摘要：RFID技術(shù)中的防碰撞算法分為閱讀器的防碰撞以及標(biāo)簽的防碰撞兩種。文章通過對RFID中各種主流防碰撞方法的思想、實現(xiàn)及算法的研究，在現(xiàn)有的二進制搜索算法的基礎(chǔ)之上，提出了一種改進算法，并對改進算法的實現(xiàn)進行了Matlab仿真。結(jié)果證實：改進后的算法相較其他算法在標(biāo)簽長度較短的情況下，可以表現(xiàn)出極其優(yōu)越的性能。
關(guān)鍵詞：RFID；防碰撞；二進制搜索算法；改進算法
0 引言
RFID系統(tǒng)主要由讀寫器和射頻卡兩部分組成，它們之間可以通過無線方式進行通信。其中，射頻卡中存儲了需要識別、交互的數(shù)據(jù)，并且可以實時寫入或擦除。RFID系統(tǒng)工作時，若有多個電子標(biāo)簽同時在同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，則往往會出現(xiàn)信號的干擾，這個干擾就被稱為碰撞，其結(jié)果將會導(dǎo)致此次數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?，因而必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)防止碰撞。最近，有人提出了動態(tài)二進制搜索法、跳躍式類二進制搜索法等二進制防碰撞算法的改進算法。國際上廣泛應(yīng)用的防碰撞算法是ALOHO法和二進制搜索法及對這兩種算法的改進方法，如時隙ALOHO法、動態(tài)二進制搜索法、后退式二進制法搜索等。其中，動態(tài)二進制法是國際標(biāo)準所推薦的防碰撞方法。就此，本文提出了一種二進制搜索法的改進型算法。
1 二進制搜索算法
1．1 二進制搜索算法(BS)原理
二進制搜索算法又稱為二叉樹搜索算法。由于它要求能夠在閱讀器中確定數(shù)據(jù)碰撞位的準確位置，因此，必須要有合適的位編碼法。曼徹斯特碼用上升沿表示0，用下降沿表示1，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不允許“沒有改變”的狀態(tài)。如果采用ASK調(diào)制方式，當(dāng)多個電子標(biāo)簽同時發(fā)送的數(shù)據(jù)位值不同時，則對應(yīng)的曼徹斯特碼的上升沿和下降沿相互抵消，造成一種錯誤的狀態(tài)，從而可以確定碰撞位置。假設(shè)有兩個編碼為8位的電子標(biāo)簽，利用曼徹斯特編碼識別碰撞位的原理如圖1所示。閱讀器檢出的碰撞位為D6位和D5位。
一般情況下，二進制搜索算法必須先能辨認出閱讀器中數(shù)據(jù)沖突的確切位置，這一點是下面算法的基礎(chǔ)。這里主要對以下幾個命令以及原理流程進行簡述：
REQUEST(某序列號Q)：如果標(biāo)簽序列號小于或等于Q，則該標(biāo)簽進入識別狀態(tài)，將發(fā)自己的序列號給閱讀器，否則處于等待狀態(tài)；
SELECT(某序列號Q)：如果標(biāo)簽序列號等于Q，則該標(biāo)簽進入選中狀態(tài)，否則繼續(xù)等待識別；
READ：選中的標(biāo)簽與閱讀器進行數(shù)據(jù)通信；
UNSELECT：取消前選中標(biāo)簽，該標(biāo)簽進入靜默狀態(tài)，待所有標(biāo)簽完成通信或者該標(biāo)簽重新入場后，才能進入等待狀態(tài)。
1．2 二進制搜索算法的深入分析
閱讀器和標(biāo)簽之間的通信次數(shù)決定了識別速度。從眾多標(biāo)簽中識別出一個標(biāo)簽的平均通信次數(shù)為L。在二進制搜索算法中，我們知道：
L=log2N+1 (1)
由于二進制搜索算法的識別獨立性，N個標(biāo)簽的全部識別平均通信次數(shù)為：
