無線射頻識別技術(shù)（RFID）是一種利用射頻信號進行非接觸自動識別的技術(shù)，廣泛應用于物流、供應鏈管理、商業(yè)零售和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。RFID系統(tǒng)一般由具有電子編碼（ID）的標簽和閱讀器組成，它們利用無線信道實現(xiàn)相互通信來交換信息。當系統(tǒng)中有多個標簽同時向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時，將會產(chǎn)生相互干擾，使閱讀器不能正確接收信息，這就是標簽碰撞。防碰撞算法能夠有效解決標簽的碰撞問題，實現(xiàn)閱讀器高效、快速地讀取標簽信息。
　目前主要存在兩種類型的標簽：有源標簽和無源標簽。前者通過電源提供能量來計算和發(fā)送信息，計算能力強，但使用成本高；后者通過接收閱讀器發(fā)送的電磁波獲得能量，計算能力有限，所以傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的許多防碰撞技術(shù)難以直接應用，但較低的成本更利于其在RFID系統(tǒng)中推廣使用。本文研究的是無源標簽在RFID系統(tǒng)中的防碰撞問題，并基于ALOHA提出了一種改進算法，它能夠迅速處理當前識別循環(huán)中發(fā)生的碰撞，從而有效降低此后在循環(huán)中發(fā)生標簽碰撞的概率。仿真結(jié)果表明該方法效率較高，尤其在標簽數(shù)量較大時相比動態(tài)幀時隙算法（DFSA）消耗時隙更少。
1 幾種主要的防碰撞算法
　目前，RFID系統(tǒng)中的標簽防碰撞算法主要分為基于ALOHA的算法和基于樹的算法兩大類。基于ALOHA的算法是隨機算法，該算法中標簽利用隨機時間響應閱讀器的命令。此類算法主要有時隙ALOHA算法、固定幀時隙算法、動態(tài)幀時隙算法等，其中系統(tǒng)效率最高的是動態(tài)幀時隙算法（DFSA）。算法中的“幀”是由閱讀器定義的一段時間長度，其中包含若干時隙，每個時隙長度等于標簽的數(shù)據(jù)幀長度。在ALOHA算法中標簽需要具備產(chǎn)生隨機數(shù)的功能。
　　固定幀時隙算法是一種基本算法，每幀的時隙數(shù)相同。在開始識別時，由閱讀器向作用范圍內(nèi)所有標簽發(fā)送包含時隙數(shù)N的命令。標簽收到命令后，將其時隙計數(shù)器置為1，開始記錄時隙數(shù)，同時產(chǎn)生一個介于1和N的數(shù)作為其隨機選擇的時隙數(shù)值。當時隙計數(shù)器值與標簽隨機選擇的時隙數(shù)值相同時，向閱讀器發(fā)送應答消息。若標簽被閱讀器成功識別，則以后不再響應閱讀器。一個幀結(jié)束后，閱讀器開始識別時隙數(shù)同樣為N的新幀。該算法雖然簡單但識別效率不高，由于幀長固定，當標簽數(shù)遠小于時隙數(shù)時，會產(chǎn)生較多的空閑時隙，浪費系統(tǒng)資源；反之，則會產(chǎn)生過多的碰撞，大大降低系統(tǒng)效率。只有在標簽數(shù)目與時隙數(shù)相差不大時，才會有較好的系統(tǒng)效率。由于該算法的時隙數(shù)不能隨著標簽數(shù)目的變化而改變，因此，無法獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)效率。
　動態(tài)幀時隙算法(DFSA)是一種改進的幀時隙算法，具有較高的效率。其每幀的時隙數(shù)會根據(jù)標簽數(shù)目的不同而變化，主要執(zhí)行過程如下：(1)閱讀器估計在其作用范圍內(nèi)未識別的標簽數(shù)目，從而決定下一幀需要的時隙數(shù)值N；(2)閱讀器發(fā)送包含N個時隙的幀，標簽隨機選擇一個時隙向閱讀器發(fā)送應答消息，在此過程中已被成功識別的標簽將不再響應閱讀器。重復執(zhí)行(1)、(2)的操作直至成功識別所有標簽。該算法的效率在34.6%和36.8%之間[1]。
　二進制樹算法系統(tǒng)效率高，但系統(tǒng)的設計復雜。其算法的基本思想是：將處于碰撞的標簽分為左右兩個子集0和1，先查詢子集0，如果沒有碰撞，則正確識別標簽，若仍然存在碰撞則再次分裂，把子集0分成00和01兩個子集，以此類推直到成功識別子集0中的所有標簽，再按上述步驟查詢子集1。該算法雖然不存在錯誤判決，但是整個識別過程需要逐一檢查標簽ID前綴是否匹配，如果一個標簽集中各個標簽的ID非常相近，則完成整個識別過程需要花費過長的時間。
