物聯(lián)網(wǎng)RFID多標(biāo)簽識別防碰撞算法研究與實(shí)現(xiàn)

王超梁 趙成 周鵬

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)RFID多標(biāo)簽識別防碰撞算法對系統(tǒng)的識別效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。為了解決多標(biāo)簽識別的碰撞問題，對 ALOHA及其改進(jìn)算法進(jìn)行了仿真分析，給出了不同時(shí)隙長度時(shí)標(biāo)簽數(shù)目與系統(tǒng)吞吐量的關(guān)系，提出了一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整幀長的防碰撞算法。仿真結(jié)果表明，隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加，自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整時(shí)隙長度的防碰撞算法吞吐率明顯優(yōu)于固定時(shí)隙算法和傳統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙算法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；ALOHA；多標(biāo)簽識別；防碰撞

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）依靠非接觸式空間電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽和讀寫器之間的信息交互，完成標(biāo)簽信息的傳遞，被廣泛應(yīng)用于智慧物流、智能交通等領(lǐng)域。 RFID多目標(biāo)識別系統(tǒng)中的碰撞問題分為讀寫器碰撞和標(biāo)簽碰撞兩種，多標(biāo)簽識別防碰撞算法的研究，解決了多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與一個(gè)讀寫器進(jìn)行通信的碰撞問題。在高頻電子標(biāo)簽識別領(lǐng)域，標(biāo)簽的防碰撞一般采用基于TDMA的ALOHA算法及其改進(jìn)算法，ALOHA算法性能會隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加急劇惡化，導(dǎo)致信道利用率偏低；而基于確定性的二進(jìn)制樹搜索算法要遍歷所有標(biāo)簽識別的可能性，故搜索效率較低。本文在分析ALOHA及其改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)動態(tài)時(shí)隙的改進(jìn)算法。

1 基于ALOHA算法的標(biāo)簽防碰撞算法

1.1 ALOHA算法

ALOHA算法是一種非常簡單的TDMA算法，最早用于解決網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的擁堵問題，通常用于簡單的RFID系統(tǒng)中。采用標(biāo)簽先發(fā)言的方式，自動向讀寫器發(fā)送自身的ID信息，完成身份認(rèn)證后，只要有符合條件的數(shù)據(jù)包需要傳輸，讀寫器和標(biāo)簽就開始通信，直至完成數(shù)據(jù)包交互。因此，這種處理機(jī)制本身與應(yīng)答器控制、隨機(jī)的TDMA算法有關(guān)，兩個(gè)標(biāo)簽可以在不同的時(shí)間發(fā)送請求，從而避免數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，如圖1所示。但該算法在數(shù)據(jù)幀發(fā)送的過程中發(fā)生碰撞的概率很大，而且標(biāo)簽沒有載波監(jiān)聽糾錯(cuò)能力。ALOHA算法平均交換的數(shù)據(jù)包量在G=0.4時(shí)達(dá)到最大，仿真結(jié)果如圖2所示。

平均交換的數(shù)據(jù)包含量G可以表示為：

如果RFID系統(tǒng)吞吐率用平均吞吐率S表示，其值等于1時(shí)表示無數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，其值等于0時(shí)表示沒有數(shù)據(jù)包傳輸成功，平均吞吐率S為：

可以得到，純ALOHA算法的最佳信道利用率為18.4%，提高信道利用率和數(shù)據(jù)吞吐量可采用，標(biāo)簽只在規(guī)定的同步時(shí)隙內(nèi)才傳輸數(shù)據(jù)包。

1.2 時(shí)隙ALOHA算法

時(shí)隙ALOHA算法在ALOHA算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，把標(biāo)簽信息傳輸?shù)臅r(shí)間劃分為若干個(gè)離散的時(shí)隙，數(shù)據(jù)包只能在時(shí)隙的起始端傳輸，以有效地將單純ALOHA算法的碰撞周期縮減為原來的一半，同時(shí)將信道利用率也提高一倍。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別范圍并開始通信時(shí)，標(biāo)簽只在規(guī)定的時(shí)間間隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)讀寫器不工作或者標(biāo)簽的時(shí)隙結(jié)束時(shí)，標(biāo)簽發(fā)送請求命令無效，讀寫器響應(yīng)標(biāo)簽請求。相比ALOHA算法，時(shí)隙ALOHA算法在很大程度上避開了請求高峰期，碰撞概率為ALOHA算法的一半。由式（3）、（4）可得當(dāng)G=1時(shí)，吞吐率Q的最大值可以達(dá)到36.8%，相比ALOHA算法提高了一倍。

