李建雄，邢炳雷，閆必行，劉鵬雪，賈紅玉（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387）

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高效的功率可控防碰撞算法

李建雄，邢炳雷，閆必行，劉鵬雪，賈紅玉
（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

摘要：多標(biāo)簽防碰撞技術(shù)是射頻識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，針對現(xiàn)有的ALOHA防碰撞算法消耗大量的時(shí)隙和能量，提出了一種高效的功率可控防碰撞算法.首先，本算法通過對標(biāo)簽UUID進(jìn)行哈希編碼將標(biāo)簽映射到相應(yīng)的幀時(shí)隙，提高了時(shí)隙利用率.然后，利用碰撞檢測機(jī)制，每次只允許無碰撞的標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行通信，從而大大減少了無效通信的過程.最后，采用功率控制機(jī)制將標(biāo)簽按區(qū)域進(jìn)行識別，明顯地減少了標(biāo)簽碰撞并且節(jié)約了通信耗能.通過仿真結(jié)果分析可以看出：該算法的性能比已有的防碰撞算法有明顯提高，基本滿足了RFID系統(tǒng)對標(biāo)簽防防碰撞算法的要求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：射頻識別；防碰撞算法；ALOHA；哈希編碼；碰撞檢測；功率可控

射頻識別（radio frequency identification，RFID），是一種近年來逐漸成熟的利用無線傳輸?shù)淖R別技術(shù)，其通過無線電波自動(dòng)識別標(biāo)簽數(shù)據(jù).與傳統(tǒng)識別技術(shù)相比，無需直接接觸即可完成通信過程，具有識別距離遠(yuǎn)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[1].射頻識別系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢，并在醫(yī)療、自動(dòng)化、交通運(yùn)輸管理、定位、產(chǎn)品證件防偽、門禁等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

閱讀器通過天線發(fā)送電磁波，電子標(biāo)簽接收到足夠的能量后將被激活，將自身信息返回各閱讀器，再轉(zhuǎn)達(dá)服務(wù)器進(jìn)行處理.當(dāng)識別區(qū)域內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽在同一時(shí)刻和閱讀器通信時(shí)，閱讀器將不能正確識別標(biāo)簽，從而降低了通信成功率，因此合理的標(biāo)簽防碰撞算法是RFID研究的重要內(nèi)容.性能優(yōu)越的防碰撞算法可以提高射頻識別系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更利于其推廣.

目前，在國內(nèi)外RFID系統(tǒng)中使用的防碰撞算法以時(shí)分多址最為常見.基于時(shí)分多址的標(biāo)簽防碰撞算法主要有兩種：一種是隨機(jī)防碰撞算法[2]，如ALOHA系列算法，其要求標(biāo)簽在通信時(shí)隨機(jī)選擇發(fā)送時(shí)隙；另一種是確定防碰撞算法[3]，如二叉樹系列防碰撞算法，其策略為按照樹形結(jié)構(gòu)逐步查找所需要的標(biāo)簽.采用標(biāo)簽防碰撞算法可以避免多標(biāo)簽同時(shí)和閱讀器進(jìn)行通信，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的成功率. ALOHA算法在選擇時(shí)隙時(shí)的隨機(jī)性，可能會導(dǎo)致個(gè)別標(biāo)簽始終無法被成功識別，被稱為標(biāo)簽“餓死”現(xiàn)象，而基于二叉樹的確定性防碰撞算法雖然可以保證識別成功率，但也存在著算法復(fù)雜、識別周期長等問題.

本文根據(jù)已存在的ALOHA防碰撞算法[4-8]，提出一種高效的功率可控防碰撞算法.該算法通過對標(biāo)簽UUID進(jìn)行哈希編碼[9]將標(biāo)簽映射到相應(yīng)的幀時(shí)隙，然后利用碰撞檢測機(jī)制，每次只允許無碰撞的標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行通信，從而大大避免了閱讀器與標(biāo)簽間的無效通信過程，提高了時(shí)隙利用率，同時(shí)采用功率可控機(jī)制將標(biāo)簽按識別區(qū)域進(jìn)行識別，明顯地減少了標(biāo)簽碰撞并且減少了通信耗能.