當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目很多的時候，由于每次獨立識別浪費了大量通信次數(shù)，算法總的通信次數(shù)必然會增長很快。二進制搜索算法還有一個很明顯的弱點：閱讀器發(fā)送給每個標(biāo)簽的比較序列，其實有用的信息只包含在高于上次碰撞位X的高位之中，低于碰撞位的通信產(chǎn)生冗余。
2 動態(tài)二進制搜索算法
2．1 動態(tài)二進制搜索算法原理
前面所述的二進制搜索算法，每次搜索都需要完整的傳輸標(biāo)簽的序列號ID。但在實際應(yīng)用中，標(biāo)簽的序列號長度不再像前所述那樣為8位，而可能是長達10個字節(jié)甚至更大的規(guī)模。這樣采用BS算法，RFID系統(tǒng)標(biāo)簽的傳輸量將大增，為此動態(tài)二進制搜索(DBS)算法應(yīng)運而生。D BS算法是IS014443A這一國際標(biāo)準所推薦的防碰撞算法。序列號ID中的全部信息對于成功識別出標(biāo)簽不是不可或缺的。根據(jù)編碼規(guī)律可以去掉序列號中的冗余信息，留下有用的信息傳輸。通過觀察上面BS算法實例中標(biāo)簽的識別過程可知：命令中的碰撞位及其低位因為總是被置位為1，不包含有用的信息，這樣就不要傳輸；標(biāo)簽應(yīng)答的序列號最高位至碰撞位是已知的前綴信息，不包括補充信息，也不需要傳輸。由上面的分析可知，序列號ID中的冗余部分是不需要傳輸?shù)?。可以將DBS算法由雙向的完整傳輸加以改進，只傳輸部分有用信息。Request命令中，讀寫器只需以要搜索的序列號ID的碰撞位至最高位部分為參數(shù)。所有相應(yīng)位與此命令中參數(shù)相符的標(biāo)簽，則傳輸序列號的碰撞位以下部分作為應(yīng)答。
2．2 DBS算法的命令
與BS算法的命令相比，DBS算法的命令做了一些改進：主要是DBS算法把第一個命令改成Request(IDn-x，X)。讀寫器發(fā)送參數(shù)IDn-x(ID的N-X位)給作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽，相應(yīng)位與IDn-x符合的標(biāo)簽做出響應(yīng)，返回剩余的位信息。其余三條命令與前面所述BS算法一致。
2．3 DBS算法的性能分析
DBS算法與BS算法的規(guī)則相同，所以兩者重復(fù)操作的過程也相同。因此，DBS算法的總搜索次數(shù)為：
DBS算法在識別過程開始時，即算法的第一步，工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽是需要傳輸整個序列號的；在這之后的識別過程中，標(biāo)簽只需要傳輸ID的有用部分位。整個識別過程平均下來，DBS的信息量只有BS算法的一半。DBS算法中，標(biāo)簽要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和所需時間比起B(yǎng)S算法減少了近50％。
3 查詢樹算法(QT)
“QT(Query Tree)查詢樹算法基于標(biāo)簽ID號來分裂一組發(fā)生碰撞的標(biāo)簽。”在每一輪傳輸中，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送一個比特串的查詢信息。讀寫器的一系列查詢比特串記錄在隊列Q中。初始化隊列Q為兩個1位比特比特串0和1，讀寫器從Q中取出一個比特串，用以查詢信息。若此查詢信息與某標(biāo)簽的序列號ID的前綴信息相同，則此標(biāo)簽響應(yīng)讀寫器的命令，傳輸自己的ID給讀寫器。