第4章數(shù)據(jù)校驗與防碰撞算法

1、合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院RFID原理與應用原理與應用第第2版版單承贛 教授2第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 在RFID系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾源嬖趦蓚€方面的問題：一是外界的各種干擾可能使數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生錯誤；二是多個應答器同時占用信道使發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。 運用數(shù)據(jù)檢驗（差錯檢測）和防碰撞算法可分別解決這兩個問題。 3第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.1 差錯檢測 4.1.1 差錯的性質(zhì)和表示方法 隨機錯誤：由信道中的隨機噪聲干擾引起。在出現(xiàn)這種錯誤時，前后位之間的錯誤彼此無關。 突發(fā)錯誤：由突發(fā)干擾引起，當前面出現(xiàn)錯誤時，后面往往也會出現(xiàn)錯誤，它們之間有相關性。 混合錯誤 差錯的表示方法：誤比

2、特率正確比特流00111000 接收比特流01100100 異或錯誤圖樣 01011100 突發(fā)錯誤長度b=5 4第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.1.2 差錯控制 在傳輸信息數(shù)據(jù)中增加一些冗余編碼，使監(jiān)督碼元和信息碼元之間建立一種確定的關系，實現(xiàn)差錯控制編碼和差錯控制解碼功能 。 反饋重發(fā)（ARQ）、前向糾錯（FEC）和混合糾錯（HEC） 反饋重發(fā)發(fā)送端需要在得到接收端正確收到所發(fā)信息碼元（通常以幀的形式發(fā)送）的確認信息后，才能認為發(fā)送成功。 前向糾錯接收端通過糾錯解碼自動糾正傳輸中出現(xiàn)的差錯，所以該方法不需要重傳。這種方法需要采用具有很強糾錯能力的編碼技術 混合糾錯是ARQ和FEC的結合，

3、設計思想是對出現(xiàn)的錯誤盡量糾正，糾正不了則需要通過重發(fā)來消除差錯。 5第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.1.3 檢糾錯碼 信息碼元與監(jiān)督碼元 信息碼元 k 監(jiān)督碼元r 總碼元數(shù)為n = k + r6第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 檢糾錯碼的分類 7第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 分組碼 碼組的監(jiān)督碼元僅與本碼組的信息碼元有關，而與其他碼元組的信息碼元無關 卷積碼 碼組的監(jiān)督碼元不僅與本碼組的信息碼元相關，而且與本碼組相鄰的前m個時刻輸入的碼組的信息碼元之間也具有約束關系 性能優(yōu)于分組碼 交織碼 利用交織技術構造出來的編碼 8第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 交織碼第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.1.

4、4 數(shù)字通信系統(tǒng)的性能 頻譜效率和可靠性 Eb/No C/N和S/N10第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.1.5 RFID中的差錯檢測 線性分組碼 奇偶校驗碼 CRC碼 CRC碼（循環(huán)冗余碼） 較強的檢錯能力，硬件實現(xiàn)簡單 算法步驟 11第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 RFID中的差錯檢測 CRC碼（循環(huán)冗余碼） 較強的檢錯能力，硬件實現(xiàn)簡單 算法步驟 將k位信息寫成k-1階多項式M(X)； 設生成多項式G(X)的階為r； 用模2除法計算XrM(X)/G(X)，獲得余數(shù)多項式R(X)； 用模2減法求得傳送多項式T(X)，T(X)= XrM(X)-R(X)，則T(X)多項式系數(shù)序列的前k位為信息位

5、，后r位為校驗位，總位數(shù)n=k+r。 12第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.2 防碰撞算法 有兩個或兩個以上的應答器同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么就會出現(xiàn)通信沖突，產(chǎn)生數(shù)據(jù)相互的干擾，即碰撞。 多個應答器處在多個閱讀器的工作范圍之內(nèi)，它們之間的數(shù)據(jù)通信也會引起數(shù)據(jù)干擾。 采取防碰撞（沖突）協(xié)議，由防碰撞算法（Anti-collision Algorithms）和有關命令來實現(xiàn)。 13第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.2.1 ALOHA算法 純ALOHA算法用于只讀系統(tǒng)。當應答器進入射頻能量場被激活以后，它就發(fā)送存儲在應答器中的數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)在一個周期性的循環(huán)中不斷發(fā)送，直至應答器離開射頻能量場。 時隙A

6、LOHA算法 把時間分為離散的時間段（時隙），每段時間對應一幀 動態(tài)時隙ALOHA算法 閱讀器在等待狀態(tài)中的循環(huán)時隙段內(nèi)發(fā)送請求命令，該命令使工作應答器同步，然后提供1或2個時隙給工作應答器使用，工作應答器將選擇自己的傳送時隙，如果在這1或2個時隙內(nèi)有較多應答器發(fā)生了數(shù)據(jù)碰撞，閱讀器就用下一個請求命令增加可使用的時隙數(shù)（如4，8，），直至不出現(xiàn)碰撞為止。 Q值算法 在應答器數(shù)量較多的情況下，該算法可實時自適應地調(diào)整幀長，提高效率信道吞吐率 S=Ge-2G 信道吞吐率 S=Ge-G 14第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 ALOHA算法 Q值算法15第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.2.2 二進制樹形

