1 引言 

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，近幾年發(fā)展非常迅速。射頻識(shí)別技術(shù)的工作方式是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并交換數(shù)據(jù)。同其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)有許多特點(diǎn)，如：無(wú)需光學(xué)可視、非接觸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、并能同時(shí)識(shí)別大量數(shù)據(jù)等，因此它可廣泛應(yīng)用到門禁控制、物流跟蹤、倉(cāng)儲(chǔ)管理等領(lǐng)域。 

2 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題 

RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器以及天線組成。射頻識(shí)別系統(tǒng)交換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中。電子標(biāo)簽工作的能量供應(yīng)及與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換，都是通過(guò)電磁波的無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)的。 

RFID系統(tǒng)的基本工作流程是：讀寫器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽獲得能量被激活；標(biāo)簽將自身攜帶的數(shù)據(jù)編碼等信息通過(guò)標(biāo)簽內(nèi)置天線發(fā)送出去；讀寫器接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，讀寫器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。 

RFID系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)常有一個(gè)以上電子標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀器的作用范圍內(nèi)。當(dāng)這些電子標(biāo)簽同時(shí)將自身攜帶數(shù)據(jù)傳送給讀寫器時(shí)，讀寫器讀取數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)沖突即數(shù)據(jù)碰撞，這將導(dǎo)致讀寫器的接收器不能讀出數(shù)據(jù)，降低RFID系統(tǒng)工作效率。在RFID無(wú)源標(biāo)簽系統(tǒng)中，目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA(Time Division Multiple Ac—cess)，主要分為2大類：基于Aloha的算法和基于樹(shù)的算法，本文在分析目前基于Aloha的各種算法特點(diǎn)和Aloha算法所采用的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出自己的改進(jìn)算法。 

3 AL0HA算法 

Aloha算法最初用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包擁塞問(wèn)題。Aloha算法是一種非常簡(jiǎn)單的TDMA算法，該算法被廣泛應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中。這種算法多采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式，即標(biāo)簽一進(jìn)入讀寫器的閱讀區(qū)域就自動(dòng)向讀寫器發(fā)送其自身的ID，隨即標(biāo)簽和讀寫器間開(kāi)始通信。 

3．1 時(shí)隙ALOHA算法 
在Aloha算法中，標(biāo)簽通過(guò)循環(huán)序列傳輸數(shù)據(jù)。標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間僅僅為循環(huán)時(shí)間的一個(gè)小片段。在第一次傳輸數(shù)據(jù)完成后，標(biāo)簽將等待一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間后再次傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)標(biāo)簽的等待時(shí)間很小。 

按照這種方式，所有的標(biāo)簽完成全部的數(shù)據(jù)傳輸給讀寫器后，重復(fù)的過(guò)程才會(huì)結(jié)束。分析Aloha算法的運(yùn)行機(jī)制，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器時(shí)，另外一個(gè)標(biāo)簽也開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，這時(shí)標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞不可避免發(fā)生。 

鑒于以上缺點(diǎn)，研究人員提出時(shí)隙Aloha算法¨ 。在該算法中，標(biāo)簽僅能在時(shí)隙的開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。用于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)由讀寫器控制，只有當(dāng)讀寫器分配所有的時(shí)隙后，標(biāo)簽才能利用這些時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)。因此與純Aloha算法不同，時(shí)隙Aloha算法是隨機(jī)的詢問(wèn)驅(qū)動(dòng)的TDMA防沖撞算法。 

因?yàn)闃?biāo)簽僅僅在確定的時(shí)隙中傳輸數(shù)據(jù)，所以該算法的沖撞發(fā)生的頻率僅僅是純Aloha算法的一半而且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐性能卻增加一倍。 

3．2 幀時(shí)隙ALOHA算法的基本原理 
雖然時(shí)隙Aloha算法提高系統(tǒng)的吞吐量，但是當(dāng)大量標(biāo)簽進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，該算法的效率并不高，因此幀時(shí)隙算法被提出。幀時(shí)隙算法是將多個(gè)時(shí)隙打包成為一幀，標(biāo)簽必須選擇一幀中的某個(gè)時(shí)隙向讀寫器傳輸數(shù)據(jù)。這也是幀時(shí)隙Aloha算法與純的時(shí)隙Aloha算法的不同點(diǎn)[2]。 

3．3 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法 
在幀時(shí)隙Aloha算法中，所有的幀具有相同的長(zhǎng)度，即每一幀中的時(shí)隙數(shù)是相同的且是固定的。由于讀寫器并不知道標(biāo)簽數(shù)量，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)大于幀時(shí)隙數(shù)時(shí)，一幀中的所有時(shí)隙都會(huì)發(fā)生碰撞，讀寫器不能讀取標(biāo)簽信息；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于一幀中時(shí)隙數(shù)時(shí)，識(shí)別過(guò)程中將有許多時(shí)隙被浪費(fèi)掉。動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法通過(guò)根據(jù)識(shí)別標(biāo)簽的數(shù)量來(lái)改變幀長(zhǎng)度來(lái)客服動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙的不足。 