如果讀寫器發(fā)送的查詢比特串X1X2 X3…Xt(Xi∈{0，1}，t小于標(biāo)簽序列號ID的長度)，有多個標(biāo)簽同時響應(yīng)讀寫器的查詢信息，即發(fā)生了碰撞，則在此查詢比特串后面增加一位，將X1X2X3…Xt0和X1X2X3…Xt1壓入隊列Q中。讀寫器下次將分別用這兩個比特串作為查詢信息，前面發(fā)生碰撞的標(biāo)簽將分為兩個部分。一部分將響應(yīng)查詢比特串X1X2X3…Xt0，另一部分將響應(yīng)查詢比特串X1X2X3…Xt1。依此方法不斷地增加比特串位數(shù)，直至收到響應(yīng)但沒有碰撞情況發(fā)生或無響應(yīng)的情況，這樣讀寫器就能夠識別出所有的標(biāo)簽。
查詢樹算法用隊列Q存儲查詢信息，標(biāo)簽不必存儲序列號ID以外的無關(guān)信息，這樣，標(biāo)簽就具有更簡單的功能，可降低標(biāo)簽成本，因此，QT算法是無記憶的算法。圖2所示是QT算法的一個示意圖。系統(tǒng)中的標(biāo)簽ID號為0010、1110和1101。
4 改進型算法
4．1 改進型算法思想
讀寫器引入一個堆棧S來存儲二又樹發(fā)生碰撞時右子樹節(jié)點信息，一個隊列Q來存儲無碰撞發(fā)生時的查詢前綴。
設(shè)標(biāo)簽序列號ID是長為L的二進制數(shù)，讀寫器查詢前綴是長度不大于L的二進制數(shù)。那么，讀寫器發(fā)送查詢前綴，使其作用范圍內(nèi)標(biāo)簽將自己的序列號ID與查詢前綴相比較。如果查詢前綴與標(biāo)簽自最高位開始的部分比特串相同，則標(biāo)簽回復(fù)序列號ID剩余的部分比特串給讀寫器。初始時，二叉樹只有根節(jié)點，讀寫器的堆棧為空，隊列Q為空。
4．2 改進型算法流程
第一步，由讀寫器在初始時發(fā)送查詢前綴(1位的二進制數(shù)“0”)，此時有以下幾種情況：
(1)如果只有一個標(biāo)簽響應(yīng)，即無碰撞發(fā)生，此時可為根節(jié)點添加左子節(jié)點(表示二進制數(shù)0)，將此查詢前綴“0”送入隊列Q，跳轉(zhuǎn)到第四步。
(2)如果有多于一個的標(biāo)簽響應(yīng)，即發(fā)生了碰撞，此時可為根節(jié)點添加左子節(jié)點(表示二進制數(shù)0)，并把0送入堆棧S；然后為節(jié)點0添加左子節(jié)點00和右子節(jié)點01。將01送入堆棧S，再跳轉(zhuǎn)到第三步，以00為查詢前綴。
(3)如果無標(biāo)簽響應(yīng)，跳轉(zhuǎn)到第二步。
第二步，讀寫器發(fā)送查詢前綴(1位的二進制數(shù)“1”)，此時也有如下幾種情況：
(1)若有標(biāo)簽響應(yīng)且無碰撞發(fā)生，則為根節(jié)點添加右子節(jié)點(表示二進制數(shù)1)，將查詢前綴“1”送入隊列Q中，跳轉(zhuǎn)到第四步。
(2)若有碰撞發(fā)生，則為根節(jié)點添加右子節(jié)點(表示二進制數(shù)1)，并把1送人堆棧S；然后為節(jié)點1添加左子節(jié)點10和右子節(jié)點11。將11送入堆棧S，以10為查詢前綴。
(3)若無標(biāo)簽響應(yīng)，說明讀寫器作用范圍內(nèi)無標(biāo)簽存在或者系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，識別流程結(jié)束。
第三步，讀寫器發(fā)送查詢前綴。若收到響應(yīng)且無碰撞發(fā)生，則將此查詢前綴送入Q；若有碰撞發(fā)生，則分別添加左子樹和右子樹，右子樹壓入堆棧S，左子樹作為新的查詢前綴，重復(fù)步驟第三步；如無標(biāo)簽響應(yīng)，則從堆棧S中彈出一個元素作為查詢前綴，重復(fù)第三步。
第四步，當(dāng)讀寫器成功識別某標(biāo)簽，先與讀寫器進行通信，然后使標(biāo)簽進入“無聲”狀態(tài)，即此標(biāo)簽不再響應(yīng)讀寫器的查詢。從堆棧S中彈出一個元素作為查詢前綴，重復(fù)第三步，直至所有的標(biāo)簽被識別出來。