7、搜索方法 基于序列號的方法（詳見4.3節(jié)） 隨機數(shù)和時隙方法 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包或者為空。16第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 查詢樹算法 閱讀器首先向所有應答器廣播一個前綴，應答器將接收到的前綴與自己的ID進行比較，若匹配，則進行響應，將自己的ID號的未匹配部分發(fā)送給閱讀器。如果有多個應答器響應，就會出現(xiàn)碰撞，此時閱讀器在前綴后面增加一位(0或1)，生成新的前綴，再用新前綴進行查詢。如此重復，直到只有一個應答器響應為止。17第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.2.3 混合算法 基于魯棒估計和二叉選擇的FSA算法 估

8、算階段（閱讀器準確地估計應答器數(shù)量，從而確定最佳幀長） 識別階段（閱讀器根據(jù)估算的應答器數(shù)量n確定最優(yōu)幀長L） 基于引導幀和二叉選擇的FSA算法 通過使用位掩碼將響應的應答器分成M個分組，用一個引導幀（長度為Lp）估計識別第一個分組內(nèi)的應答器所需的幀長。將應答器分成更小的分組可以有效降低Lp的值，從而節(jié)約估計應答器所需時隙。1)11 (1)11 (11PnccncsuccidlecollLLnLPP) 2/1, 0max(P1cLpcoll18第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.3 ISO/IEC 14443標準中的防碰撞協(xié)議 4.3.1 TYPE A 幀有3種類型：短幀、標準幀和面向比特的防碰

9、撞幀。 命令集 REQA/WUPA命令 ATQA應答 ANTICOLLISION和SELECT命令 SAK應答 HALT命令 短幀標準幀20第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 ISO/IEC 14443標準中的防碰撞協(xié)議 TYPE A 命令集 ATQA的結構 ANTICOLLISION和SELECT命令的格式21第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 UID CL1編碼UID CL2或UID CL3編碼ISO/IEC 14443標準中的防碰撞協(xié)議 TYPE A 命令集 ANTICOLLISION和SELECT命令 UID的結構22第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 ISO/IEC 14443標準中的防碰撞協(xié)議 TY

10、PE A 命令集 ANTICOLLISION和SELECT命令 SAK應答SAK的結構和編碼23 PICC的狀態(tài) Power-off（斷電）狀態(tài) Idle（休閑）狀態(tài) Ready（就緒）狀態(tài) Active（激活）狀態(tài) Halt（停止）狀態(tài) 24 防碰撞流程 25第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.3.2 TYPE B的防碰撞協(xié)議 REQB/WUPB命令 SLOT-MARKER命令 ATQB應答 ATTRIB命令 HLTB命令及應答 26第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 TYPE B的防碰撞協(xié)議 REQB/WUPB命令 27第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 TYPE B的防碰撞協(xié)議 REQB/WUPB命令

11、 AFI編碼28第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 TYPE B的防碰撞協(xié)議 SLOT-MARKER命令 ATQB應答 協(xié)議信息域的結構 b4 = 0時比特率的設置29第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 TYPE B的防碰撞協(xié)議 ATTRIB命令 ATTRIB命令結構 Param1編碼的結構 ATTRIB命令的響應格式TYPE B防碰撞過程示例 31第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.4 碰撞檢測 檢測接收到的電信號參數(shù)（如信號電壓幅度、脈沖寬度等）是否發(fā)生了非正常變化，但是對于無線電射頻環(huán)境，門限值較難設置； 通過差錯檢測方法檢查有無錯碼，雖然應用奇偶校驗、CRC碼檢查到的傳輸錯誤不一定是數(shù)據(jù)碰撞引起，但

12、是這種情況的出現(xiàn)也被認為是出現(xiàn)了碰撞； 利用某些編碼的性能，檢查是否出現(xiàn)非正常碼來判斷是否產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，如曼徹斯特碼，若以2倍數(shù)據(jù)時鐘頻率的NRZ碼表示曼徹斯特碼，則出現(xiàn)11碼就說明產(chǎn)生了碰撞，并且可以知道碰撞發(fā)生在哪一位。 32第4章 數(shù)據(jù)校驗和防碰撞算法 4.5 設計實例 MCRF250芯片 非接觸可編程無源RFID器件 工作頻率（載波）為125kHz 兩種工作模式：初始模式（Native）和讀模式。 只讀數(shù)據(jù)傳送，片內(nèi)帶有一次性可編程（OTP）的96位或128位用戶存儲器（支持48位或64位協(xié)議）； 具有片上整流和穩(wěn)壓電路； 低功耗； 編碼方式為NRZ碼、曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼； 調(diào)制方式為FSK、PSK和直接調(diào)制；