4 改進(jìn)的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALONA算法的實(shí)現(xiàn) 

4．1 算法分析 
通常，在幀時(shí)隙Aloha防沖撞算法中，當(dāng)系統(tǒng)標(biāo)簽數(shù)量變得很大時(shí)，系統(tǒng)效率就開(kāi)始降低。當(dāng)讀寫器設(shè)置幀的長(zhǎng)度(包含的時(shí)隙數(shù))為N，響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)為n，則r個(gè)標(biāo)簽在一個(gè)時(shí)隙中發(fā)生碰撞的二項(xiàng)分布的概率是： 

4．2 幀長(zhǎng)度的改變方法 
根據(jù)以上的分析，動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整幀的長(zhǎng)度，使幀的長(zhǎng)度和未識(shí)別的標(biāo)簽的數(shù)量接近，使系統(tǒng)的標(biāo)簽識(shí)別率達(dá)到最大。因此正確的獲取當(dāng)前未識(shí)別標(biāo)簽的數(shù)據(jù)是該算法成功的關(guān)鍵。 

目前流行的幀長(zhǎng)度調(diào)整方法有兩種：一種方法是根據(jù)前一幀通信獲取到的空的時(shí)隙數(shù)、發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)和只有一個(gè)標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)來(lái)估計(jì)標(biāo)簽的數(shù)量，由估計(jì)的標(biāo)簽的數(shù)量來(lái)調(diào)整下一幀的長(zhǎng)度；另一種方法是系統(tǒng)每次啟動(dòng)讀循環(huán)時(shí)設(shè)定的初始幀長(zhǎng)為{2、4、8、16、32、64、128、256}。 

為估計(jì)RFID標(biāo)簽數(shù)量，在第一種方法中引人多址接人通信系統(tǒng)中著名的三重反饋模型。s表示只有一個(gè)標(biāo)簽傳輸其攜帶數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)，即數(shù)據(jù)傳輸成功的時(shí)隙數(shù)。E表示沒(méi)有標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)的空的時(shí)隙數(shù)。c表示同時(shí)有多個(gè)標(biāo)簽在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)，即發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞的時(shí)隙數(shù)。以上所有的情況都不考慮數(shù)據(jù)捕獲的效率和噪聲的影響。 

在實(shí)際的RFID系統(tǒng)中，被正確識(shí)別的標(biāo)簽將不再響應(yīng)讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。同樣，再下面的算法中，成功傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)簽也不在響應(yīng)讀寫器的請(qǐng)求。 

文獻(xiàn)4中，Schout提出了再一幀中選擇時(shí)隙i傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)簽數(shù)滿足柏松分布_4]，因此一幀中不能被識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)為：I1 =2．93C。此處的c表示發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)。 

根據(jù)4．1節(jié)的推導(dǎo)，通過(guò)一次讀寫器的幀周期，容易得到當(dāng)前幀中s、E、c沒(méi)有被讀取的標(biāo)簽數(shù)I1 =I1一S 

4．3 改進(jìn)的動(dòng)態(tài)幀識(shí)別流程 
根據(jù)以上分析，在估計(jì)標(biāo)簽數(shù)量的過(guò)程中根據(jù)情況使用上述兩種方案綜合。 
(1)根據(jù)具體的應(yīng)用模式設(shè)定初始化的幀大小F，初始化讀寫器的時(shí)隙數(shù)slotCount=F； 
(2)讀寫器發(fā)送以F為參數(shù)的清點(diǎn)指令，等待標(biāo)簽回復(fù)，根據(jù)收到的回復(fù)統(tǒng)計(jì)c、E和S；在任何情況下，讀寫器的時(shí)隙數(shù)減一：slotCount一一； 
(3)判斷slotCount是否為零：slotCount為零，進(jìn)一步判斷c是否為零，c為零，結(jié)束清點(diǎn)，c不為零，調(diào)用幀長(zhǎng)度調(diào)整子程序重新設(shè)定F，返回步驟(1)；slotCount不為零，發(fā)送指令，進(jìn)入下一時(shí)隙，返回步驟(3)。 
幀長(zhǎng)度子程序： 
如果是第一次調(diào)整幀長(zhǎng)度，令F=I1一S；否則比較上次的系統(tǒng)與前次的系統(tǒng)效率，如果上次的系統(tǒng)效率比前次的大，調(diào)整幀長(zhǎng)度令F=I1一S，反之，調(diào)整幀長(zhǎng)度F=2．93C。 

5 結(jié)束語(yǔ) 

標(biāo)簽沖突是影響RFID應(yīng)用系統(tǒng)效率的關(guān)鍵問(wèn)題之一，動(dòng)態(tài)ALOHA是根據(jù)沖突問(wèn)題本身的數(shù)學(xué)特性采取的一種RFID的反沖突方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整幀的大小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)讀取效率的改善是有效的解決該問(wèn)題的方法之一。本文綜合幾種標(biāo)簽估計(jì)方法，改進(jìn)多標(biāo)簽識(shí)別流程圖，在標(biāo)簽數(shù)目較多的時(shí)候效率將大幅提高。 

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