《射频识别（RFID）原理与应用》期末复习 RFID第四章 数据校验和防碰撞算法（知识点总结+习题巩固）

第四章 数据校验和防碰撞算法

知识点总结

一、差错控制技术

1. 差错类型与性质

差错类型	特征	成因
随机错误	错误位离散无关联	信道随机噪声（如热噪声）
突发错误	错误位连续相关（如连续多位错误）	脉冲干扰、信号衰减
混合错误	随机与突发错误并存	复杂信道环境

2. 差错控制方法

方法	原理	适用场景
前向纠错(FEC)	发送纠错码，接收端自动纠错（如汉明码）	单向传输，实时性要求高
检错重发(ARQ)	发送检错码（如CRC），接收端请求重传错误数据	双向通信，可靠性优先
混合纠错(HEC)	FEC与ARQ结合：先尝试纠错，失败则重传	平衡效率与可靠性

3. 常用校验码

校验方式	算法描述	RFID应用
奇偶校验	添加1位校验位，使"1"的个数为奇/偶（奇校验或偶校验）	简单场景，成本敏感系统
纵向冗余(LRC)	数据块按字节异或（XOR），结果作为校验字节	ISO/IEC 15693标准
循环冗余(CRC)	关键步骤： 1. 信息多项式 $M(x)$ 左移 $r$ 位 2. 模2除生成多项式 $G(x)$ 3. 余数作为校验码	ISO/IEC 14443（CRC-A/CRC-B）

CRC计算示例：
题目描述：待发送的信息为1001，生成多项式为G(x)=1011，计算余数R(x)，传递的信息T(x)，展示循环冗余校验的过程。
生成多项式$G(x)=1011$，对应的阶为 $r=3$ （总位数-1），
将原始待发送的信息$M(x)$左移 $r=3$ 位，得到$M(x{)}^{\prime }=1001000$（右侧补3个0），
用左移后的$M(x{)}^{\prime }$除以给定的生成多项式 $G(x)$，

运算结果得到余数 $R(x)=110$，
将待发送信息 $M(x)$ 左移后的信息加上得到的余数 $R(x)$，就得到应传送的信息
$T(x)=1001000+110=1001110$，
发送码即为 $1001110$.

• ( M(x) = 1001 )（信息码：9）
• ( G(x) = 1011 )（生成多项式：( x^3 + x + 1 )）
• 余数 ( R(x) = 110 ) → 发送码：1001110

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二、防碰撞算法原理

1. 碰撞类型与多路访问方法

碰撞类型	特征	解决方案
标签碰撞	多标签同时响应读写器	TDMA（时分多址）主导方案
读写器碰撞	相邻读写器信号重叠干扰	空分多址(SDMA)或功率控制

多路访问方法	实现原理	RFID适用性
空分多址(SDMA)	定向天线控制波束指向特定标签	成本高，仅用于>850MHz
频分多址(FDMA)	不同标签使用不同载波频率	标签电路复杂，少用
码分多址(CDMA)	标签用唯一扩频码区分	频带利用率低，难推广
时分多址(TDMA)	主流方案：标签分时隙响应	所有频段通用

2. TDMA防碰撞算法分类

算法类型	代表算法	工作原理	优缺点
概率型算法	ALOHA家族	标签随机选择时隙发送，冲突则随机退避重发	实现简单，存在"标签饥饿"
确定型算法	树形搜索家族	递归分割冲突标签集，直至唯一标签响应	100%识别，通信开销大

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三、核心算法详解

1. ALOHA家族算法

算法变体	关键机制	吞吐率	应用场景
纯ALOHA	标签随时发送，冲突则随机退避	峰值18.4% (G=0.5)	只读标签系统
时隙ALOHA(S-ALOHA)	标签仅在时隙起点发送	峰值36.8% (G=1)	HF频段（如13.56MHz）
动态时隙ALOHA	读写器动态调整帧长（时隙数）	可达40%+	EPC Gen2标准
Q值算法	时隙数= $2^Q$（Q动态调整）	优化冲突/空闲平衡	ISO/IEC 18000-6C

Q值算法流程：

1. 读写器发送 Query(Q) 设置时隙数 $N=2^Q$
2. 标签随机选择时隙 $s\in [0,N-1]$
3. 时隙计数归零的标签响应
4. 冲突则增大Q，空闲则减小Q

2. 二进制树形搜索算法

算法变体	分裂方式	碰撞检测方法
基于序列号	查询比特前缀	曼彻斯特码位冲突检测
基于随机数和时隙	递归遇到碰撞就分支	曼彻斯特编码

二进制树搜索流程：

1. 读写器发送 REQUEST(前缀)
2. 匹配前缀的标签响应UID
3. 若冲突，根据最高碰撞位修改前缀（追加0或1）
4. 递归直至无冲突，用 SELECT 选中标签

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四、标准协议实现

1. ISO/IEC 14443 防碰撞协议

类型	防碰撞机制	命令集	特点
TYPE A	位检测防碰撞	REQA→ATQA→ANTICOLLISION→SELECT→SAK	基于曼彻斯特码碰撞位检测
TYPE B	时隙ALOHA	REQB→ATQB→SLOT-MARKER→ATTRIB	时隙数动态调整，兼容性好

TYPE A防碰撞流程：

• 标签状态：Power-off → Idle → Ready → Active → Halt
• 冲突处理：逐级匹配UID CLn（CL1→CL2→CL3），按碰撞位分裂

TYPE A防碰撞流程：

• 冲突处理：时隙响应(读卡器调整时隙数,降低碰撞概率)

ISO/IEC 14443 防碰撞协议 Type A Type B(点击链接跳转博客详解)

