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引言 射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是上世紀(jì)80年代逐漸走向成熟的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它通過(guò)射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的快速、動(dòng)態(tài)、非接觸性識(shí)別，廣泛應(yīng)用于物流、制造、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域。 RFID主要由閱讀器(Reader)和標(biāo)簽(Tag)兩部分組成。在閱讀器和標(biāo)簽的通信過(guò)程中，如有兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽處于Reader的可讀范圍內(nèi)，由于它們共用同一無(wú)線(xiàn)信道且頻率相同，因此當(dāng)它們同時(shí)給閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將出現(xiàn)信道爭(zhēng)用，造成發(fā)送的數(shù)據(jù)干擾或沖突，從而導(dǎo)致閱讀器不能正確讀出數(shù)據(jù)。解決上述問(wèn)題的方法稱(chēng)為反碰撞算法。反碰撞技術(shù)是RFID的關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)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(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的可讀區(qū)域時(shí)，立即以定長(zhǎng)信息包形式，將欲發(fā)送出去的數(shù)據(jù)送入信道。如果沒(méi)有沖突出現(xiàn)，則認(rèn)為是成功發(fā)射；若在發(fā)送過(guò)稗中其它標(biāo)簽也進(jìn)入可讀區(qū)域并發(fā)生碰撞，則隨機(jī)獨(dú)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(dāng)前信包發(fā)送時(shí)刻附近另一標(biāo)簽進(jìn)入信道發(fā)生碰撞的一段時(shí)間。若標(biāo)簽信包長(zhǎng)度為T(mén)(時(shí)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(biāo)，用Sp表示。它是信包進(jìn)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(shí)隙Aloha算法 S-Aloha(Slotted Aloha)只是把P-Aloha算法的時(shí)間軸離散化成若干時(shí)隙。要求信包長(zhǎng)度小于或等于時(shí)隙長(zhǎng)，且標(biāo)簽只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻開(kāi)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(jìn)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(dāng)閱讀器范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)目多時(shí)，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(shí)隙Aloha 在S-Aloha基礎(chǔ)上，把它的每個(gè)時(shí)隙進(jìn)一步分割成若干時(shí)隙并打包成幀，就是FSA(Framed Slot Aloha)。由于標(biāo)簽在幀內(nèi)只隨機(jī)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(shí)隙的長(zhǎng)度是固定的，而實(shí)際應(yīng)用中標(biāo)簽的數(shù)量未知，且是動(dòng)態(tài)變化。因此當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)大于時(shí)隙個(gè)數(shù)時(shí)，讀取標(biāo)簽的時(shí)間將會(huì)大大增加，而在標(biāo)簽個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于時(shí)隙個(gè)數(shù)時(shí)，會(huì)造成時(shí)隙的浪費(fèi)。 4 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙Aioha(DFSA)算法 由于FSA算法的局限性，我們提出根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)目，改變幀內(nèi)時(shí)隙的大小，使得識(shí)別效率總是處于最優(yōu)。設(shè)：幀時(shí)隙的長(zhǎng)度為m，標(biāo)簽數(shù)為n，標(biāo)簽在幀內(nèi)時(shí)隙的分布為二項(xiàng)式分布；則一個(gè)時(shí)隙內(nèi)有k個(gè)標(biāo)簽的概率為：
由于幀內(nèi)時(shí)隙地位一樣、幾率均等，故p=l/m；因此一個(gè)時(shí)隙內(nèi)有一個(gè)標(biāo)簽的概率為：
在一個(gè)讀周期內(nèi)，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有一個(gè)標(biāo)簽的總時(shí)隙數(shù)(有效時(shí)隙數(shù))為：
定義系統(tǒng)的吞吐率(即有效時(shí)隙數(shù)占總時(shí)隙數(shù)的比率)：
(6)式說(shuō)明效率E取決于時(shí)隙數(shù)m和標(biāo)簽數(shù)n。令dE/dn=0，可以得到吞吐率最佳時(shí)，m．n須滿(mǎn)足的條件：
當(dāng)m，n滿(mǎn)足(7)時(shí)系統(tǒng)吞吐率最大，因此我們可以根據(jù)標(biāo)簽數(shù)量n動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙數(shù)m。下面的關(guān)鍵問(wèn)題就是怎樣提前估計(jì)動(dòng)態(tài)標(biāo)簽數(shù)量n。 我們知道時(shí)隙只有三種狀態(tài)：空閑狀態(tài)(無(wú)標(biāo)簽進(jìn)入該時(shí)隙)、發(fā)送狀態(tài)(只有一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入該時(shí)隙)和碰撞狀態(tài)(多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入該時(shí)隙)。下面分別用Psuc，Pjuc，Pcoll表示。
為了估計(jì)標(biāo)簽數(shù)量，我們引入碰撞率Cr：碰撞的時(shí)隙數(shù)目與幀長(zhǎng)度的比值。
經(jīng)過(guò)一個(gè)讀周期后，可以知道當(dāng)前幀長(zhǎng)度和碰撞率Cr，把m和Cr代A(11)就可以得到標(biāo)簽數(shù)量n。 5 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙Aloha算法仿真及結(jié) 按照ISO／IEC 18000-6幀的結(jié)構(gòu)，假定幀的長(zhǎng)度為32bit,分別對(duì)幀長(zhǎng)為128、256的FSA及DFSA的識(shí)別時(shí)間用matlab進(jìn)行仿真。并讓標(biāo)簽數(shù)量從0到800變化。
從圖7我們可以看到當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較少時(shí)，該算法沒(méi)有明顯的優(yōu)越性。但隨著標(biāo)簽數(shù)目的增多其識(shí)別時(shí)間與標(biāo)簽數(shù)量近似線(xiàn)形變化。因此該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，尤其是大量標(biāo)簽的場(chǎng)合，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，在大規(guī)模的商業(yè)配送中有一定的實(shí)用價(jià)值。 6 結(jié)束語(yǔ) 本文針對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵性問(wèn)題一防捧撞問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)ALOHA算法，有一定的創(chuàng)新性，并通過(guò)仿真，達(dá)到了較為滿(mǎn)意的效果。由于缺乏大量的實(shí)際檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，算法的實(shí)際效果還有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步的檢驗(yàn)。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)防碰撞算法的研究，提出一種改進(jìn)的Aolha算法，通過(guò)提前估計(jì)標(biāo)簽數(shù)量，調(diào)整幀長(zhǎng)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(biāo)簽的場(chǎng)合。 作者：萬(wàn)紅 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》2009年第25卷 |
