基于ALOHA算法的RFID防碰撞技術(shù)研究

1 射頻識(shí)別系統(tǒng)介紹
    射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)的識(shí)別方式相比，它無需直接接觸、無需光學(xué)可視、無需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，具有操作方便快捷、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大、保密性好、反應(yīng)時(shí)間短、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸管理等領(lǐng)域，成為當(dāng)前IT業(yè)研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。
    典型的RFID系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：電子標(biāo)簽(tag)、讀寫器(Read)和應(yīng)用系統(tǒng)(如圖1)。電子標(biāo)簽放置在被識(shí)別的對(duì)象上，是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。通常電子標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，一旦進(jìn)入讀寫器作用范圍內(nèi)就會(huì)被激活，并與讀寫器進(jìn)行無線射頻方式的非接觸式雙向數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的。此外，許多讀寫器還都有附加的通信接口，以便將所獲的數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2 系統(tǒng)防碰撞
    RFID系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)有2個(gè)或2個(gè)以上的電子標(biāo)簽同時(shí)在同一個(gè)讀寫器的作用范圍內(nèi)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的干擾，這個(gè)干擾就稱為碰撞，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致該次傳輸?shù)氖。驗(yàn)楸仨毑捎眠m當(dāng)?shù)募夹g(shù)防止碰撞的產(chǎn)生。

3 ALOHA算法及仿真結(jié)果
    目前有多種防碰撞算法，主要分為ALOHA算法和樹形分解算法。由于樹形分解法有時(shí)會(huì)使某些標(biāo)簽的識(shí)別延遲可能比較長(zhǎng)，所以ALOHA算法因具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廣的算法之一。ALOHA算法是在ALOHA思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)要求不斷改進(jìn)形成的算法體系。它的本質(zhì)是分離標(biāo)簽的應(yīng)答時(shí)間，使標(biāo)簽在不同的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送應(yīng)答。一旦發(fā)生碰撞，一般采取退避原則，等待下一循環(huán)周期發(fā)送應(yīng)答。ALOHA算法又分為幀時(shí)隙ALOHA算法、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法和分組幀時(shí)隙ALOHA算法等。
3．1 幀時(shí)隙ALOHA算法
    幀時(shí)隙ALOHA(Framed slotted Aloha，F(xiàn)SA)算法是基于通信領(lǐng)域的ALOHA協(xié)議提出的。在FSA中，"幀"(Frame)是由讀寫器定義的一段時(shí)間長(zhǎng)度，其中包含若干時(shí)隙。標(biāo)簽在每個(gè)幀內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。所有標(biāo)簽應(yīng)答同步，即只能在時(shí)隙(Slot)開始點(diǎn)向讀寫器發(fā)送信息，每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)隙是隨機(jī)選擇的。時(shí)隙可以分為三類：空閑時(shí)隙、應(yīng)答時(shí)隙和碰撞時(shí)隙。在空閑時(shí)隙中沒有識(shí)別任何標(biāo)簽，應(yīng)答時(shí)隙中可以正確識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽。當(dāng)一個(gè)時(shí)隙中有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送應(yīng)答時(shí)就會(huì)產(chǎn)生碰撞，形成碰撞時(shí)隙。碰撞的標(biāo)簽退出當(dāng)前循環(huán)，等待參與新的幀循環(huán)。
    讀寫器當(dāng)前使用幀的長(zhǎng)度為N，標(biāo)簽數(shù)為n，在一個(gè)時(shí)隙中存在r個(gè)標(biāo)簽的概率為：

    當(dāng)r=1時(shí)，表示一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)標(biāo)簽，即成功讀取的時(shí)隙。因此，在一個(gè)閱讀周期中讀取標(biāo)簽數(shù)的期望值為：

 
    其中，表示只有一個(gè)標(biāo)簽占據(jù)一個(gè)時(shí)隙的時(shí)隙總數(shù)。其中幀長(zhǎng)度為N，標(biāo)簽總數(shù)為n。
    系統(tǒng)效率為PN:

