第190期 / August 8, 2013

研發新視界

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淺談RFID與碰撞問題

作者/李佳候

[發表日期:2013/7/5]

RFID介紹

RFID(Radio Frequency Identification)無線射頻辨識,是非接觸式自動識別技術其中的一種。是一種內建無線電技術的晶片,晶片中可儲放一系列資訊,如產品別、位置、日期等...,其體積可做到極小,可隨附於所要辨證的實體上。其基本由標籤 (Tag) 、讀取器 (Reader) 組成的非接觸式自動識別技術,可以無接觸的方式,快速、且大量的讀寫其內容資料,最大的好處是能提高整體物品管理效率,比條碼系統,有更高效率與彈性。

庫存所造成的人工錯誤。由於Wal Mart的推動成果,引起其他國際大型零售商的跟進,也紛紛向供應商推動RFID計畫,愈來愈多的通路商陸續加入行列。RFID的應用範圍很廣,通路服務業外,舉凡製造業、醫療業、物流服務業、零售業、國防工業、公共服務業、休閒育樂業、金融電信服務業、運輸業、圖書館、展覽會議管理等,以及現在人手一張的悠遊卡也都是屬於RFID的技術。

RFID與傳統條碼

RFID與傳統的條碼,在使用與應用範圍上似乎有些類似,也可以說RFID是新一代的條碼技術,無論是在各方面的運用上,許多傳統的條碼都已被RFID所取代,而RFID與條碼的優缺差異如下:

RFID的優點:

1.除了天線外之所有元件皆己做成晶片,可有效降低成本。
2.使用無線傳能,不必使用電池不用擔心電池秏盡的問題。
3.晶片密碼為世界唯一無法複製COPY,安全性高。
4.可製成各種包裝類型, 以應用在各種不同場合。
5.採近接式讀卡, 不用和讀卡機直接接觸、不用刷卡所以不怕接點髒污及磨損, 可放置於口袋、皮包內,不必取出就能直接辨識,增加使用上的便利性。
6.標籤資料可重新由讀卡機更改,用完可回收再利用。
7.使用壽命長。

以下圖說明了兩者間的比較差異:


《圖一》


關於RFID碰撞

有鑒於無線射頻識別(Radio Frequency Identification; RFID) 在於使用無線電波做資訊的傳遞,是一個相當傑出的技術,並且在現今已經被普遍的使用,雖然帶來許多的便利,但是在使用上卻也有不少的限制。最近無線射頻辦別系統的蓬勃發展,當在一個多個標籤的環境之下,一個讀取器同一時間面對了多個標籤,稱為密集標籤環境。我們有時候必須面對兩個以上的讀取器在各自的讀取範圍內的情況,稱做密集讀取器環境,譬如在倉儲管理或是機場的管理。在密集讀取器的環境下,所引發的讀取器碰撞問題是一個非常重要的問題,讀取器碰撞問題又可以被分為標籤與讀取器碰撞以及讀取器與讀取器碰撞。

碰撞原理

一、標籤(Tag)碰撞

因為讀取器(Reader)同一時間只能對單一個標籤(Tag)進行通訊,所以當同時有多個標籤讀取,訊號會有碰撞問題,換言說,RFID 系統是由無線電波傳送訊號,若是Tag一個一個傳送訊號,讀取率自然高,但是,當多數電子標籤同時經過Reader時,處理Tag訊號碰撞的技術就很重要。圖2.1中,我們看到一台讀取器(Reader)R1,在他的讀取範圍中(Reader Range)有三個標籤(T1, T2, T3)同時出現並對他進行通訊,這種情況也就是我們說的標籤碰撞。


《圖二》標籤(Tag)碰撞


二、讀取器(Reader)碰撞

與標籤碰撞類似的情況,不同的是換成一個標籤去接收到多個讀取器回傳的訊息,而造成錯誤的判讀問題。讀取器碰撞的情況有兩種:第一種如圖3.1所示,有兩個讀取器R1和R2和標籤T1~4。我們假設讀取器R1正在與R3通訊,同時間R2雖然不能直接與標籤T3進行通訊,但它發出的訊號干擾了標籤T3,被稱為Reader-to-tag Interference,其干擾會造成讀取器R1可能會無法正確的讀取標籤T3。第二種如圖3.2,兩個讀取器R1、 R2和標籤T1~4,可以看到T3在R1的讀取範圍內但也在R2的讀取範圍內,此時將造成兩個讀取器都會同時的對T3進行通訊,這時候不可避免的碰撞就產生了,此種碰撞方式被稱為Reader-to-reader Interference。