2 改進的方法
　本文提出一種基于ALOHA協(xié)議的簡單高效防碰撞算法，該算法能夠迅速處理標簽發(fā)生的碰撞。當發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)會立刻開始一個新的識別過程，此時閱讀器需要先估計發(fā)生碰撞的標簽數(shù)目，然后向碰撞標簽發(fā)送重新設置的時隙數(shù)值，而標簽也會產(chǎn)生一個隨機選擇的時隙數(shù)值，當該隨機數(shù)等于其時隙計數(shù)器時，向閱讀器發(fā)送應答消息。如果在這個新的識別過程中再次發(fā)生碰撞，則重復執(zhí)行上述步驟，這樣可以減少如下情況的發(fā)生：當前發(fā)生碰撞的標簽在下一次循環(huán)中可能再次發(fā)生碰撞從而在系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的碰撞。
　實驗中假定有n個不同電子編碼(ID)的無源標簽，閱讀器可以估計標簽數(shù)目但是不知道其確切的值。設初始時隙數(shù)為Ni，當開始識別時，閱讀器向所有標簽發(fā)送包含Ni的消息，標簽收到后將產(chǎn)生一個介于1和Ni之間的隨機數(shù)，當標簽的時隙計數(shù)器值與其隨機產(chǎn)生的時隙數(shù)值相同時，將向閱讀器發(fā)送應答消息。若此過程中沒有發(fā)生碰撞，則閱讀器就能成功識別標簽。上述過程與ALOHA算法類似。但如果標簽發(fā)生碰撞，閱讀器則放棄之前已經(jīng)成功識別的時隙，開始一個新的識別過程(此處假定閱讀器和標簽能夠成功完成規(guī)定的動作)。在此過程中，閱讀器估計發(fā)生碰撞的標簽數(shù)目nc[2]，通過nc來確定新設置的時隙數(shù)Nc，標簽收到包含該數(shù)的消息后產(chǎn)生一個介于1和Nc之間的隨機數(shù)，重復執(zhí)行此過程直到不再發(fā)生碰撞。圖1是本文方法的流程圖，圖中閱讀器初始時發(fā)送包含Ni的消息，當發(fā)生碰撞時，能夠迅速進行處理。剩余的標簽將在第一組碰撞標簽處理完成后再進行識別。

    前面在描述DFSA算法時提到，閱讀器會在第一輪識別完成后發(fā)送一個新設置的時隙數(shù)值給所有發(fā)生碰撞的標簽，這些標簽分別產(chǎn)生隨機選擇的時隙數(shù)。但是可以發(fā)現(xiàn)，第一輪識別中發(fā)生碰撞的標簽同樣可能在之后的識別輪次中再次發(fā)生碰撞，而本文的方法能夠迅速處理標簽的碰撞，降低碰撞標簽以后再次發(fā)生碰撞的概率。閱讀器本身無法知道發(fā)生碰撞標簽數(shù)目，但是可以通過估計得到nc，由nc確定重新設置的時隙數(shù)值Nc并開始新的循環(huán)。為了獲得較優(yōu)的系統(tǒng)吞吐率，本文根據(jù)不同范圍的標簽數(shù)由表1來確定Nc[3]。
　當未被識別的標簽數(shù)目很少時就不需要采用過大的時隙數(shù)值，反之如果標簽數(shù)目很多而時隙數(shù)過小時，則發(fā)生碰撞的概率將會增加。當設置的時隙數(shù)與需要識別的標簽數(shù)目相等時，可以獲得最大系統(tǒng)效率[4]。因此，選擇合適的時隙數(shù)非常重要。在本文的方法中，將根據(jù)表1的數(shù)據(jù)來確定識別過程中不斷改變的時隙數(shù)值。
　為了執(zhí)行本文的方法，需先定義一個特殊的命令“throw_away”，它表示開始執(zhí)行該方法的各個步驟，程序1所示是閱讀器需執(zhí)行程序的偽碼，描述了當閱讀器檢測到標簽碰撞時將會發(fā)生的動作。當c>0時，表示發(fā)生碰撞，閱讀器將發(fā)送throw_away命令給碰撞標簽；ad是針對碰撞標簽的計數(shù)值，當發(fā)生碰撞時，ad的值加1；在此之后閱讀器將通過估計碰撞標簽數(shù)目來確定Nc。
    程序1 檢測到碰撞時閱讀器執(zhí)行的程序
　　/*Reader:*/
　　    /*發(fā)送”throw_away”命令*/
　　    if (c>0)  /* 發(fā)生碰撞*/
    /* 閱讀器發(fā)送throw_away命令給發(fā)生碰撞的標簽 */
　　    tag_respond = tag (throw_away);   
　　　　if ( tag_respond > 0 )  /* 命令發(fā)送成功 */