    圖2示出了當(dāng)幀的長(zhǎng)度為256時(shí)的系統(tǒng)效率。當(dāng)我們要想獲得最大效率時(shí)，使得：

根據(jù)上式可推出當(dāng)幀的長(zhǎng)度為N時(shí)，效率最高的標(biāo)簽響應(yīng)數(shù)為：

    當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為n時(shí)，幀長(zhǎng)度的最佳值為：
    當(dāng)n很大時(shí)，將上式泰勒爾展開：
    因此，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量與幀時(shí)隙數(shù)相同時(shí)，讀寫器的識(shí)讀效率最高。標(biāo)簽數(shù)量與幀時(shí)隙數(shù)不匹配時(shí)，識(shí)讀效率會(huì)大大下降。如標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于幀時(shí)隙數(shù)，會(huì)造成大量的空閑時(shí)隙數(shù)；而當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)高于幀時(shí)隙數(shù)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過多的碰撞時(shí)隙；這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致識(shí)別效率的降低。
3．2 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法
    為使系統(tǒng)效率最優(yōu)，提出動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA(DynamicFramed Slotted Aloha，DFSA)算法，使得幀時(shí)隙數(shù)等于參與循環(huán)的標(biāo)簽數(shù)。DFSA每幀時(shí)隙數(shù)可以根據(jù)標(biāo)簽數(shù)的變化及時(shí)調(diào)整，使得標(biāo)簽數(shù)量與幀時(shí)隙數(shù)匹配。在開始新一個(gè)幀循環(huán)時(shí)，讀寫器要對(duì)參與幀循環(huán)的標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行估計(jì)，這個(gè)過程在整個(gè)算法中發(fā)揮著重要的作用。如果所估計(jì)的標(biāo)簽數(shù)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，那么算法的效率就會(huì)發(fā)生大幅的下降，這樣就影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    目前，主要有兩種估計(jì)標(biāo)簽數(shù)的方法。第一種方法是在發(fā)生沖突時(shí)，一個(gè)時(shí)隙中至少有兩個(gè)標(biāo)簽發(fā)生碰撞。標(biāo)簽的估計(jì)函數(shù)為：
    N代表當(dāng)前幀的長(zhǎng)度，C0表示空閑時(shí)隙，C1表示成功時(shí)隙，Ck表示碰撞時(shí)隙數(shù)。當(dāng)沖突較頻繁時(shí)，這種估計(jì)方法的相對(duì)估計(jì)誤差較大，但具有方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
    另一種方法是基于時(shí)隙二項(xiàng)分布來估計(jì)標(biāo)簽數(shù)。假設(shè)N代表當(dāng)前幀的長(zhǎng)度，n表示標(biāo)簽數(shù)。標(biāo)簽選擇各個(gè)時(shí)隙數(shù)是等概率的，同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)出現(xiàn)r個(gè)標(biāo)簽的概率，根據(jù)二項(xiàng)分布原理，得：
    利用切比雪夫不等式估計(jì)標(biāo)簽數(shù)目。

   
3．3 分組幀時(shí)隙ALOHA算法
    在RFID系統(tǒng)中，我們經(jīng)常使用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算
法。但是由于最大幀時(shí)隙數(shù)有限制。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量過大時(shí)，我們不能無限制地增加幀的時(shí)隙數(shù)。因此提出了分組幀時(shí)隙ALOHA(Group Framed Slotted Aloha，GFSA)算法。分組的目的是要限制標(biāo)簽的應(yīng)答數(shù)量，使得參與識(shí)別循環(huán)的標(biāo)簽與幀的時(shí)隙數(shù)匹配。在GFSA算法中，如果估計(jì)出待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)超過了最大幀時(shí)隙數(shù)所能匹配的范圍時(shí)，保證每一組的待識(shí)別標(biāo)簽與最大幀時(shí)隙數(shù)相匹配。

在圖3中，無論是采用一組還是兩組，都會(huì)達(dá)到同樣的期望系統(tǒng)效率的標(biāo)簽數(shù)：

  由上式我們可以得到n=354。如果未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)大于354時(shí)，為達(dá)到最佳系統(tǒng)效率，我們將標(biāo)簽分成兩組。我們提出的分組算法是基于最大幀時(shí)隙數(shù)為256的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法。在算法中，首先定義：
    (1)為達(dá)到最大系統(tǒng)效率，通過獲取最后一個(gè)閱讀幀的結(jié)果(0或是1)來決定對(duì)分組標(biāo)簽進(jìn)行響應(yīng)，以確定新循環(huán)幀的大小。
    (2)為減小RFID系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過使用n=c1+2ck估計(jì)函數(shù)來確定標(biāo)簽數(shù)量。
    (3)利用上面推導(dǎo)出的n=354，作為分組的條件。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量比較小時(shí)，則使用最大幀時(shí)隙數(shù)為256的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法。一旦標(biāo)簽數(shù)量超過了354時(shí)，則使用分組幀時(shí)隙ALOHA算法，來限制系統(tǒng)內(nèi)的響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)量。過程如圖4所示。

    我們利用二進(jìn)制樹形分解法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分組，如圖5所示。二進(jìn)制樹形結(jié)構(gòu)可以有效地對(duì)未識(shí)別標(biāo)簽進(jìn)行搜索。對(duì)分組后，獲取最后一個(gè)閱讀幀的結(jié)果(0或是1)來判斷是否繼續(xù)分組。如果結(jié)果是1，表示達(dá)到時(shí)隙分離條件，需要對(duì)標(biāo)簽繼續(xù)進(jìn)行分組，直到結(jié)構(gòu)是0為止。如果結(jié)果是0，表示未達(dá)到時(shí)隙分離條件，并采用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。
    對(duì)提出的算法進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：當(dāng)標(biāo)簽數(shù)小于354時(shí)，分組幀時(shí)隙ALOHA算法采用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)大于354時(shí)，分組幀時(shí)隙ALOHA算法對(duì)標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行分組識(shí)別。所以標(biāo)簽數(shù)越多，分組幀時(shí)隙ALOHA算法所使用的時(shí)隙數(shù)越少，效率越高。如圖6所示。

4 結(jié)束語
    本文基于ALOHA算法，分別對(duì)幀時(shí)隙算法和動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法進(jìn)行研究和分析，并提出一種利用二進(jìn)制樹形分組的時(shí)隙ALHOA算法。對(duì)提出的分組算法和傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法進(jìn)行比較。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)過大時(shí)，采用此方法有利于提高系統(tǒng)效率，并減少了計(jì)算和操作的復(fù)雜度。