賈巖巖 陸華 桂林大

【摘要】 主要闡述了RFID系統(tǒng)中電子標簽的防碰撞問題，分析了常用的防碰撞技術ALOHA算法。結合公安巡檢數據采集終端的實際情況，給出了改進型ALOHA算法的實現過程，該算法簡單有效，實用性強，提高了系統(tǒng)數據的吞吐率。

【關鍵詞】 RFID標簽 防碰撞 ALOHA算法 改進型一、引言

當前社會發(fā)展與經濟建設進入全面提速階段，國民的生活水平得到進一步的提高，社會公共安全越來越收到廣泛的關注，尤其是近幾年來我國發(fā)生的暴力恐怖事件， 因此提高對巡警和巡防隊員的有效管理，對于降低犯罪，保障公共安全越來越重要。

無線射頻識別技術[1] （Radio Frequency Identification， RFID），或稱射頻識別技術。作為一種快速、準確、實時采集與處理信息的高新技術[2]，RFID被列為本世紀十大重要技術之一[3]，其在公安巡檢領域也得到了廣泛的應用。無線電技術中，多路存取的問題是眾所周知的。如果有多個RFID標簽接收到電磁波并同時發(fā)送反饋信息，則標簽閱讀器接收到的信號就會相互干擾，發(fā)生數據碰撞[4]。因此，如何解決數據碰撞問題成為了RFID系統(tǒng)的關鍵技術之一[5]。

目前，應用于射頻識別系統(tǒng)中的防碰撞技術主要有空分多址（SDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）和時分多址（TDMA）等。由于時分多址法的成本較低，易于實現，所以是目前最為常用的防碰撞技術。本文主要描述基于TDMA的RFID ALOHA隨機延時防碰撞算法。

二、ALOHA防碰撞算法

ALOHA算法是一種不確定性算法，其檢測時間和延遲時間都是隨機分布的，主要應用于主動式標簽，包括純ALOHA算法、時隙ALOHA算法和自適應時隙ALOHA算法。它的基本原理為，當信息源標簽發(fā)送的數據包發(fā)生碰撞時，標簽就會產生一個隨機延時，然后再次嘗試數據包的發(fā)送，重復此操作，直到發(fā)送成功。

2.1純ALOHA算法

純ALOHA算法是一種最簡單最基本的防碰撞算法，它不具有碰撞檢測及恢復機制，只是在概率上保證標簽發(fā)送的數據被閱讀器準確接收。它采用的是“標簽先發(fā)言”（TTF， Tag Talk First）方式。即當標簽處于閱讀器的作用范圍時，標簽就會主動發(fā)送自身的信息數據包，當多個標簽的數據同時到達閱讀器就會造成數據幀的破壞，各個標簽將隨機延長一段時間后進行重新發(fā)送。標簽1產生了數據并立即發(fā)送，接著標簽3也開始發(fā)送數據，這樣標簽1和標簽3就發(fā)生了部分碰撞，而如果兩個標簽恰巧在同一時刻發(fā)送數據，就將發(fā)送完全碰撞。

該算法的優(yōu)點是，無需同步，各標簽發(fā)送時間完全隨機，比較容易實現，尤其是當標簽較少時能夠進行很好的工作，但缺點是延時時間選擇困難，如果設置過大，則閱讀器的識別時間就會變長，若設置過小，系統(tǒng)發(fā)生重復碰撞的幾率就會大增，需要退避的次數也會過多。

性能分析：公共信道上在單位時間T內平均發(fā)送的數據幀數G和傳輸通路的吞吐率S的計算公式見式（1）和式（2）。

（1）

（2）

式中，n為系統(tǒng)中標簽的數量，rn是T時間內由標簽n發(fā)送的數據幀數。

由以上公式可以得出S的極大值，即當G=0.5時，吞吐率S的最大值Smax=1/2e（約為0.184），說明純ALOHA的最大信道利用率是18.4%。

2.2時隙ALOHA算法

時隙ALOHA算法和純ALOHA算法的區(qū)別在于，將時間分割成了一個個等長離散的時隙，時隙Tslot等于或者略大于一個數據包的長度T0，并且只有當時隙開始時每個標簽才被允許發(fā)送數據幀，這樣一來，一旦發(fā)生了數據碰撞，就是完全碰撞，不會發(fā)生部分碰撞的情況，見圖2。

