程发生的错误信息。 （6）阅读器能够实现网络互连。阅读器与中央信息系统连接，并将读取的标签信息传送 到中央信息系统的数据库中。 二、阅读器的分类方式： （1）按通信方式不同分类 根据阅读器通信方式不同可以分为“阅读器先发言”和“标签先发言”两类。 “阅读器先 发言”指阅读器先向标签发送射频能量和指令，标签被激活且收到完整的阅读器指令后，才 对阅读器发送的指令做出响应，返回标签内部的数据信息。 “标签先发言”指对于无源标签系 统，阅读器发送不带数据信息的射频能量，标签被激活后，反向散射标签数据信息。 （2）按传

28、送方式不同分类 根据阅读器与电子标签之间进行数据传输方式的不同可以分为全双工法和半双工法。全 双工方式的特点是标签与阅读器之间的数据传递可以同时进行的；半双工方式的特点是标签 与阅读器不能同时传送数据信息，标签到阅读器的数据传输与阅读器到标签的数据传输交替 进行的，实现电路比较简单。 （3）按结构模式不同分类 按照阅读器的结构组成可以分为固定式阅读器、便携式阅读器、一体化阅读器和模块式 阅读器。固定式阅读器是一种分离式阅读器，将射频模块和控制模块封装在固定的外壳内， 完成 RFID 的功能。便携式阅读器是指阅读器、天线和主控机集成在一起，带有液晶显示屏， 并配有键盘来操作和输入数据，便携式阅读

29、器对系统本身的数据存储量有要求。一体化阅读 器是指将天线和射频模块以及控制模块都集成封装在一个机壳内，一体化阅读器与主控机可 有多个接口。模块式阅读器是指阅读器一般作为系统设备集成的一个单元，阅读器与主控机 的接口与应用有关，模块式阅读器减小了设备尺寸，降低了设备成本。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 7 三、RFID 系统中阅读器的选择 RFID 系统的安装设计必须根据实际应用环境合理的设计，必须考虑阅读器的工作频率、 最大输出功率、输出端口、阅读器的匹配天线等技术参数。 （1）工作频率。阅读器与电子标签的工作频率必须相同。 （2）输出功率。阅读器的发射功率

30、必须符合国家和地区对无线发射功率的许可标准，阅 读器的输出功率是受到限制的，必须能够满足人类健康需求。 （3）阅读器结构模式。阅读器选择固定式还是便携式等。 （4）天线匹配。阅读器的选定后还需要考虑以之相匹配的天线类型和数量。 （5）输出端口。阅读器与中央信息系统相连，需选择通用兼容的网络接口。 2.1.2 标签 标签是 RFID 系统中数据信息的载体，主要由天线、存储器、控制系统以及射频收发模 块组成。标签存储了目标对象的数据信息，通过无线电波与阅读器进行通信，完成数据传递 功能。 根据应用场景和领域的不同，RFID 系统中标签种类有很多类型。以下介绍一些常见的电 子标签分类方法。 一、根据

31、标签的供电方式分类 （1）有源标签 有源标签指内部自带电源的标签，标签识别距离远，可达到几十米甚至上百米，标签使 用寿命有限，需及时更换电池、价格很高，不适合在恶劣的环境下工作。另外，有源标签结 构复杂、体积比较大，不宜做成标签卡。 （2）半有源标签 半有源标签内部自带电池，但是电池只用于激活标签，标签工作时能量由阅读器提供， 标签一旦被激活，标签就进入无源标签工作模式。 （3）无源标签 无源标签是没有自带电源的标签，标签工作所需能量全部由阅读器提供。无源标签具有 体积小、使用寿命长、成本低廉等优点，但无源标签识别距离很近，标签功能简单，不具备 信息加密保密功能。 二、根据载波的频率分类 根据

