王勇，李婷

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023）

改進(jìn)的基于ALOHA的RFID防碰撞算法

王勇，李婷

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023）

為了解決RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽識(shí)別效率不高的問題，對(duì)基于ALOHA的隨機(jī)性防碰撞算法進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了一種新的ALOHA防碰撞算法。在該算法中，針對(duì)標(biāo)簽估計(jì)，采用動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式自動(dòng)改變標(biāo)簽估計(jì)式中的系數(shù)，使得標(biāo)簽估計(jì)個(gè)數(shù)隨著已識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)動(dòng)態(tài)變化，從而估計(jì)下一幀待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)；而對(duì)于幀長(zhǎng)調(diào)整，根據(jù)估計(jì)的標(biāo)簽數(shù)，通過幀長(zhǎng)與標(biāo)簽數(shù)分組的關(guān)系確定。通過MATLAB進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該算法能明顯提高系統(tǒng)的吞吐率和穩(wěn)定性。

RFID；ALOHA算法；吞吐率；分組；標(biāo)簽估計(jì)

1 引言

無線射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）是一種利用射頻信號(hào)和空間耦合的傳輸特性進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體非接觸式自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)管理[2]、室內(nèi)定位[3]、圖書館管理[4]等諸多領(lǐng)域。然而當(dāng)有2個(gè)或2個(gè)以上的標(biāo)簽在相同信道同時(shí)與閱讀器進(jìn)行通信時(shí)，由于不同的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生混疊和干擾，使讀寫器不能對(duì)任意一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，從而產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別和數(shù)據(jù)傳送失敗[5,6]。因此為了實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的有效、可靠識(shí)別，如何解決防碰撞問題成為RFID技術(shù)研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

目前，解決碰撞問題的算法主要有基于ALOHA的隨機(jī)性防碰撞算法[7,8]和基于二進(jìn)制樹的確定性防碰撞算法[9-11]，并在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種算法進(jìn)行改進(jìn)。其中，隨機(jī)性防碰撞算法改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于幀長(zhǎng)的調(diào)整，使其動(dòng)態(tài)地與待讀標(biāo)簽數(shù)相吻合，尤其適用于標(biāo)簽密集、數(shù)量較多的情況，確定性防碰撞算法的改進(jìn)在于減少信息冗余和尋求合理的尋址策略。隨機(jī)性防碰撞算法簡(jiǎn)單、成本低，但系統(tǒng)吞吐率易受標(biāo)簽數(shù)、幀長(zhǎng)等的影響；確定性防碰撞算法雖然能保證每個(gè)標(biāo)簽?zāi)芗皶r(shí)被識(shí)別，但具有整個(gè)識(shí)別周期過長(zhǎng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、標(biāo)簽成本較高等缺點(diǎn)[12,13]。

同時(shí)近幾年來，針對(duì)ALOHA防碰撞算法效率不高的特點(diǎn)，雖然人們提出了各種針對(duì)標(biāo)簽估計(jì)和幀長(zhǎng)調(diào)整的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法來改進(jìn)算法效率，但是由于大多都是通過采用上一幀的識(shí)別情況來估計(jì)標(biāo)簽數(shù)和使幀長(zhǎng)等于標(biāo)簽數(shù)來改進(jìn)算法，所以系統(tǒng)的識(shí)別效率一般不超過36.8%。

針對(duì)這一特點(diǎn)，本文主要研究針對(duì)物流貨物管理、健康管理、畜牧業(yè)流通等RFID主要應(yīng)用領(lǐng)域的防碰撞算法，并在分析了各類ALOHA防碰撞算法后，提出了一種新的ALOHA防碰撞算法。在算法中，采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整方式，根據(jù)每次估計(jì)的標(biāo)簽數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整估計(jì)因子，使下一次待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)與實(shí)際標(biāo)簽數(shù)更接近。同時(shí)，為了使系統(tǒng)效率高于理論上當(dāng)幀長(zhǎng)與待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)相等時(shí)的效率，本文幀長(zhǎng)由幀長(zhǎng)與標(biāo)簽數(shù)的分組關(guān)系確定。仿真表明，改進(jìn)的算法能使系統(tǒng)的效率有所改善。

2 ALOHA類算法

ALOHA算法是一種最基本、最簡(jiǎn)單的標(biāo)簽防碰撞算法，它是基于TDMA的一種防碰撞算法，是基于概率的算法。該算法是指閱讀器在不同的時(shí)間分別與處于閱讀器讀取范圍內(nèi)的標(biāo)簽通信，從而減少?zèng)_突發(fā)生的概率，主要包括改進(jìn)型的 ALOHA[14]和時(shí)隙 ALOHA（slotted-ALOHA）算法[15,16]。