　　        ad = ad + 1;  /*當發(fā)生碰撞時ad的值增加1 */
　　    tag (ad);  /* 將ad的值發(fā)送給標簽 */
　　    start a new round;
　　    broadcast Nc;
    程序2所示是標簽需執(zhí)行程序的偽碼，描述了碰撞標簽收到閱讀器發(fā)送的throw_away命令后將會發(fā)生的動作。通過設置ct的值來限制碰撞標簽應答閱讀器，當標簽接收到throw_away命令時其值加1；當標簽隨機選擇的時隙數(shù)等于其時隙計數(shù)器值，并且ad與ct相等時，發(fā)送應答消息給閱讀器，同時ct值置0，標簽再次收到throw_away命令之前不再響應閱讀器。
    程序2 接收到throw_away命令時標簽執(zhí)行的程序
　　/*  Tag:  */
　　/* 從閱讀器處獲取初始參數(shù) */
　　ct = 1;
　　transmission;
　　receive the number of slots;
　　generate random numbers;
　　if ( slot = = ti && ct = = ad )
　　　　transmit message;  /* 標簽發(fā)送應答消息 */
　　　　ct = 0;   /* 發(fā)送完成后ct置0 */
　　if (receive “throw_away”)
　　　　ct = ct + 1;
　　    goto transmission;
    如果在最后一個時隙中發(fā)生標簽碰撞，系統(tǒng)將會放棄之前已經(jīng)成功識別的時隙。若此情況經(jīng)常出現(xiàn)，則系統(tǒng)效率會降低很多，這是應用本文方法理論上可能會發(fā)生的最壞情況。圖2的仿真結(jié)果是這種情況發(fā)生的概率，從中可以看出當標簽數(shù)量較大時，這種最壞的情況發(fā)生概率其實很小。因此，當標簽數(shù)目較多時，這種最壞的情況幾乎不會發(fā)生，而應用本文的方法就可以減少識別過程中的時隙消耗。

3 仿真結(jié)果
    大量標簽向閱讀器發(fā)送消息時產(chǎn)生碰撞，假定標簽數(shù)從10增加到300，圖3是應用本文方法進行仿真得到的結(jié)果。從中可以看出本文方法比DFSA算法耗費的時隙少，并且標簽數(shù)目越多差別越明顯。這表明對比DFSA算法，本文方法節(jié)約了時隙資源。

　為獲得較高的系統(tǒng)效率，仿真時設初始時隙數(shù)Ni為16，約為開始時的標簽數(shù)目。可以通過改變初始時隙數(shù)Ni來觀察所產(chǎn)生的影響，圖4表明，當初始時隙數(shù)變?yōu)?4時，即使標簽數(shù)目增加，系統(tǒng)效率也不會有明顯的變化；但標簽數(shù)目較少時，較大的初始時隙數(shù)Ni對應較小的碰撞發(fā)生概率,此時，Ni=128時的系統(tǒng)效率比Ni=16和Ni=64時低。上述結(jié)果表明初始時隙數(shù)Ni設為16，可以應用于標簽數(shù)較多的情況。
　設初始幀長Ni為16，持續(xù)增加標簽數(shù)目，仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，當標簽數(shù)持續(xù)增加時，本文方法耗費的時隙數(shù)明顯小于DFSA算法；而當標簽數(shù)較少時，這種差異并不明顯。綜上，本文提出的方法系統(tǒng)效率優(yōu)于DFSA算法，并且耗費更少的時隙。

　本文提出了一種基于ALOHA協(xié)議的簡單高效RFID系統(tǒng)防碰撞算法。閱讀器先給標簽發(fā)送一個包含初始時隙數(shù)的消息，標簽收到后隨機選擇一個時隙同時將自己的時隙計數(shù)器置為1。當標簽隨機選擇的時隙數(shù)等于時隙計數(shù)器時，回復其電子編碼(ID)給閱讀器，如果發(fā)生碰撞，閱讀器將放棄已經(jīng)成功識別的時隙而開始新的識別循環(huán)，這樣使碰撞標簽能得到迅速處理。該方法中閱讀器能夠在新的識別循環(huán)中首先鑒別出碰撞標簽，然后再識別其余的標簽。當標簽數(shù)增加到1 000時，本文方法比DFSA算法少耗費約54%的時隙，并且系統(tǒng)效率可以穩(wěn)定在35%左右，相比DFSA算法此時約20%[5]的效率也有較大提高。
參考文獻
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