基于射頻識別系統(tǒng)中動態(tài)ALOHA算法的改進設計

引言

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是上世紀80年代逐漸走向成熟的自動識別技術。它通過射頻信號進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，以達到自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID可實現(xiàn)多目標的快速、動態(tài)、非接觸性識別，廣泛應用于物流、制造、醫(yī)療、交通等領域。

RFID主要由閱讀器（Reader）和標簽（Tag）兩部分組成。在閱讀器和標簽的通信過程中，如有兩個或多個標簽處于Reader的可讀范圍內(nèi)，由于它們共用同一無線信道且頻率相同，因此當它們同時給閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時將出現(xiàn)信道爭用，造成發(fā)送的數(shù)據(jù)干擾或沖突，從而導致閱讀器不能正確讀出數(shù)據(jù)。解決上述問題的方法稱為反碰撞算法。反碰撞技術是RFID的關鍵技術之一。反碰撞算法讓RFID中Reader與Tag之間的數(shù)據(jù)快速、可靠地傳輸。反碰撞算法設計的優(yōu)劣很大程度上決定了RFlD系統(tǒng)性能。

1 純Aloha算法

在P-ALOHA（Pure Aloha）中，任一標簽進入閱讀器的可讀區(qū)域時，立即以定長信息包形式，將欲發(fā)送出去的數(shù)據(jù)送入信道。如果沒有沖突出現(xiàn)，則認為是成功發(fā)射；若在發(fā)送過稗中其它標簽也進入可讀區(qū)域并發(fā)生碰撞，則隨機獨立地重新排定碰撞信息包，再一次重發(fā)，直至發(fā)射成功。如圖1所示：

我們定義易碰撞期Tc為當前信包發(fā)送時刻附近另一標簽進入信道發(fā)生碰撞的一段時間。若標簽信包長度為T（時間表示），如圖2所示，在P—Aloha中Tc=2T。信道吞吐量是Aloha算法重要的性能指標，用Sp表示。它是信包進入信道的速率G的

函數(shù)，我們從圖2可以看到P—A10ha的最大信道利用率為18．4％，其性能不理想。

2 時隙Aloha算法

S-Aloha（Slotted Aloha）只是把P-Aloha算法的時間軸離散化成若干時隙。要求信包長度小于或等于時隙長，且標簽只能在時隙開始時刻開始發(fā)送信包。該算法的Tc=T，是P-Aloha的一半，故發(fā)生碰撞的概率減少一半。

信道吞吐量ss可以表示成信包進入信道的速率G的函數(shù)。從圖4看出S-AIoha的最大信道利用率為36．8％，是P-ALOHA的兩倍。但當閱讀器范圍內(nèi)標簽數(shù)目多時，要交換的信包量增加而吞吐率卻快速下降甚至為零。

3 幀時隙Aloha

在S-Aloha基礎上，把它的每個時隙進一步分割成若干時隙并打包成幀，就是FSA（Framed Slot Aloha）。由于標簽在幀內(nèi)只隨機發(fā)送一次信包，因此就更一步降低了信包碰撞的概率。

FSA算法中幀時隙的長度是固定的，而實際應用中標簽的數(shù)量未知，且是動態(tài)變化。因此當標簽數(shù)量遠大于時隙個數(shù)時，讀取標簽的時間將會大大增加，而在標簽個數(shù)遠小于時隙個數(shù)時，會造成時隙的浪費。

4 動態(tài)幀時隙Aioha（DFSA）算法

由于FSA算法的局限性，我們提出根據(jù)標簽的數(shù)目，改變幀內(nèi)時隙的大小，使得識別效率總是處于最優(yōu)。設：幀時隙的長度為m，標簽數(shù)為n，標簽在幀內(nèi)時隙的分布為二項式分布；則一個時隙內(nèi)有k個標簽的概率為：

當m，n滿足（7）時系統(tǒng)吞吐率最大，因此我們可以根據(jù)標簽數(shù)量n動態(tài)調(diào)整時隙數(shù)m。下面的關鍵問題就是怎樣提前估計動態(tài)標簽數(shù)量n。

我們知道時隙只有三種狀態(tài)：空閑狀態(tài)（無標簽進入該時隙）、發(fā)送狀態(tài)（只有一個標簽進入該時隙）和碰撞狀態(tài)（多個標簽進入該時隙）。下面分別用Psuc，Pjuc，Pcoll表示。

經(jīng)過一個讀周期后，可以知道當前幀長度和碰撞率Cr，把m和Cr代A（11）就可以得到標簽數(shù)量n。

5 動態(tài)幀時隙Aloha算法仿真及結

按照ISO／IEC 18000-6幀的結構，假定幀的長度為32bit，分別對幀長為128、256的FSA及DFSA的識別時間用matlab進行仿真。并讓標簽數(shù)量從0到800變化。

從圖7我們可以看到當標簽數(shù)量較少時，該算法沒有明顯的優(yōu)越性。但隨著標簽數(shù)目的增多其識別時間與標簽數(shù)量近似線形變化。因此該算法實現(xiàn)簡單，尤其是大量標簽的場合，具有良好的動態(tài)特性，在大規(guī)模的商業(yè)配送中有一定的實用價值。

6 結束語

本文針對射頻識別系統(tǒng)中存在的關鍵性問題一防捧撞問題進行了研究，提出一種改進的動態(tài)ALOHA算法，有一定的創(chuàng)新性，并通過仿真，達到了較為滿意的效果。由于缺乏大量的實際檢驗數(shù)據(jù)，算法的實際效果還有待在實際應用中進一步的檢驗。

本文作者創(chuàng)新點：通過對射頻識別系統(tǒng)防碰撞算法的研究，提出一種改進的Aolha算法，通過提前估計標簽數(shù)量，調(diào)整幀長度使系統(tǒng)效率最佳，改善了Aloha算法不能適用于大規(guī)模標簽的場合。

責任編輯：gt