2.1 純ALOHA算法

純ALOHA（P-ALOHA）算法是一種標(biāo)簽先發(fā)言的算法，標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器作用范圍獲得能量，將自己的編碼信息發(fā)給閱讀器，在此過程中，如果有其他標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送信息，就發(fā)生信號(hào)重疊，導(dǎo)致信息完全碰撞或部分碰撞，系統(tǒng)最大吞吐率約為18.4%。

2.2 時(shí)隙ALOHA算法

時(shí)隙ALOHA算法是對(duì)純ALOHA 算法一種最簡(jiǎn)單的改進(jìn)算法，能夠節(jié)約時(shí)間。它是在純ALOHA算法的基礎(chǔ)上，把閱讀器發(fā)送信號(hào)的時(shí)間劃分成多個(gè)連續(xù)的離散時(shí)隙（slot），而由系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行控制。與基本ALOHA算法相比，時(shí)隙ALOHA算法中任何一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只存在一個(gè)標(biāo)簽成功識(shí)別或無標(biāo)簽響應(yīng)或多個(gè)標(biāo)簽完全碰撞，沒有基本ALOHA算法中的部分碰撞，所以返回?cái)?shù)據(jù)發(fā)送碰撞的時(shí)間減少了一半，這樣提高了信道利用率，系統(tǒng)吞吐率提高1倍，系統(tǒng)最大吞吐率約為36.8%，如圖1所示。

圖1 不同輸入負(fù)載的系統(tǒng)吞吐率

2.3 幀時(shí)隙ALOHA算法

幀時(shí)隙ALOHA算法是在時(shí)隙ALOHA算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，閱讀器將一幀分成N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度大于標(biāo)簽的響應(yīng)時(shí)間。標(biāo)簽接到閱讀器的請(qǐng)求信號(hào)后，在N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙通信。如果一個(gè)時(shí)隙只被唯一的標(biāo)簽選中，則此時(shí)隙中標(biāo)簽傳輸?shù)男畔⒈婚喿x器成功接收，標(biāo)簽被正確識(shí)別。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的標(biāo)簽選擇了同一時(shí)隙發(fā)送，則會(huì)產(chǎn)生沖突，這些同時(shí)發(fā)送信息的標(biāo)簽就不能被讀寫器成功識(shí)別。整個(gè)算法的識(shí)別過程都會(huì)如此循環(huán)，一直到所有標(biāo)簽都被識(shí)別完成。

假設(shè)幀長(zhǎng)為N，閱讀器可識(shí)別范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)為n，并假定所有標(biāo)簽均勻分布在各個(gè)時(shí)隙，即標(biāo)簽選擇每個(gè)時(shí)隙的概率都是1/N，那么在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)具有r個(gè)標(biāo)簽的概率將服從二項(xiàng)分布。

具有r個(gè)標(biāo)簽的時(shí)隙期望值為：

該時(shí)隙為空時(shí)隙、成功時(shí)隙、碰撞時(shí)隙的概率分別為：

該時(shí)隙為空時(shí)隙、成功時(shí)隙、碰撞時(shí)隙的期望值分別為：

系統(tǒng)吞吐率為：

對(duì)式（9）求導(dǎo)，即可得出最佳幀長(zhǎng)為：

當(dāng)n足夠大時(shí)，由泰勒展開式，可得：

所以，當(dāng)閱讀器幀長(zhǎng)N和未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量n相等時(shí)，標(biāo)簽成功傳輸概率最大，系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)效率在標(biāo)簽數(shù)量趨于無窮大時(shí)約為36.8%。

圖2為幀時(shí)隙ALOHA算法在不同幀長(zhǎng)條件下，標(biāo)簽數(shù)量和系統(tǒng)吞吐率的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯?dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于閱讀器的幀時(shí)隙數(shù)時(shí)，會(huì)造成時(shí)隙的浪費(fèi)，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)和閱讀器的幀時(shí)隙數(shù)相等時(shí)，系統(tǒng)的吞吐率最大。

圖2 不同幀長(zhǎng)的系統(tǒng)吞吐率曲線

2.4 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法

動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA （dynamic framed slotted ALOHA,DFSA）算法針對(duì)幀時(shí)隙ALOHA算法的標(biāo)簽數(shù)目與幀長(zhǎng)度相差越多，系統(tǒng)性能越差的這個(gè)缺點(diǎn)，提出了一種彌補(bǔ)和改善的方法[17]。具體的做法就是使用動(dòng)態(tài)的幀時(shí)隙數(shù)，使得每幀內(nèi)的時(shí)隙數(shù)接近系統(tǒng)中標(biāo)簽的數(shù)目，是一種改進(jìn)的FSA算法，在該算法中，閱讀器能動(dòng)態(tài)調(diào)整下一次閱讀循環(huán)中每幀的時(shí)隙數(shù)目。

