射频识别(Radio frequency identification,RFID)是一种通过射频信号自动识别目标对象并获取数据的非接触式信息采集技术,被公认为是二十一世纪最有发展前途的信息技术之一,亦是支撑物联网的四大核心基础技术之一。RFID支持快速非视距、移动、多目标的识别、定位与跟踪,具有识别距离远、速度快、标签存储容量大且可重复使用等优点,已广泛地应用于人、物、资产的智能管理与监控等各个领域,渗透到人们的日常生活之中。在各种RFID应用系统中,一台RFID读写器常需快速准确地识别其工作域内数量众多的RFID标签。由于读写器与各标签之间通信共享相同无线信道,当多个标签同时向读写器返回数据时引起信息碰撞,产生了读写器无法识别出有用的各标签信息的多标签碰撞现象。多标签碰撞导致读写器识别效率降低、漏读率增大、识别时延增加等系列问题,限制了RFID的应用领域。随着RFID标签识别灵敏度提升,读写器识别距离增大,读写器的识别区域扩大且可识别的标签数量增多,多标签碰撞问题更为突出。为了解决多标签碰撞问题,研究者提出了各种防碰撞机制来协调读写器与多标签之间的通信。标签低成本、低功耗的要求限制了标签本身的信号处理能力,RFID系统防碰撞协调通信主要由读写器中防碰撞机制及算法实现。目前主流的多标签防碰撞机制存在识别效率低、复杂度高、稳定性差等问题。因此研究高效率大容量多标签防碰撞识别的新机制、新方法及实现算法具有重要的科学意义和广泛的工程应用价值。本文针对现有的RFID系统多标签防碰撞算法存在吞吐率低、复杂度高、稳定性差等问题,深入研究了双前缀匹配、子帧观测、帧分解和空闲时隙消除等机制与技术,提出了双前缀探测、基于子帧的DFSA、基于检测段的DFSA和基于空闲时隙消除的二进制分裂等防碰撞方法,开发了实现算法,理论分析、仿真和实验验证结果表明所提出的防碰撞方法及算法具有系统吞吐率高、复杂度低、稳定可靠等特点,应用前景广阔。本文主要研究内容及贡献如下:1.在研究多进制查询和空查询消除基础上,针对QT算法存在吞吐率低、识别周期长等问题,提出了一种基于自定义查询命令和碰撞数据映射、消除了多进制查询引入的空闲时隙的连续碰撞比特映射算法(Consecutive collision bit mapping algorithm,CCMA),理论分析和仿真结果表明采用该算法的RFID系统吞吐率高于经典查询树算法,达到0.46。在CCMA算法基础上,设计出双前缀探测方法(Dual-prefix probe scheme,DPPS)其不同于常规多比特碰撞仲裁机制,而是利用碰撞时隙来识别标签,显著提升了识别效率,理论分析及仿真结果表明DPPS算法的吞吐率高,有效地减少了多标签的识别时间。2.在研究子帧观测和帧分解机制基础上,针对常规DFSA算法存在复杂度高、时间效率低等问题,提出了一种基于子帧的动态帧时隙Aloha算法(Sub-frame based dynamic framed slotted Aloha,SUBF-DFSA),其在识别过程中采取设定的子帧观测,运用空闲与碰撞时隙数的关系估计剩余标签数,再依据预估的结果优化设置新的帧长,显著提升了系统的识别效率。该算法的运算复杂度低、计算量小,兼容性好,已经在现有的支持ISO/IEC 18000-6C标准的读写器中实施,工程应用前景广阔。针对常规DFSA算法的吞吐率低等问题,基于帧分解策略,提出了一种基于检测段的算法(Detected sector based DFSA,ds-DFSA),本算法通过检测段来最优化帧长,降低了不合理的帧长度对RFID系统识别性能的影响,提高了识别效率和稳定性;通过对每个碰撞时隙分配独立的帧的方法,突破了常规DFSA算法的吞吐率极限值0.368,仿真结果达到0.41。尽管ds-DFSA算法目前不能直接应用于现有的UHF RFID读写器,但是它的实现复杂度低。即对标签的状态机进行适当调整,同时在读写器端增加自定义命令即可。3.在研究二进制分裂和空闲时隙消除机制基础上,针对TS算法存在的识别延迟高、识别效率低等不足,提出了一种消除了传统TS算法中的空闲时隙的二进制分裂算法(Idle-slots elimination based binary splitting,ISE-BS),其能节省识别过程中的协调时间,提高识别效率;部分碰撞仲裁由1比特随机信号辅助完成,减少了信息传输量及读写器功耗。在ISE-BS算法基础上,提出了两种新型自适应树隙Aloha算法(Adaptive tree slotted Aloha,ATSA),本算法在识别过程中为标签群分配一个最优化帧长度,若帧中的某个时隙发生碰撞,那么受碰撞的标签则被改进的ISE-BS算法识别,仿真结果表明ATSA算法的吞吐率达到0.46,显著优于现有的树隙Aloha防碰撞算法。ISE-BS和ATSA算法的实施同样需要在标签内部增加状态标识位,在读写器端增加相应的自定义命令。综上所述,本文针对大容量多标签快速可靠识别的应用需求,深入研究了RFID系统中的多标签碰撞的机制,创新地提出了双前缀探测、子帧观测、帧分解和空闲时隙消除等RFID系统防碰撞方法,利用理论分析、数值计算和实验测试并重的方式验证了所提出的多标签防碰撞方法具有系统吞吐率高、复杂度低、稳定可靠等特点,将显著推动RFID技术的广泛应用,促进物联网技术与产业发展。