1　新型防碰撞算法

本算法是在分組動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙防碰撞算法[5，7]的基礎(chǔ)上提出的，針對多標(biāo)簽識別時(shí)產(chǎn)生的大量碰撞的一種改進(jìn)算法.該算法很好地提升了時(shí)隙利用率，減少了閱讀器多次查詢造成的時(shí)隙浪費(fèi)，不但減少了識別總時(shí)間，而且使閱讀器在節(jié)能方面表現(xiàn)出良好的性能.

1.1算法原理

假設(shè)標(biāo)簽均勻分布在識別區(qū)域內(nèi)，本文算法首先需要閱讀器對標(biāo)簽進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過控制閱讀器發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)對識別區(qū)域的劃分，從而實(shí)現(xiàn)了將標(biāo)簽按距閱讀器的距離分組.功率可控算法的原理如圖1所示.

圖1　功率可控原理示意圖Fig.1 Schematic of power-control

假設(shè)將整個(gè)識別區(qū)域劃分為4個(gè)子區(qū)域，T0代表在有效識別范圍d0內(nèi)的標(biāo)簽群，T1代表在識別范圍d1但不包括d0內(nèi)T0的標(biāo)簽群，T2、T3代表同樣意義的標(biāo)簽群.當(dāng)在識別范圍內(nèi)有大量標(biāo)簽存在時(shí)，減少發(fā)射功率，也就減少了參與識別的標(biāo)簽，從而也就減少了標(biāo)簽的通信碰撞概率.以圖1所示為例，閱讀器先發(fā)射較小的功率，使有效識別區(qū)域?yàn)閐0，僅與d0區(qū)域的標(biāo)簽群T0進(jìn)行通信；在與T0標(biāo)簽群通信結(jié)束后，再增加發(fā)射功率至有效識別區(qū)域?yàn)閐1（包含d0），屏蔽掉T0標(biāo)簽群而只與T1標(biāo)簽群通信；在與T1標(biāo)簽群通信結(jié)束后，再增加發(fā)射功率至有效識別區(qū)域?yàn)閐2（包括d1），屏蔽掉T0和T1標(biāo)簽群而只與T2標(biāo)簽通信；最后，增加發(fā)射功率到最大，也就是最大有效識別區(qū)域d3，屏蔽掉T0、T1和T2標(biāo)簽群而只與剩下的標(biāo)簽群進(jìn)行通信.

在每組標(biāo)簽的識別過程中，閱讀器首先對標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)帶有初始幀長L的查詢命令，激活范圍內(nèi)的標(biāo)簽收到來自閱讀器的查詢命令后進(jìn)行簡單的求余運(yùn)算，用自身的UUID號對幀長L求余，并存儲在標(biāo)簽的時(shí)隙標(biāo)志位中.然后標(biāo)簽將時(shí)隙標(biāo)志位信息返回給閱讀器，閱讀器統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)隙中標(biāo)簽的個(gè)數(shù).閱讀器生成一個(gè)L位的碰撞檢測序列，當(dāng)時(shí)隙i為單標(biāo)簽占用時(shí)，碰撞檢測序列的第i位設(shè)置為1，空閑或多標(biāo)簽占用時(shí)設(shè)置為0，閱讀器將此碰撞檢測序列發(fā)送給激活的標(biāo)簽.標(biāo)簽接收到來自閱讀器的碰撞檢測序列后，通過查詢只允許碰撞檢測序列對應(yīng)位值為1的標(biāo)簽響應(yīng)閱讀器的查詢.然后閱讀器采用變幀長ALOHA算法進(jìn)行標(biāo)簽識別直到本組標(biāo)簽全部通信完成，被識別的標(biāo)簽將被設(shè)置為靜默態(tài)不再參與后續(xù)的識別過程.