3 改進(jìn)幀時(shí)隙ALOHA算法

通過對(duì)上面ALOHA算法的分析可知，影響系統(tǒng)吞吐率的因素主要有標(biāo)簽個(gè)數(shù)的估計(jì)和幀長(zhǎng)的調(diào)整。其中，在當(dāng)前研究中較多使用的標(biāo)簽估計(jì)算法有最小二乘算法、Schoute算法以及Vogt算法。在這些算法中，每識(shí)別完一幀時(shí)隙后，雖然能根據(jù)上一幀的識(shí)別情況估算出下一幀待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)，并使幀長(zhǎng)等于標(biāo)簽數(shù)，從而計(jì)算出系統(tǒng)的吞吐率，但是它們僅僅使用了本次查詢的碰撞標(biāo)簽來進(jìn)行估計(jì)，且系數(shù)幾乎都是常數(shù)，并沒有進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，使幀長(zhǎng)等于標(biāo)簽估計(jì)數(shù)，雖然能使系統(tǒng)吞吐率達(dá)到最大值，但是碰撞率也隨之變大，并不能使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定吞吐率下，因此提出了一種新的防碰撞算法。

3.1 標(biāo)簽估計(jì)

本標(biāo)簽估計(jì)算法是對(duì)參考文獻(xiàn)[18]中算法的改進(jìn)，核心是根據(jù)本次查詢的標(biāo)簽數(shù)情況，估計(jì)出下一幀的標(biāo)簽數(shù)，然后根據(jù)已有的標(biāo)簽估計(jì)算法，至下一次查詢時(shí)，估計(jì)出該次查詢的標(biāo)簽數(shù)，然后對(duì)其進(jìn)行比較，得出預(yù)測(cè)因子，從而使系統(tǒng)能根據(jù)兩次連續(xù)的讀取狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整，而當(dāng)前一幀的碰撞時(shí)隙數(shù)為零，未識(shí)別標(biāo)簽又不為零時(shí)，不停止查詢，而是繼續(xù)以初始設(shè)置幀長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢，從而形成一個(gè)周期，直到所有的標(biāo)簽被識(shí)別完。

設(shè)第i次查詢后，空閑時(shí)隙數(shù)、成功時(shí)隙數(shù)、碰撞時(shí)隙數(shù)分別為 C0(i)、C1(i)、Ck(i)，待識(shí)別的下一幀時(shí)隙數(shù)與碰撞時(shí)隙數(shù)呈線性關(guān)系，即：

那么就可以根據(jù)第次查詢的碰撞時(shí)隙數(shù)預(yù)測(cè)下一幀的標(biāo)簽數(shù)，這里k不是固定不變的，而是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

第i+1次查詢后，可以采用JaeRyongCha提出的第一種標(biāo)簽估計(jì)算法進(jìn)行標(biāo)簽估計(jì)，為：

則可以求出預(yù)測(cè)標(biāo)簽與驗(yàn)證標(biāo)簽的相對(duì)誤差為：

為了使相對(duì)誤差的平方最小，使ε2對(duì)k求導(dǎo)，可得：

值得注意的是，第i+1的標(biāo)簽估計(jì)仍需第i+1的標(biāo)簽估計(jì)完成后才能得到，這是不現(xiàn)實(shí)的，因此調(diào)整為：

從而得到下一幀待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)為：

其中，Ck(0)等于初始設(shè)置的幀長(zhǎng)；當(dāng)Ck(i)為零而系統(tǒng)標(biāo)簽未識(shí)別完時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)以初始設(shè)置幀長(zhǎng)識(shí)別標(biāo)簽，直到所有標(biāo)簽被識(shí)別完。