2. EPC Gen2 Q算法

• 时隙管理：
  • $Q\in [0,15]$，时隙数 $N=2^Q$
  • 冲突时：$Q\leftarrow Q+c$（$c\approx 0.5$）
  • 空闲时：$Q\leftarrow \max (0,Q-1)$

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五、设计实例

1. MCRF250芯片

• 工作频率(载波)位125kHz
• 工作模式：Native模式（直接响应） vs 读模式（防碰撞流程）
• 编码方式：NRZ码 曼彻斯特码 差分曼彻斯特码
• 调制方式：FSK PSK 直接调制
• 防碰撞电路：基于时隙ALOHA，支持动态帧长调整

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习题巩固

以下是根据PPT《RFID数据校验和防碰撞算法》第四章内容设计的20道习题，涵盖差错控制、防碰撞算法及标准协议，附带答案与解析：

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一、选择题

1. CRC校验中，生成多项式 $G(x)=x^3+x+1$ 对应的二进制序列是？
   A. 1011
   B. 1101
   C. 1110
   D. 1001
   答案：A
   解析：最高次项系数为1，$x^3$ →1, $x^2$→0, $x$→1, 常数→1，故为1011。

2. 时隙ALOHA算法的峰值吞吐率约为？
   A. 18.4%
   B. 36.8%
   C. 50%
   D. 75%
   答案：B
   解析：时隙ALOHA最大吞吐率 $S_{\max }=1/e\approx 0.368$。

3. ISO/IEC 14443 TYPE A防碰撞协议的关键机制是？
   A. 时隙ALOHA
   B. 位检测碰撞
   C. CDMA扩频
   D. 随机退避
   答案：B
   解析：TYPE A通过曼彻斯特码检测碰撞位，逐级匹配UID。

4. EPC Gen2标准采用的防碰撞算法是？
   A. 纯ALOHA
   B. 二进制树搜索
   C. Q值算法
   D. 查询树算法
   答案：C
   解析：Q值算法动态调整时隙数 $N=2^Q$，用于UHF标签。

5. 下列校验方式中，按字节异或运算的是？
   A. 奇偶校验
   B. CRC校验
   C. LRC校验
   D. 汉明码
   答案：C
   解析：LRC（纵向冗余校验）对数据块所有字节异或生成校验码。

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二、填空题

6. 纯ALOHA算法的峰值吞吐率是 18.4%（当G=0.5时）。
7. 二进制树搜索算法中，检测碰撞需使用 曼彻斯特 编码。
8. ISO/IEC 14443 TYPE B的防碰撞机制基于 时隙ALOHA。
9. CRC校验中，接收端判定无错误的依据是余数为 0。
10. 动态时隙ALOHA通过调整 帧长（时隙数） 优化性能。
11. 标签碰撞是指 多个标签同时响应同一读写器。

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三、判断题

12. FEC（前向纠错）需要反向信道支持重传。（×）
    解析：FEC接收端自主纠错，无需重传，ARQ才需反向信道。
13. 树形搜索算法100%识别标签，但通信开销大。（√）
    解析：需递归分割冲突集，交互次数多。
14. TYPE A防碰撞流程中，SELECT命令用于激活标签。（√）
    解析：SELECT匹配UID后标签进入Active状态。
15. Q值算法中，冲突时应减小Q值以减少时隙数。（×）
    解析：冲突需增大Q值（增加时隙数），空闲时减小Q值。
16. 突发错误由随机噪声引起，错误位离散。（×）
    解析：突发错误位连续相关，随机错误位离散。

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四、简答题

17. 简述CRC校验发送端计算步骤。
    答案：

    1. 信息码左移r位（r=生成多项式阶数）
    2. 用生成多项式G(x)做模2除法
    3. 余数作为校验码附加到信息码后

18. 对比纯ALOHA与时隙ALOHA的优缺点。
    答案：

    算法	优点	缺点
    纯ALOHA	无需时隙同步，实现简单	吞吐率低（18.4%），碰撞概率高
    时隙ALOHA	吞吐率翻倍（36.8%）	需时隙同步，成本高

19. 二进制树搜索中为何用曼彻斯特码？
    答案：
    曼彻斯特码位中间跳变可定位碰撞位（如跳变缺失表示该位冲突），便于读写器修改搜索前缀。

20. Q值算法的Q=3时，可用时隙数是多少？冲突后Q如何调整？
    答案：

    • 时隙数 $N=2^3=8$
    • 冲突时：$Q\leftarrow Q+c$（典型值c=0.5，即Q=3.5→取整为4）

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五、综合题（每题10分，共2题）

21. CRC计算题
    已知信息码 $M=1100$，生成多项式 $G=1011$（$x^3+x+1$），求发送码。
    解：

    • 步骤1：( M ) 左移3位 → 1100000
    • 步骤2：模2除法：

        1100000 ÷ 1011  1011   → 商1  -----  1110  1011 → 商1  -----  1010  1011 → 商1  -----  0010 → 余数010  
      

    • 发送码：信息码 + 余数 = 1100010

22. 防碰撞流程分析
    标签UID：Tag1=1010, Tag2=1100, Tag3=1011。
    基于序列号的二进制树搜索法：
    列出读写器请求序列。

答案：

编号	Request命令	响应标签	读写器接收数据	成功识别
1	1111	Tag1, Tag2, Tag3	1xxx	无
2	1011	Tag1, Tag3	101x	无
3	1010	Tag1	1010	Tag1
4	1111	Tag2, Tag3	1xxx	无
5	1011	Tag3	1011	Tag3
6	1111	Tag2	1100	Tag2

请求序列：Tag1, Tag3, Tag2