4．3 改進型算法實例
假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有四個待識別的標(biāo)簽，其序列號ID分別為0010、0100、1010、1101。其首次識別過程如表1所列。
首先，讀寫器發(fā)送查詢前綴0，標(biāo)簽0010和0100響應(yīng)，發(fā)生碰撞，將0送入堆棧S；添加左子節(jié)電00和右子節(jié)點01，將01送入堆棧S，以00作為新的查詢前綴。讀寫器發(fā)送查詢前綴00，此時只有標(biāo)簽0010響應(yīng)，將查詢前綴00送入隊列Q；此標(biāo)簽被成功識別，與讀寫器通信完畢后，進入“無聲”狀態(tài)。從堆棧S中彈出01，作為新的查詢前綴，此時只有標(biāo)簽0100響應(yīng)，將查詢前綴01送入隊列Q；此標(biāo)簽被成功識別。
然后再從堆棧S中彈出0，作為新的查詢前綴，此時無標(biāo)簽響應(yīng)，因此讀寫器以1為查詢前綴。標(biāo)簽1010和1101響應(yīng)，發(fā)生了碰撞，將1送入堆棧S；添加左子節(jié)點10和右子節(jié)點11，將11送入堆棧S，以10作為新的查詢前綴。讀寫器發(fā)送查詢前綴10，此時只有標(biāo)簽1010響應(yīng)，將查詢前綴10送入隊列Q；此標(biāo)簽被成功識別。從堆棧S中彈出11，作為新的查詢前綴，此時只有標(biāo)簽1101響應(yīng)，將查詢前綴11送入隊列Q；此標(biāo)簽被成功識別。
最后從標(biāo)簽中彈出1，作為新的查詢前綴，無標(biāo)簽響應(yīng)，結(jié)束識別流程。
如上所述，通過表1中所列的首輪識別后，隊列Q中的查詢前綴為[00，01，10，11]。當(dāng)讀寫器再次需要識別其作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽時，就可直接發(fā)送隊列Q中的查詢前綴，這樣，標(biāo)簽?zāi)軌虮豢焖俚刈R別出來。
5 各種算法的Matlab仿真
下面采用Matlab下仿真系統(tǒng)通信量的方法來比較各個算法的效率。在識別相同標(biāo)簽屬的前提下占用的比特數(shù)越高，則說明其通信量越大，對系統(tǒng)要求越高。
圖3和圖4均是在標(biāo)簽長度L=8的情況下所進行的仿真結(jié)果，其中圖3在識別100個標(biāo)簽時，二進制搜索算法通信量約為7 500 b，動態(tài)二進制搜索算法通信量約為4 300 b；圖4則在識別100個標(biāo)簽時，查詢樹算法在通信量約為1 3 600 b，改進型算法通信量約為2 100 b情況下的仿真結(jié)果。
依據(jù)在標(biāo)簽長度為8 b時所仿真出的圖3和圖4所示的通信量數(shù)據(jù)，可以采用相同的仿真方法較容易地得出各種防碰撞方法在不同標(biāo)簽長度下的通信量數(shù)據(jù)，綜合總結(jié)如表2所列。
6 結(jié)語
本文通過對RFID中各種主流防碰撞方法的思想、實現(xiàn)及算法的研究，提出了相應(yīng)的改進型算法，并對算法進行了詳細的說明。之后，對所有算法的實現(xiàn)進行了Matlab仿真，證實了改進型算法相較其他算法的優(yōu)越性。仿真證明，在標(biāo)簽長度較短的情況下，該算法可以表現(xiàn)出極其優(yōu)越的性能。但是，該算法亦有它的不足，在單個標(biāo)簽長度較長的情況下，該算法的通信量急劇上升。所以，在算法的通信冗余度方面還有進一步優(yōu)化的必要。
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