目前的RFID應用，在航空業方面，美國拉斯維加斯、日本及香港等地的機場，都已開始試行以RFID控管行李或旅客的行蹤，不僅提升效率，同時還可達到安全的目的。

但如此眾多的行李或旅客之間，讀取器該如何清楚分辨每一位旅客或行李的射頻條碼？以及讀取器在掃描範圍內除了要分辨不同的物件外，並且讀取器該如何不致於讓射頻條碼同時傳送資料，以造成資料的互相碰撞？

《圖一　讀取器在讀取範圍內傳送資料流給所有的詢問器並同時接收》

多工處理程序—防碰撞機制

RFID系統的機制通常同時在每一個讀取器（Reader）可讀取範圍內（Interrogation zone）包含了許多的感應器（Transponders）。 如系統內包括控制台（Control Station）、讀取器和一些使用者（Participant）及感應器，並且粗略分為兩大主要的通訊類型。

首先由讀取器傳送資料給感應器，如(圖一)。 其所傳送的資料串列由所有的感應器同時接收。 此應用可與數以百計的無線接收機，同時接收由無線廣播電台所傳送的新聞節目做比較。這種通訊架構即為已知的廣播系統（broadcast）。

另一通訊類型包含了在讀取器讀取範圍內透過許多獨立感應器傳送資料給讀取器，這種通訊架構又稱為多工傳輸（multi-access），如(圖二)。

每一個通訊頻道皆定義了其頻寬，而頻寬由通訊頻道的最大資料傳輸率和有效的時間間距所決定。將頻寬有效的分給感應器（participants），例如數個感應器在沒有相互干擾與碰撞的情形下傳送資料給讀取器。

《圖二　讀取器的多工程序：許多感應器同時傳送資料給讀取器》

在感應式RFID系統，讀取器僅有在接收器時，才能對於在讀取範圍內所有的感應器執行有效傳輸。如同感應器在公共頻道中傳送資料給讀取器一樣，最大資料傳輸率可由感應器和讀取器天線的有效頻寬獲得。

在無線技術中多工傳輸的問題已經發現一段不算短的時間了，例如包含衛星新聞和手機電話網路，許多這些應用的用戶都嘗試著進入單一衛星或基地台。為此目的，為數眾多的製造商已開始發展分隔彼此單一用戶的訊號。目前有四種不同的多工程序，如(圖三)：包括分域多工（space division multiple access；SDMA）、分頻多工（frequency division multiple access；FDMA）、分時多工（time division multiple access；TDMA）以及分碼多工（code division multiple access；CDMA），除此之外還有已知的展頻技術（spread-spectrum）。然而這些典型程序，如果用戶與用戶之間未中斷資料串列，一旦某頻寬溢滿，則必須等到通話關係結束才會停止（如電話通訊期間）。

RFID感應器另一種特性為以不等時間長短的間歇，中斷散置的短暫週期活動。以非接觸式智慧卡應用在大眾交通運輸卡上為例，大眾運輸卡之讀與寫的動作必須在讀取器的讀取範圍之內數十個毫秒內完成。隨後一段長期間內，可能會沒有智慧卡進入讀取器的讀取範圍。 然而，此範例並不會導致工程師認為多工程序無須應用於此。因為一般乘客當通過讀取器時，通常擁有二至三張相同類型的非接觸式智慧卡在皮夾內，會造成讀取器的天線對所有的卡片進行讀取，因此將會影響讀取器增加讀取時間而失去方便性，或甚至無法讀取卡片造成錯誤。 此時若使用多工程序，就有選擇正確卡片的能力，並且無需在任何讀取延遲的情況下扣除費用，甚至在上一例子中也可完成。此機制在讀取器和感應器之間的傳輸頻道有一非常高的突波因素（Burst Factor），或者也可稱為封包執行程序（Packet access procedure）。

在RFID系統多工程序的實際技術中，經常造成一些感應器和讀取器之間的延遲。因此必須確實地避免感應器資料（package）和讀取器接收器彼此之間資料的碰撞衝突而無法讀取。在RFID系統的相關文獻中，技術程序（執行協定）協助處理的無干擾多工程序，一般稱為防碰撞系統。

事實上，資料封包以單一感應器傳送給讀取器，例如以Load modulation的方式，讀取器造成的特殊問題幾乎會在所有的RFID系統中發生，使得所有的感應器無法在讀取器之讀取範圍內讀取，因此，感應器無法在第一時間內檢測在讀取器讀取範圍內其他感應器的存在。

