摘  要： 在分析了目前現(xiàn)有的時(shí)隙ALOHA算法和查詢樹QT算法后,，結(jié)合這兩類算法的優(yōu)點(diǎn),，提出了一種混合型算法GFA-QT來解決RFID中的碰撞問題。理論與仿真表明,，這種混合型的算法在系統(tǒng)效率上優(yōu)于現(xiàn)有的算法,。
關(guān)鍵詞： 射頻識別；防碰撞,；GFA-QT,；吞吐量

    射頻識別系統(tǒng)（RFID）是一種利用無線傳輸實(shí)現(xiàn)物體的非接觸式識別的技術(shù)。自20世紀(jì)90年代興起以來,，該技術(shù)憑借數(shù)據(jù)存儲量大,、識別時(shí)間短、保密性好等優(yōu)點(diǎn)在貨物銷售,、物流倉儲,、安保及交通管理等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1],。RFID系統(tǒng)主要由閱讀器Reader和標(biāo)簽Tag組成，閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號,，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電流,，獲得能量從而被激活，并將自身的信息通過內(nèi)置的天線發(fā)送出去,，閱讀器接收到從標(biāo)簽發(fā)來的載波信號后,，對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，并將標(biāo)簽編碼等信息通過接口與上位控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換同時(shí)執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來的命令,，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能[2],。
    作為一種無線通信技術(shù)，RFID同樣不可避免地面臨著多址接入的問題,。在RFID系統(tǒng)中,，閱讀器與其工作域內(nèi)的標(biāo)簽之間通過共享的無線信道進(jìn)行通信，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與閱讀器通信時(shí),，信號就會在共享的信道中產(chǎn)生碰撞,，進(jìn)而導(dǎo)致閱讀器無法識別任何標(biāo)簽信息，這就是標(biāo)簽碰撞問題,。
    目前解決RFID防碰撞問題的算法主要分為基于時(shí)隙ALOHA的隨機(jī)型防碰撞算法和基于二進(jìn)制樹的確定型防碰撞算法,，本文在分析這兩種主流算法之后提出了一種混合型算法GFA-QT，該算法結(jié)合了時(shí)隙ALOHA和二進(jìn)制樹算法的優(yōu)點(diǎn),。
1 RFID標(biāo)簽防碰撞技術(shù)
    多標(biāo)簽防碰撞問題的實(shí)質(zhì)是多址接入問題,，其解決方案主要可分為四類：空分多址(SDMA)、頻分多址（FDMA）,、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）,。基于SDMA,、FDMA,、CDMA的標(biāo)簽防碰撞算法理論上可以解決部分有源的標(biāo)簽防碰撞問題，但是目前大多數(shù)使用的是無源標(biāo)簽,，受其功率的限制,，采用上述方案會使得標(biāo)簽和閱讀器的設(shè)計(jì)復(fù)雜、系統(tǒng)成本高,，所以RFID防碰撞算法中更多采用的是基于TDMA思想的防碰撞算法,。目前基于TDMA思想的防碰撞算法主要分為兩大類：基于時(shí)隙ALOHA的隨機(jī)接入型算法和基于二進(jìn)制樹的確定性算法。
1.1 時(shí)隙ALOHA算法
    時(shí)隙ALOHA算法中閱讀器將一幀劃分為多個(gè)時(shí)隙,，在所有標(biāo)簽和閱讀器取得同步基礎(chǔ)上,，規(guī)定標(biāo)簽僅能在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。其算法的基本流程如下：（1）當(dāng)閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送請求命令時(shí)會同步向所有標(biāo)簽廣播時(shí)隙個(gè)數(shù)L（即幀長）,。（2）標(biāo)簽會在幀長范圍內(nèi)隨機(jī)地選擇一個(gè)時(shí)隙響應(yīng)閱讀器的命令并發(fā)送自身的信息,，若一個(gè)時(shí)隙中只有一個(gè)標(biāo)簽返回信息則稱為成功時(shí)隙,，沒有標(biāo)簽返回信息稱為空時(shí)隙，有2個(gè)或者更多的標(biāo)簽返回信息稱為碰撞時(shí)隙,，記一幀中空時(shí)隙數(shù)為C0,，成功時(shí)隙數(shù)為C1，碰撞時(shí)隙數(shù)為Ck,。發(fā)生碰撞的相關(guān)標(biāo)簽會在下一幀繼續(xù)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù),。（3）算法根據(jù)前一幀的反饋值C0、C1,、Ck采用標(biāo)簽估算方法來估算閱讀器范圍內(nèi)未讀標(biāo)簽數(shù)量,，并根據(jù)此調(diào)整下一幀時(shí)隙數(shù)，得到一個(gè)使系統(tǒng)識別效率最高的時(shí)隙數(shù)L′,。（4）讀寫器向標(biāo)簽廣播新的時(shí)隙數(shù),，直至所有標(biāo)簽被識別完。