1.2算法模型與實(shí)現(xiàn)流程

假設(shè)n為識別區(qū)域內(nèi)未識別的標(biāo)簽數(shù)目，L表示時(shí)隙幀長，且每個(gè)幀時(shí)隙被標(biāo)簽選中的概率是相等的.根據(jù)概率論原理[4，10-11]，標(biāo)簽選擇任意時(shí)隙的概率為1/L，則有r個(gè)標(biāo)簽選擇同一時(shí)隙的概率為：

式中：Pidle表示一個(gè)時(shí)隙沒被標(biāo)簽占用的概率；Psucc表示一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)標(biāo)簽的概率；Pcoll表示一個(gè)時(shí)隙被多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)占用而產(chǎn)生標(biāo)簽碰撞的概率.

對上式（1）求導(dǎo)可得最高的系統(tǒng)效率[5，10]，此時(shí)

由公式（4）可以得出，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)與幀長幾乎相等的時(shí)候系統(tǒng)識別率最高，因此盡量將幀長設(shè)置為與未識別標(biāo)簽數(shù)相等，但是幀長不能隨著標(biāo)簽數(shù)的增長一直變大.當(dāng)標(biāo)簽數(shù)很大時(shí)，將標(biāo)簽分成m組和m+1組（m≥1），這時(shí)分組的臨界標(biāo)簽個(gè)數(shù)為[5，12]

然后得到識別范圍內(nèi)未識別的標(biāo)簽數(shù)與分組數(shù)之間的關(guān)系[5，12]

例如當(dāng)m = 1時(shí)，得到不分組和分成2組的標(biāo)簽臨界值為n = 354；通過式（1）—式（8），得到表1的分組規(guī)則.

表1　未識別標(biāo)簽數(shù)與幀長大小和分組數(shù)的關(guān)系Tab.1 Relationship between unrecognized tags，framelength and groups

根據(jù)Friis[1，13]公式，能得到閱讀器發(fā)射功率與識別距離的關(guān)系

式中：d為識別半徑；λ為電磁波波長；Preader為閱讀器發(fā)射功率；Greader= 8 dBi和Gtag= 1.2 dB分別為閱讀器天線增益和標(biāo)簽天線增益；Preader和Greader均為等效全向輻射功率（EIRP），其在北美地區(qū)限制在4 W內(nèi)；p為閱讀器天線和標(biāo)簽天線的極化匹配因子（極化完全匹配時(shí)，p = 1），ptr= -15 dBm表示無源標(biāo)簽的最小工作門限；τ為標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片的功率傳輸因子（共軛阻抗匹配時(shí)，τ= 1）.

假設(shè)閱讀器的最大識別半徑為dmax= 10 m，并且標(biāo)簽均勻分布在識別區(qū)域內(nèi)，即標(biāo)簽密度為ρ= n/πd2max，通過結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)能夠到圖1中具體的di值

式中：m表示分組的臨界值，根據(jù)公式（11），能得到di值對應(yīng)的閱讀器的發(fā)射功率Pi值

在每組標(biāo)簽的識別過程中，閱讀器采用哈希映射碰撞檢測機(jī)制，標(biāo)簽收到查詢命令后將自身唯一識別碼（UUID）對幀長L求余并存儲在時(shí)隙標(biāo)志位中，即此標(biāo)簽在幀時(shí)隙中對應(yīng)的時(shí)隙號

式中：NUM為時(shí)隙標(biāo)志位值，將NUM返回給閱讀器.閱讀器接收并統(tǒng)計(jì)來自標(biāo)簽發(fā)來的NUM值，以11個(gè)標(biāo)簽（標(biāo)簽UUID為1～1 000內(nèi)的值），幀長L以8為例，如表2所示.表2中Y表示此時(shí)隙有標(biāo)簽占用，N表示此時(shí)隙沒有標(biāo)簽占用.

表2　幀時(shí)隙響應(yīng)情況Tab.2 Response of time slots

閱讀器統(tǒng)計(jì)接收到NUM值，得到數(shù)據(jù)如表3所示.

表3　幀時(shí)隙的占用情況Tab.3 Use of time slots

閱讀器端建立了一個(gè)碰撞檢測序列[14]，將只有單標(biāo)簽占用的時(shí)隙設(shè)置為1，無標(biāo)簽或者多標(biāo)簽占用的時(shí)隙設(shè)置為0，則有表4所示碰撞檢測序列.