《圖三　多工和防碰撞程序的四種基本工作程序》

Space Division Multiple Access（SDMA）

分域多工的相關技術可在空間分隔的區域中重複利用頻寬資源。其主要功能是為了減少單一讀取器的讀取範圍，但為了補償其讀取範圍，卻帶來了矩陣形式的大量讀取器和天線。 如此一來，便提供了另一覆蓋範圍。此結果使得鄰近讀取器的頻寬可被重複利用，因此該程序便可成功地應用在長距離馬拉松比賽裡。在比賽中會偵查每一位跑者的比賽時間是否符合感應器的時間。實際應用時，一些讀取器天線會被置入格子邊（Tartan mat）。當參賽跑者帶著自己的感應器穿越時，跑者的感應器會覆蓋少數天線的讀取範圍。由於跑者在空間上的分佈， 大量的感應器可同步讀取全部設備佈置。而另一功能可在讀取器上使用電子式控制指向天線， 指向電波可直接定點指向感應器。因有許多不同感應器在讀取器讀取範圍內能以不同的角度位置傳送資料。相位陣列天線利用如電子式控制指向型天線，並由這些天線構成極化天線，由於天線尺寸的關係，因此SDMA於RFID應用時僅在頻率850MH以上（一般為2.45GHz）。 每一個極化元件在某一個獨立相位位置下被驅動。天線指向圖是由不同方向上的極化元件， 相異疊加單獨波形所得，在某些方向上每個相位極化天線的單獨場可疊加，而此機制會導致場的振幅改變。在其他方向全部或部份波形會相互抵消。為了確定方向，個別的元件提供了可調整的HF電壓，和由相位修改器所控制的可變相位。為了定位感應器，空間週圍的讀取器必須使用指向天線掃描感應器，直到感應器被讀取器的搜尋訊號（Search light）所檢測，如(圖四)。

而SDMA技術的缺點是其複雜的天線系統造成價格過高。因此，此種防碰撞程序僅針對少數應用。

《圖四　適合SDMA的電子式控制指向天線，方向波均指向各種不同的詢問器》

Frequency Domain Multiple Access（FDMA）

分頻多工技術可在不同載波頻率分成數個傳送頻道，並同時傳送給每一位使用者。在RFID系統中，感應器可自由地調整不和諧的傳輸頻率，功率供給感應器和傳輸控制訊號（例如廣播）會發生在最適合讀取器的頻率f。感應器回應其中一個有效回應頻率f-f，如(圖五)。因此，感應器可用在完全不同的頻率範圍傳送及接收資料，例如讀取器至感應器的下行（downlink）頻率為135KHz，感應器至讀取器的上行（uplink）數個頻道皆在433～435MHz範圍內。

另一選擇為Load modulated RFID系統或Backscatter系統，其由感應器至讀取器使用各種獨立子載波頻率傳送資料。FDMA程序的缺點為讀取器價格高，因讀取器為一接收器，此接收器必須提供每一個接收頻道。此防碰撞程序仍限制在少數特殊應用上。

《圖五　在FDMA程序中，由詢問器至讀取器使用數個頻率傳送資料》

Time Domain Multiple Access （TDMA）

分時多工技術為全部的有效頻寬被使用者依時間順序分割。TDMA程序應用十分廣泛，尤其在數位行動通訊系統領域上。在RFID系統中，TDMA程序顯然是最大的防碰撞程序類別。接著將分別討論感應器驅動和訊問器驅動（Interrogator-driven）程序之差異，如(圖六)。

因讀取器無法控制資料的傳送，感應器驅動程序為非同步功能，因此需要區分關閉（switched-off）和無開關（non-switched）程序，並以是否關閉感應器來決定以上兩種程序，而後以讀取器成功傳送資料後的訊號決定關閉感應器。

《圖六　時域防碰撞程序的分級根據Hawkes（1997）》

感應器驅動程序執行速度非常慢並且毫無彈性。許多應用使用由讀取器控制的程序如Master（訊問器驅動），此程序視為同步工作，因所有感應器皆由讀取器同時控制及檢查。在讀取器的讀取範圍內，需由一群感應器裡選出一個別感應器，利用特定演算法展開所選之感應器與讀取器之間的通訊（驗證、讀取和寫入資料）。只有在傳送關係終止時，才會進一步選擇下一個感應器。每一次開始時，只有一個傳送關係，而每個感應器可在快速連續工作下操作。訊問器驅動程序為所知的時間多工程序。

訊問器驅動程序又再細分成輪詢（polling）和二進位搜尋（binary search）程序。這兩種程序都以感應器為唯一的序號確認身份。

而輪詢（polling）程序需要所有感應器名單的序號，此序號可能只發生過一次傳送訊息的動作。所有的序號皆由讀取器個別訊問，直到一個感應器回應確認序號訊息。以上的程序會花些時間完成，主要原因與所有可能的感應器數目有關，並且在區域內僅少數感應器符合此動作。

二進位搜尋（Binary Search）程序則相當有彈性，因此程序運用在許多領域上。二進位搜尋為在一群感應器裡挑選出某一個感應器，而此感應器傳送多組序號給讀取器時，刻意造成傳送時的資料碰撞。此機制是依據來自讀取器的要求命令（Request Command）。若此程序成功執行，讀取器便有能力使用適合的訊號編碼系統，判斷確切的碰撞位元位置。

（作者Rohde & Schwarz羅德史瓦茲系統應用部系統應用工程師）

＜參考資料：

[1]Abramson, Norman （n.d.） Multiple access in wireless digital networks, ALOHA Networks Inc., San Francisco, CA, http://www.alhanet.com/ sama/ samatppr.html

[2]Mansukhani, Arun(1996) Wireless Digital Modulation, Applied Microwave & Wireless, November/December. ＞