時隙ALOHA算法中，S與G的關系為：

S=Ge-G

2.3動態(tài)時隙ALOHA算法

在時隙ALOHA算法中，時間軸被劃分的時隙數N是固定不變的，且容易實現，但是在公安巡檢數據采集終端的實際應用環(huán)境中，進入閱讀器作用范圍的電子標簽的數量是動態(tài)改變的，閱讀器不能主動根據電子標簽的數量調整時隙數的大小，這將導致公安巡檢數據采集終端性能不穩(wěn)，甚至造成電子標簽的信息漏讀。動態(tài)時隙ALOHA算法能夠根據標簽發(fā)生碰撞的數量動態(tài)地改變時隙數N的大小。當時隙數小于標簽數量時，閱讀器根據發(fā)生碰撞的標簽數適當增加時隙數，反之，當時隙數大于標簽數量時，閱讀器能適當地減少數據幀的時隙數。動態(tài)ALOHA算法能保證數據幀的時隙數與標簽數量基本一致，使系統(tǒng)效率達到最佳。

2.4 改進型ALOHA算法

RFID系統(tǒng)中的標簽只能通過接收閱讀器的指令來判斷是否發(fā)生了數據碰撞，導致系統(tǒng)信道利用率很低。若標簽能夠自主判斷是否會發(fā)生數據碰撞，再選擇發(fā)送數據，就可以大大降低數據發(fā)生碰撞的概率，進而使信道利用率增加。改進型ALOHA算法是在時隙ALOHA算法的基礎上增加了數據碰撞避免機制[6]，各標簽首先進行標簽同步，當信道被其他標簽占用時繼續(xù)監(jiān)聽，直到信道空閑將自身數據立即發(fā)送出去，若發(fā)生數據碰撞，則隨機延遲一段時隙后重新監(jiān)聽。由于改進型ALOHA算法采用了實時信道監(jiān)聽，這就要求標簽具有主動發(fā)送信息的能力，所以改進型ALOHA算法僅適用于有源電子標簽的防碰撞。公安巡檢數據采集終端采用的正是有源電子標簽，有源電子標簽增加了閱讀器的讀取距離，不僅縮短了閱讀器的讀取時間，而且提高了讀取效率[7]。

三、公安巡檢數據采集終端中防碰撞算法的實現

公安巡檢數據采集終端中閱讀器與標簽通信運用握手協(xié)議進行數據交換[8]，標簽進入閱讀器搜索范圍時被激活，當標簽監(jiān)聽到信道空閑時發(fā)送自身數據，發(fā)送成功后進行滅活處理。

具體實現步驟如下：

（1）閱讀器發(fā)送廣播信息幀；

（2）處于閱讀器作用范圍內的所有標簽將接收廣播信息幀，未被識別的標簽（即處于休眠狀態(tài)）自主喚醒，同時監(jiān)聽信道狀態(tài)，等待發(fā)送自身數據；

（3）當標簽監(jiān)聽到信道空閑時，將自身數據發(fā)送出去，并繼續(xù)偵聽閱讀器返回的數據幀；

（4）若標簽成功占用了信道，閱讀器接收后會返回應答，標簽收到應答后進入休眠模式（即滅活）。若未能成功占用信道，標簽即隨機延時一段時隙，繼續(xù)監(jiān)聽信道等待重新發(fā)送。

（5）閱讀器再次發(fā)送廣播信息進行下一次通信。

四、結語

改進的ALOHA數據防碰撞算法，即在標簽發(fā)送數據之前先監(jiān)聽信道是否被占用，再決定是否發(fā)送數據。仿真結果表明：改進型ALOHA算法優(yōu)于動態(tài)ALOHA和時隙ALOHA算法，最大數據吞吐率達到53%。在公安巡檢數據采集終端的實際應用中，改進型ALOHA算法完全能夠滿足要求，且易于實現，成本較低，達到了比較好的效果。

陳業(yè)龍（1973-），男，本科，工程師，主要研究方向：通信技術及物聯(lián)網應用開發(fā)

賈巖巖（1987-），通信作者，男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：無線通信系統(tǒng)中的信號處理技術

陸華（1985-），男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：信號處理和傳輸技術