1.3 幀時(shí)隙ALOHA算法

幀時(shí)隙ALOHA算法是指在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)，標(biāo)簽可以選擇該時(shí)隙內(nèi)的任一數(shù)據(jù)信道發(fā)送數(shù)據(jù)，如果選擇的信道只有一個(gè)標(biāo)簽或占用信道的時(shí)間小于時(shí)隙長度，讀寫器可成功接收數(shù)據(jù)。反之，讀寫器接收數(shù)據(jù)失敗，而未完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)簽將進(jìn)入下一循環(huán)重新選擇時(shí)隙（通道）。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，容易實(shí)施，但效率不高，而且也解決不了響應(yīng)通道未開啟的問題。由于該算法存在讀寫器無響應(yīng)階段的可能，會造成標(biāo)簽在一定時(shí)間段內(nèi)無法識別，所以基于時(shí)隙隨機(jī)分配的ALOHA算法只適用于低成本的RFID系統(tǒng)。本文對比了幀時(shí)隙L分別取16、32、64、128、256時(shí)的標(biāo)簽數(shù)目與吞吐率的關(guān)系，固定幀時(shí)隙算法標(biāo)簽數(shù)目與吞吐率的關(guān)系如圖3所示。由此可見，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目和時(shí)隙數(shù)相等時(shí)，系統(tǒng)效率最高。

2 自適應(yīng)動態(tài)時(shí)隙ALOHA算法

動態(tài)時(shí)隙ALOHA算法解決了固定時(shí)隙算法時(shí)隙長度不變引起的標(biāo)簽等待問題，采用動態(tài)改變時(shí)隙個(gè)數(shù)的方式來提高系統(tǒng)的吞吐率。在多標(biāo)簽識別的過程中，標(biāo)簽數(shù)量的增加需要更多的時(shí)隙個(gè)數(shù)來完成數(shù)據(jù)傳送。隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加，系統(tǒng)的識別效率急劇下降。本文提出了一種自適應(yīng)動態(tài)時(shí)隙的防碰撞算法，根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)量自適應(yīng)調(diào)整時(shí)隙長度，使得在標(biāo)簽數(shù)量較多的情況下仍然可以得到較好的吞吐率。首先，讀寫器初定一個(gè)固定的幀長發(fā)送命令，標(biāo)簽根據(jù)自身的條件對是否符合要求作出回應(yīng)；然后，讀寫器對發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)簽進(jìn)行身份驗(yàn)證分析后，大致估算已識別和未識別的標(biāo)簽數(shù)；最后，依據(jù)未識別的標(biāo)簽數(shù)量，調(diào)整相應(yīng)的幀長和通道數(shù)后，開始識別標(biāo)簽。當(dāng)未識別標(biāo)簽數(shù)量太多時(shí)，數(shù)據(jù)通道不夠分配，通常使用分組算法將未識別標(biāo)簽分成多個(gè)組，然后根據(jù)分組情況自適應(yīng)調(diào)整時(shí)隙長度來完成各組標(biāo)簽的識別。本文采用改進(jìn)演化算法進(jìn)行時(shí)隙長度自適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)識別標(biāo)簽和未識別標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，調(diào)整時(shí)隙長度，選取系統(tǒng)吞吐率作為優(yōu)化函數(shù)，采用如下公式調(diào)整時(shí)隙長度：

其中：fmax為多標(biāo)簽識別系統(tǒng)最大吞吐率，favg為平均吞吐率，f '為每次選擇的兩個(gè)標(biāo)簽中具有較大吞吐率的選擇方式， f為不同標(biāo)簽的適應(yīng)度值，pc1為調(diào)整時(shí)隙長度演化計(jì)算的最大交叉概率，pm1為演化計(jì)算最大變異概率。

自適應(yīng)動態(tài)時(shí)隙ALOHA算法和動態(tài)時(shí)隙ALOAH算法的性能比較如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)標(biāo)簽數(shù)量在0～400之間時(shí)，本文改進(jìn)算法與動態(tài)幀時(shí)隙算法的吞吐率相當(dāng)；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量超過400時(shí)，改進(jìn)算法的吞吐率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙算法。

本文改進(jìn)算法與固定時(shí)隙算法的性能比較如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目在0～200之間時(shí)，改進(jìn)算法的吞吐率優(yōu)于固定時(shí)隙算法；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目在200～300之間時(shí)，固定時(shí)隙算法的吞吐率優(yōu)于本文改進(jìn)算法；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目在300～400之間時(shí)，兩者的吞吐率相當(dāng)；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目在400～1 000之間時(shí)，本文改進(jìn)算法的吞吐率優(yōu)于固定時(shí)隙算法。

3 結(jié) 語

本文在對ALOHA算法及其改進(jìn)算法仿真分析的基礎(chǔ)上，給出了固定幀時(shí)隙算法時(shí)隙長度與吞吐量的關(guān)系，提出了一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整幀長的防碰撞算法。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)吞吐率最優(yōu)時(shí)，所取的時(shí)隙數(shù)和標(biāo)簽數(shù)量基本相等；隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加，自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整時(shí)隙長度的防碰撞算法吞吐率明顯優(yōu)于固定時(shí)隙算法和傳統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙算法。

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