32、标签工作频率的不同可以分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 8 波电子标签。由于工作频率不同，电子标签的应用场景也不同。 （1）低频电子标签的工作频段一般为 30300KHz，最常用的频率为 125KHz 和 135KHz， 其基本特点是标签内部数据信息少，标签成本低，阅读距离较短。 （2）高频电子标签的工作频段一般为 3300MHz，最常用的频率为 13.56MHz，其基本 特点是标签内数据量大，阅读距离较远，适用于运动的环境。 （3）超高频和微波电子标签的工作频段一般为 300MHz3GHz，超高频常用工作频段

33、为 890960MHz，微波电子标签常用频率为 2.45GHz。 三、根据标签的读写功能分类 （1）只读标签：一种最简单的电子标签，电子标签内的数据信息在工厂生产电子标签时 即将数据信息以 ROM 工艺模式写入，其保存的数据信息固定不变。 （2）一次写入只读标签：这种标签内部有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM） ， 标签内部数据信息可以在标签制造过程中由厂商写入，也可以由用户写入，但是标签一旦写 入数据信息就不能修改。 （3）可读写标签：一种非常灵活的标签，除了有存储信息功能外，还可以在适当的条件 下由用户写入数据，例如电可擦写可编程只读存储器（EEPROM） ，在加电的条件下可以实现

34、 对原来数据的擦除并写入新的数据信息。 四、根据数据调制方式的不同分类 （1）主动式标签：标签内部自带电源进行供电，标签能主动将数据信息发送给阅读器， 工作可靠性高，信号传送距离远，用于对传输距离要求较高的场合。 （2）半主动标签：标签本身含有电源，利用电源提供的能量对标签内部的电路供电作用。 标签并不主动发送数据信息给阅读器，它与主动标签的区别是它利用阅读器的电磁场来“唤 醒”标签。标签被唤醒后再把存储在标签中的数据信息发送到阅读器。 （3）被动式标签：标签没有电源，要靠阅读器提供能量才能正常工作，必须利用阅读器 的电磁波来调制自己的信号，标签的电能较弱，数据传输的距离较短。 2.1.3 中

35、央信息系统 中央信息系统即数据交换与管理系统，主要负责数据处理等相关工作，实现阅读器和标 签之间通信所需的最基本的软件功能并能够对标签数据信息进行管理，具有读/写控制功能、 认证授权功能和标签安全功能等。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 9 2.2 射频识别系统的基本原理 2.2 射频识别系统的基本原理 RFID 系统的基本工作原理如下： 阅读器将要发送的信息经编码后加载到某一频率的载波 信息号上，经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号。标签卡内芯 片的相关电路对此信号进行调制、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

36、，则控制逻辑电路从存储器中读取有信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线 发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关 数据处理。若为修改信息的写命令，则有关控制逻辑引起内部的电荷泵提升工作电压，将存 储器中的内容改写。若判断出其对应的密码或权限不符，则返回出错信息。RFID 系统的基本 原理如图 2-2 所示。 图 2-2 RFID 系统基本原理框图 2.2.1 射频识别中的数据传输 阅读器与电子标签通过无线电波实现非接触双向通信，根据阅读器与电子标签之间的能 量传送方式不同，RFID 系统可以有两种不同的实现方式5： （1）电感耦合，即变压器模型。通过空间

37、高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定 律。电子标签与阅读器的数据传输采用负载调制，电感耦合是变压器耦合，即作为初级线圈 的阅读器和作为次级线圈的电子标签之间的耦合。如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的 交变磁场，那么电子标签就可以从磁场中获得能量。电子标签天线上的负载电阻的接通和断 开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了电子标签对天线电压进行振幅调制，而通过数 据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器。为了在阅读器中回收 数据，需要对在阅读器天线上测得的电压进行整流，即对经过振幅调制的信号进行解调。电 磁耦合方式一般使用于中、低频工作的近距离 RFID 系统。典型的工