表4　生成的碰撞檢測序列Tab.4 Generated collision detection sequence

閱讀器將生成的碰撞檢測序列發(fā)送給標(biāo)簽，標(biāo)簽通過查詢自己的時(shí)隙標(biāo)志位值對應(yīng)的碰撞檢測序列值是否為1，如果標(biāo)簽的NUM值為1，則閱讀器將對該標(biāo)簽進(jìn)行無碰撞識別，否則，不對該標(biāo)簽進(jìn)行識別.

具體識別過程為：

（1）閱讀器發(fā)射全功率對標(biāo)簽進(jìn)行掃描，利用切比雪夫不等式[15]統(tǒng)計(jì)出識別范圍內(nèi)的待識別標(biāo)簽數(shù)，依據(jù)表1的規(guī)則確定閱讀器的功率級Pi（置初始值i = 0）.

（2）閱讀器使用功率級Pi激活di內(nèi)的Ti標(biāo)簽群，并發(fā)送初始幀長L.

（3）Ti標(biāo)簽群將自身UUID與接收到的幀長L進(jìn)行哈希處理得到自身的時(shí)隙標(biāo)志位NUM值，并返回NUM值給閱讀器.

（4）閱讀器接收標(biāo)簽的NUM值信息，統(tǒng)計(jì)整個(gè)幀長的時(shí)隙占用情況，然后將生成碰撞檢測序列返回給標(biāo)簽.

（5）標(biāo)簽接收到碰撞檢測序列后與自身時(shí)隙標(biāo)志位進(jìn)行對比，如果時(shí)隙標(biāo)志位對應(yīng)的碰撞檢測序列中的位值為1，則參與此次無碰撞識別過程；若為0，則不參與此次識別過程.

（6）每輪識別過程結(jié)束，識別完成的標(biāo)簽被設(shè)為靜默態(tài)，閱讀器利用切比雪夫不等式估計(jì)未識別標(biāo)簽數(shù).若未識別標(biāo)簽數(shù)不為0，調(diào)整幀長L重復(fù)步驟（3）—步驟（6）；若未識別標(biāo)簽數(shù)為0，進(jìn)入（7）.

（7）調(diào)整閱讀器發(fā)射功率級Pi進(jìn)行下一組標(biāo)簽的識別，重復(fù)步驟（2）—步驟（6），直到整個(gè)識別區(qū)域的標(biāo)簽數(shù)全部被識別.

2　仿真結(jié)果

本節(jié)將本文提出的算法與BFSA、DFSA、EDFSA進(jìn)行詳細(xì)的比較.通過對比不同標(biāo)簽個(gè)數(shù)時(shí)閱讀器成功識別所有標(biāo)簽所需的總時(shí)隙數(shù)，消耗時(shí)間和消耗的能量來比較算法的性能.為了保證仿真的效果，假設(shè)為理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境：在半徑為10 m的圓形內(nèi)均勻地分布著1 000個(gè)標(biāo)簽，并且每個(gè)標(biāo)簽都能被正確讀取.為了保證實(shí)驗(yàn)精度，取100次仿真結(jié)果的平均值.

比較BFSA、DFSA、EDFSA和本文提出的算法所需的時(shí)隙數(shù)如圖2所示.從圖2可以看出，BFSA算法所需的時(shí)隙數(shù)成指數(shù)增長.當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為450以內(nèi)時(shí)，DFSA和EDFSA需要的時(shí)隙數(shù)差不多，但隨著標(biāo)簽的增加，EDFSA的優(yōu)勢越來越明顯.從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的算法與已有的幾種ALOHA算法相比具有明顯的優(yōu)勢.當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為1 000時(shí)，本文提出的算法比BFSA、DFSA和EDFSA所用的時(shí)隙數(shù)分別減少了76.79%、75.93%和55.17%.由于本文提出的算法采用了功率可控機(jī)制，減少了同時(shí)參與通信的標(biāo)簽；同時(shí)哈希編碼和碰撞檢測機(jī)制，有效地減少了無效時(shí)隙的參與，仿真結(jié)果與理論預(yù)期相符.