3.2 幀長(zhǎng)調(diào)整

由式（4）、式（5）可知，雖然當(dāng)標(biāo)簽數(shù)與幀長(zhǎng)相等時(shí)，系統(tǒng)能達(dá)到最大的吞吐率，但是系統(tǒng)的碰撞率也隨即增大，且如果標(biāo)簽數(shù)量和系統(tǒng)能達(dá)到的幀長(zhǎng)最大值相差很多，碰撞問題將難以解決。本算法是根據(jù)分組的思想來提高系統(tǒng)的吞吐率。算法首先確定出以2的次冪連續(xù)為幀長(zhǎng)時(shí)，如4、8、16、32，系統(tǒng)吞吐率曲線交點(diǎn)處的標(biāo)簽數(shù)，那么該標(biāo)簽數(shù)即可作為調(diào)整幀長(zhǎng)和標(biāo)簽分組數(shù)的臨界點(diǎn)。一旦標(biāo)簽數(shù)達(dá)到該臨界點(diǎn)，就可以調(diào)整相應(yīng)幀長(zhǎng)的大小。而通過計(jì)算，可得兩相鄰曲線的標(biāo)簽交點(diǎn)數(shù)為：

然后再根據(jù)系統(tǒng)最大效率與標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行分組，將各種標(biāo)簽數(shù)量下的幀長(zhǎng)調(diào)整情況補(bǔ)充完整，見表1。

表1 標(biāo)簽數(shù)分組與幀長(zhǎng)選擇

3.3 算法流程

改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置初始幀長(zhǎng)、初始標(biāo)簽數(shù)。然后閱讀器發(fā)送查詢命令，讀取標(biāo)簽，記錄標(biāo)簽響應(yīng)情況：若空閑，則空閑時(shí)隙加1；若識(shí)別，則成功時(shí)隙加1；若碰撞，則碰撞時(shí)隙加1。記錄完后，根據(jù)碰撞情況，采用標(biāo)簽估計(jì)算法，估計(jì)出下一幀待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)，并根據(jù)幀長(zhǎng)與標(biāo)簽數(shù)分組關(guān)系確定下一幀的幀長(zhǎng)：若未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)不為零且上一幀碰撞標(biāo)簽數(shù)不為零，則進(jìn)入下一幀識(shí)別；若未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)不為零且上一幀碰撞標(biāo)簽數(shù)為零，則進(jìn)入下一周期，重新開始識(shí)別。

圖3 改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)流程

4 算法仿真與分析

圖4 改進(jìn)算法與固定幀算法的系統(tǒng)吞吐率對(duì)比

本文采用MATLAB軟件對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行仿真，并與固定幀時(shí)隙ALOHA算法進(jìn)行系統(tǒng)吞吐率對(duì)比，改進(jìn)算法中標(biāo)簽數(shù)目設(shè)置為100，初始幀長(zhǎng)設(shè)置為16，固定幀時(shí)隙ALOHA算法固定幀長(zhǎng)設(shè)置為32，標(biāo)簽數(shù)為100。仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，本改進(jìn)算法的系統(tǒng)吞吐率明顯優(yōu)于固定幀時(shí)隙ALOHA算法，最大系統(tǒng)吞吐率可以達(dá)到42.19%，且隨著標(biāo)簽數(shù)的增多，系統(tǒng)的吞吐率能以一定的穩(wěn)定狀態(tài)維持在35%左右，高于固定幀時(shí)隙ALOHA算法。

5 結(jié)束語

針對(duì)幀時(shí)隙ALOHA算法系統(tǒng)吞吐率在標(biāo)簽數(shù)達(dá)到一定程度后急劇下降的情況，本文對(duì)幀時(shí)隙ALOHA算法進(jìn)行了改進(jìn)，首先通過驗(yàn)證機(jī)制對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行了估計(jì)，然后由標(biāo)簽數(shù)與幀長(zhǎng)分組關(guān)系調(diào)整了幀長(zhǎng)。改進(jìn)后，由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有相對(duì)穩(wěn)定的吞吐率且以一定的周期循環(huán)，同時(shí)系統(tǒng)吞吐率明顯高于幀時(shí)隙ALOHA算法，并且算法簡(jiǎn)單，成本低。

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Improved RFID anti-collision algorithm based on ALOHA

WANG Yong,LI Ting
Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China

In order to solve the problem of low efficiency of electronic tag identification in RFID system,a new ALOHA anti-collision algorithm was presented.In this algorithm,the coefficients of the tag estimation were automatically changed by using the dynamic adjustment method,which made the number of tag estimation could be dynamic changed with the number of identified tags,then the number of tags to be identified was estimated.And for the frame length adjustment,it could be determined by the relationship between the length of the frame and the tag number according to the estimated number of tags.With the tool of MATLAB,the results show that the proposed algorithm can significantly improve the throughput and stability of the system.

RFID,ALOHA algorithm,throughput,grouping,tag estimation

TP391

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016174

2016-03-30；

2016-06-15

王勇（1961-），男，博士，南京郵電大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器（VXI），測(cè)量與控制技術(shù)，各類通信網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控與管理。

李婷（1991-），女，南京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)試技術(shù)與智能儀器。