38、作频率有：125KHz、 225KHz 和 13.56MHz。识别距离小于 1 米。典型的作用距离为 1020 厘米。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 10 （2）电磁反向散射耦合，即雷达原理模型。发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时返 回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。标签接收阅读器发射的信号，其中包括已调 制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被换成直流电压，这 个直流电压供给电子标签内芯片能量；当载波携带数据或命令时，标签通过接收电磁波作为 自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收阅读器的指令或数据。标签向阅读器返

39、回信号时，阅读器只向标签发送未调制的载波，载波能量一部分被标签转化为直流电压，供 给标签工作；另一部分能量被标签用来改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向阅读器 传送信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作远距离的 RFID 系统。典型的 工作频率有：433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz。识别作用距离大于 1 米，典型作用距 离为 3 米10 米。 2.2.2 数据的编码与调制 在阅读器与标签通信时，需要选择合适的数字调制方式。在发射端阅读器用数字基带信 号控制载波信号，把数字基带信号变成数字带通信号，完成数据信息的调制过程，在标签的 接收端再将接收到的带通信号

40、还原成数字基带信号，完成数字解调过程。数字调制信号是离 散数字信号，把模拟信号调制数字信号通常有两种数字调制技术：一种是利用模拟调制的方 法去实现数字调制；另一种是通过开关键控载波，实现数字调制。 在无线通信系统中，振幅键控（ASK） 、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）是三种基 本的数字调制方式。在 RFID 系统中，一般采用振幅键控调制方式，实现简单，可以减少电 子标签的硬件复杂性，降低电子标签的成本。阅读器与电子标签进行数据通信，它们之间传 递的数据信息通过数字调制实现数据编码。常用的数字编码方式如图 2-3 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理

41、11 图 2-3 RFID 系统中常用的编码方式 （1）不归零码 这是一种单极性波形，是最简单的基带数字信号波形，用高电平和低电平分别表示二进 制码“1”和“0” ；如图 2-3(a)所示。不归零码极性单一，具有直流分量，不适合有交流耦 合的远距离传输。 （2）曼彻斯特码 曼彻斯特码的波形如图 2-3(b)所示，编码规则之一：用“1”码表示“01”两位码，用 “0”表示“10”两位码，每个码元间隔的中心点都存在电平的跳变，可以用于信息定位，编 码过程实现简单，但占用带宽加倍，频带利用率降低。 （3）单极性归零码 这种信号的波形如图 2-3(c)所示， 单极性归零码在一个码元终止时刻前总要回到零

42、电平， 利用单极性归零码可以直接提取码元的位同步信息。由于码元“0”和“1”等概率出现，所 以单极性归零码中无直流分量。 （4）差分双相码 这种码元的波形如图 2-3（d）所示，每个码元中间的电平跳变时用于同步，每个码元的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 12 开始处是否存在额外的跳变用来确定码元信息。用码“1”表示有跳变，用码“0”表示没有 跳变，差分双向码易于实现位同步。 （5）米勒码 码元波形如图 2-3(e)所示。它是一种改进的双向码，编码规则如下：码元中心点出现跳 变时表示“1”码，即用“10” ， “01”表示。 “0”码元用“00”和“11”交替

43、表示。 （6）差分码 差分码的波形如图 2-3（f）所示。这种波形用相邻码元的电平的跳变和不变来代表码元 信息，电平发送跳变时用码“1”表示，电平不发生跳变时用码“0”表示。 2.3 射频识别系统中的能量传递 2.3 射频识别系统中的能量传递 阅读器发射的电磁波向自由空间传播，会遇到不同的障碍物，这些障碍物会吸收阅读器 发射的部分电磁能量，剩余电磁能量则向自由空间各个方向散射。阅读器发射的电磁能量的 一部分最终返回到标签的接收天线，被标签天线吸收。在 RFID 系统中，阅读器和电子标签 的数据信息传递就是利用了电磁波的方向散射调制系统来实现的。 2.3.1 阅读器到标签的能量传输 在阅读器的读