《圖三-1》Reader-to-tag interference


《圖三-2》Reader-to-reader interference


碰撞解決

一般稱解決上述碰撞問題稱為防訊號碰撞(Anti-Collision),而防訊號碰撞的機制又可以大略分為分址多工(SDMA)、分頻多工(FDMA)、分時多工(TDMA)以及CSMA。


《圖四》


一、分址多工(SDMA:Space Division Multiple Access)

分址多工的邏輯,是利用空間區隔的方式來防止訊號的衝突碰撞,多用以處理讀取器的訊號碰撞。簡單的說,就是依據讀取器與天線的有效距離將空間進行劃分,避免標籤被重複讀取的可能性,例如將部署被動式天線時將天線依據不同的方向錯開,或使用主動式的系統時,依據讀取器的接收範圍將空間劃分為不同的區域。

二、分頻多工(FDMA:Frequency Division Multiple Access)

分頻多工則是利用訊號傳輸所使用的頻道進行區分來避免訊號碰撞的一種方法。舉例而言,讀取器可使用相同的頻率(如13.56MHz)發送訊號與命令至標籤,但有多個標籤需同時回覆時,可採用不同的副載波頻率,將一定的頻率範圍(如13.57MHz-13.59MHz)切分為更細的頻道(Channel)以分配給不同的標籤進行資料傳輸。

三、分時多工(TDMA:Time Division Multiple Access)

分時多工是防訊號碰撞中最常使用,也最成熟的一項技術,其原理是利用時間的差異,將可使用的通訊時序(時槽)分配給不同的標籤進行資料傳輸,排定先後順序後依序與讀取器進行溝通,其排定順序的方式一般常見的有 (Slotted) ALOHA以及 Binary Search 兩種,前者是利用預設的時間區間,當標籤先後返回訊號的時間若有某標籤沒有與其他標籤衝突時,則將優先讀取;後者則是利用標籤所返回 UID 配合演算法進行二元搜尋,直至選取到唯一的標籤後優先讀取。

四、載波偵聽多路訪問(CSMA:Carrier sense multiple access)

載波偵聽多路訪問(CSMA)的基本定義是當所有相鄰的設備發出訊號要對同一個設備進行通訊之前,CSMA介質將發出一個信號,確認所有的設備必須是處於空閒的狀態,也就是說,當讀取器和標籤通訊之前,要先行確認沒有其他的通訊正在進行中,信號才允許發送。這方法用在RFID防碰撞稱作LBT(Listen Before Talk),也就是”先聽後送 ”,是建立在 CSMA協定的一種 RFID 讀取器的延伸標準; 通訊通道被分為兩部分,數據通道和控制通道,數據通道處裡讀取器和標籤之間的通訊,控制通道則大表讀取器和讀取器之通訊,讀取器最後將會收到兩通道的訊息,為確保設備通訊之間是否會發生碰撞。

上面所論述的防碰撞機制,都可以有效地減少碰撞的產生,而非完全的排除。

結論

介紹完何謂RFID(無線射頻技術),以及帶來便利的RFID所間接產生的RFID碰撞問題,這些是不會發生在我們使用傳統的傳統條碼之下,最主要是傳統條碼屬於一個密閉的讀取空間,不同於RFID可以進行無線的大範圍感測,也因此,一個好的碰撞解決方法對於RFID通訊是非常重要的,目前不管是針對於標籤上或是讀取器上的碰撞演算法,都一直陸陸續續有學者提出更新更有效的方式,在本篇文章中所列舉的都是防碰撞機制中大方向的原理,未來也將會有更多屬於SDMA、FDMA、TDMA、CSMA等等類型之延伸方法會被提出,綜合成本、花費的時間(時間複雜度)、精確度這些條件,而選擇出最佳的防碰撞機制,會是RFID產業往後重要的一個課題。

參考資料

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!CrRNa16ZFR7gUnSXf4maSA--/article?mid=2
http://adc-utt.unitech.com.tw/knowledge_detail.asp?id=22