圖2　所需時(shí)隙數(shù)的比較Fig.2 Comparison of required number of time slots

識別標(biāo)簽所消耗的時(shí)間[2，6]是衡量防碰撞算法性能的另一個(gè)重要指標(biāo). EDFSA算法因?yàn)椴捎昧朔纸M機(jī)制，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)大于500時(shí)，在節(jié)省時(shí)間上會表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢.縱觀整個(gè)識別過程，本文提出的算法雖然在碰撞檢測階段增加了一次訪問標(biāo)簽的時(shí)間，但其極大地減少了標(biāo)簽通信失敗和無效時(shí)隙參與造成的時(shí)間損耗，消耗時(shí)間情況如圖3所示.由圖3可以看出，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為1 000時(shí)，本文提出的算法比BFSA、DFSA 和EDFSA所消耗的時(shí)間分別減少了78.57%、76.92% 和62.5%，證實(shí)本文提出的算法在識別效率上表現(xiàn)出良好的性能.

圖3　消耗時(shí)間的比較Fig.3 Comparison of time consumption

基于本文提出的功率可控機(jī)制，識別標(biāo)簽消耗的能量也成為考察算法性能的重要指標(biāo).已存在的防碰撞算法均采用最大功率完成識別過程，當(dāng)大部分標(biāo)簽距離閱讀器較近時(shí)會造成能量的浪費(fèi).功率可控機(jī)制使閱讀器每次都用盡可能小的功率來識別標(biāo)簽，而不是一直使用最大功率完成識別過程，消耗能量情況如圖4所示.從圖4中明顯看出，本文提出的算法可以節(jié)約大量的能量，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為1 000時(shí)，本文提出算法所需的耗能僅為BFSA、DFSA和EDFSA算法的13.33%、15.38%和22.2%，非常符合國家提出的節(jié)能減排規(guī)劃.

圖4　消耗能量的比較Fig.4 Comparison of energy consumption

3　結(jié)論

（1）利用哈希映射時(shí)隙機(jī)制替代了原來的標(biāo)簽隨機(jī)選擇時(shí)隙方法，降低了標(biāo)簽碰撞的概率.

（2）引入碰撞檢測機(jī)制，這樣不但避免碰撞的標(biāo)簽參與識別過程，而且避免了空閑時(shí)隙和碰撞時(shí)隙造成的額外開銷.

（3）采用功率可控機(jī)制，一方面將同時(shí)參與識別的標(biāo)簽數(shù)減少了，另一方面減少了識別所消耗的能量.

（4）將本文提出的算法與BFSA、DFSA和EDFSA進(jìn)行詳細(xì)比較，結(jié)果表明：本文提出的防碰撞算法在識別過程中消耗的總時(shí)隙數(shù)、消耗的時(shí)間和耗能方面均有良好的表現(xiàn)，提高了RFID系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

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Efficient anti-collision algorithm based on power-control

LI Jian-xiong，XING Bing-lei，YAN Bi-xing，LIU Peng-xue，JIA Hong-yu
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：The technology of multi-tag anti-collision is the key in radio frequency identification（RFID）system，in view of the existing problem that ALOHA anti-collision algorithms consume a lot of time solts and energy，an efficient anti-collision algorithm based on power-control is proposed. First，the UUID of tags will be done hash coding and the tags will be mapped to the corresponding slots in this algorithm to improve the utilization rate of slots. Then，collision detection mechanism allows only non-collision tags to communicate with the reader，thereby greatly reduces the ineffective communication process. Finally，the power-control mechanism to identify the tags by region significantly reduces the tag collision and saves the energy consumption of communication. It is found from the analysis of simulation results that the performance of the algorithm has been improved significantly compared with the existing anti-collision algorithms. It can satisfy the RFID system requirement of anti-collision algorithm，which improves the stability of system.

Key words：radio frequency identification（RFID）；anti-collision；ALOHA；Hash code；collision detection；power-control

通信作者：李建雄（1969—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯漕l識別技術(shù)、微波技術(shù)與天線、電磁場的數(shù)值計(jì)算. E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372011）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（15JCYBJC16300）

收稿日期：2015-07-17

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.014

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）02－0072－05