44、取范围内，电子标签的功率密度函数可以由式（2-1）表示6： 2 4 ttGP S r (2-1) 在式（2-1）中，r表示标签与阅读器之间的距离， tP 表示阅读器天线发射总功率 ， tG 表 示阅读器发射天线的增益。在自由空间条件下，标签吸收的功率可由式（2-2）表示： 2 2 4 tagtr t L pG G P r (2-2) 在式（2-2）中， tagP 表示标签接收功率， rG 表示标签天线的增益，L表示载波波长。无 源标签的能量全部由阅读器发射的电磁能量提供，电磁能量在自由空间传播，标签的功率损 耗越大，标签吸收到的阅读器的电磁能量就越少，造成阅读器的识别距离受到限制，阅读器 的读

45、取性能越差。标签能否被阅读器正确识别由标签天线接收的电磁能量决定。因此，阅读 器的功率决定了RFID系统的读取距离。随着IC芯片技术的发展，电子标签芯片所需要的功 耗越来越越低， 甚至可以降低至几微瓦， 这在阅读器发射功率受限的情况下， 提高了RFID 系 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 RFID 技术的基本原理 13 统的识别距离。 2.3.2 标签到阅读器的能量传输 标签发射给阅读器的能量和它的雷达散射截面成正比7，电子标签把从阅读器吸收到 的电磁波能量分成两部分，一部分用于电子标签自身的能量消耗，另一部分用于传送数据信 息，通过天线发回给阅读器。阅读器天线吸收到的总功率可表示为：

46、 2 3 4 4 ttr r G GPL P r (2-3) 式（2-3）表明阅读器接收到的电磁能量与阅读器的识别距离的四次方成反比，当阅读器 与标签的距离越远，电子标签接收到的能量就越低。对于无源标签，在阅读器的识别范围内， 由于标签距阅读器的距离各不相同，各个标签的发射功率不同。在反向散射系统中，阅读器 吸收的功率受到阅读器与标签之间距离的限制。 2.4 本章小结 2.4 本章小结 本章首先概述了RFID系统的基本组成结构， 对RFID系统中的各个组成部分进行详细的 介绍，然后阐述无线射频识别系统的基本工作原理，从电磁耦合角度分析射频识别技术的基 本通信原理，介绍了RFID系统在通信过程中

47、数据的传输方式。最后，分析了阅读器与标签 之间的能量传输关系。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 基于 ALOHA 的标签防碰撞算法 14 第三章 基于第三章 基于 ALOHA 的标签防碰撞算法 的标签防碰撞算法 3.1 标签防碰撞算法 3.1 标签防碰撞算法 在RFID系统中，可能将会有大量标签同时处在阅读器的读取范围内。如果有两个或两 个以上的标签同时向阅读器发送数据信息时，阅读器就会出现数据信息冲突，产生数据互相 干扰现象，即标签碰撞。此外，有时也可能出现多个标签在多个阅读器的读取范围之内，阅 读器之间的数据通信也会产生数据干扰，即阅读器碰撞问题，不过本文暂不考虑这种多阅读 器相互影响的情况。 在RFID系统中存在2种通信方式： （1）无线广播，即在阅读器的读取范围内存在多个标签，标签只要在阅读器的识别范围 内就能收到阅读器发送的广播信息。 （2） 多路存取， 即在阅读器的作用距离内存在多个电子标签同时传输数据信息给阅读器。 为了解决标签碰撞问题，RFID系统采取两种类型的防碰撞算法8：一种是确定性防碰撞 算法，如二进制搜索算法9 10、动态二进制搜索算法11、跳跃式动态树型算法12、查询树算 法13、动态查询树算法14、后退索引搜索算法15等；确定性防碰撞算法在整个识别过程不存 在随机性，提高了信号传输速率，信道的利用率比较高，性能稳定，但