    通過仿真得到第4種標(biāo)簽估算模型準(zhǔn)確度最高,，系統(tǒng)的識別效率達(dá)到最大,。
1.2 二進(jìn)制樹算法
    基于樹結(jié)構(gòu)的確定性算法是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽防碰撞算法的另一種解決思路，它是將閱讀器工作區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽不斷地劃分為p個(gè)子集（p>1）,再對某個(gè)子集進(jìn)行同樣的劃分,，這樣所劃分子集內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量越來越少,，直至某子集內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)目為1,，實(shí)現(xiàn)閱讀器成功識別標(biāo)簽,。當(dāng)某個(gè)子集內(nèi)的標(biāo)簽讀取完畢，閱讀器采用回溯的方式處理其他等待讀取的標(biāo)簽,。這樣就可以將標(biāo)簽的分組過程看做是全部標(biāo)簽根據(jù)分組方案從根節(jié)點(diǎn)向葉節(jié)點(diǎn)逐層分流的過程,，只有葉節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽?zāi)鼙怀晒ψx取。
    查詢樹QT[7](Query Tree)是一種典型的樹結(jié)構(gòu)算法,，其算法原理：讀寫器發(fā)送長度為k的prefix,；標(biāo)簽ID中前k bit與prefix匹配的tag反饋第(k+1)bit至最后1 bit。如果閱讀器收到的標(biāo)簽ID碰撞,，再分別將prefix加“1”和“0”,，作為新的prefix發(fā)送出去。如果沒有碰撞,，就表明一個(gè)標(biāo)簽被識別了,。
    圖1給出了QT算法的實(shí)例，設(shè)標(biāo)簽的三個(gè)ID分別為“010”“011”“100”,，閱讀器的查詢序列首先置為“0”,、“1”，閱讀器先發(fā)送序列“0”進(jìn)行查詢,，發(fā)生碰撞,，此時(shí)將序列置為“00”,、“01”，再次分別發(fā)送,，序列“00”沒有響應(yīng),，序列“01”發(fā)生碰撞，將序列置為“010”,、“011”,，成功識別?；厮莸叫蛄?ldquo;1”,，只有標(biāo)簽“100”響應(yīng)，成功識別,。

2 GFA-QT算法
    在上節(jié)介紹的時(shí)隙ALOHA算法中,，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來較為容易，但是由于是隨機(jī)接入的,，所以在一定時(shí)間范圍內(nèi)可能會發(fā)生某個(gè)標(biāo)簽沒有被讀取(即標(biāo)簽“餓死”)的情形,。而二進(jìn)制樹算法中每個(gè)標(biāo)簽會被成功識別，但是識別時(shí)延較長,。本節(jié)將介紹一種混合的防碰撞算法GFA-QT,，它將ALOHA算法和QT算法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，首先利用時(shí)隙ALOHA算法對標(biāo)簽數(shù)量進(jìn)行估計(jì),，然后對標(biāo)簽進(jìn)行分組,，最后利用QT算法分別讀取每一組標(biāo)簽。這種解決標(biāo)簽防碰撞算法稱為GFA-QT(Grouping Framed Aloha with Query Tree)基于分組時(shí)隙ALOHA的查詢樹算法,。
2.1 分組的概念
    在時(shí)隙ALOHA算法中,，每個(gè)標(biāo)簽隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙向閱讀器發(fā)送自身信息，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量等于時(shí)隙數(shù)時(shí),，系統(tǒng)效率達(dá)到最高36.8%,。但是事實(shí)上時(shí)隙數(shù)有限，而標(biāo)簽數(shù)可能遠(yuǎn)大于時(shí)隙數(shù),，所以對標(biāo)簽如何分組就顯得尤為重要,。由于閱讀器在識別過程開始之前并不知曉其閱讀范圍內(nèi)的剩余標(biāo)簽數(shù)量，在1.1節(jié)中對幾種標(biāo)簽估算方法進(jìn)行了比較,，得到第4種數(shù)學(xué)模型計(jì)算的剩余標(biāo)簽數(shù)量最為準(zhǔn)確,。
    在QT算法中，當(dāng)樹的深度為2時(shí)該算法的性能最佳,，因?yàn)殚喿x器發(fā)出查詢序列“0”,、“1”時(shí)恰好分別有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)。設(shè)標(biāo)簽數(shù)量為N,，時(shí)隙數(shù)為L,，則最佳時(shí)隙數(shù)滿足N=2×L,，即每個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅有兩個(gè)標(biāo)簽。但是這樣時(shí)隙數(shù)會過大,，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn),。通過仿真得到當(dāng)時(shí)隙數(shù)為4，且每個(gè)時(shí)隙內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量也為4時(shí),，系統(tǒng)效率達(dá)到最大,。
2.2 算法描述
    GFA-QT算法過程包括兩個(gè)階段：標(biāo)簽分組階段和標(biāo)簽識別[8-9]階段。算法的步驟如下：
    （1）預(yù)處理：首先將所有待識別的標(biāo)簽視為一組,，閱讀器設(shè)置時(shí)隙數(shù)為L=4,，標(biāo)簽成功分組所需循環(huán)次數(shù)為I（I初始值為1），標(biāo)簽分裂系數(shù)M=4,，標(biāo)簽分裂門限值pth=8,，標(biāo)簽分組數(shù)為S；
    （2）閱讀器向所有標(biāo)簽發(fā)送包含幀長的Probe命令,，將時(shí)隙數(shù)L告知標(biāo)簽,；
    （3）標(biāo)簽從1～L中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙對閱讀器做出反應(yīng)，閱讀器檢測出一幀中沒有標(biāo)簽響應(yīng)的時(shí)隙數(shù)C0,，只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)的時(shí)隙數(shù)C1和有兩個(gè)或者兩個(gè)以上標(biāo)簽響應(yīng)的時(shí)隙數(shù)Ck,；
    （4）根據(jù)剩余標(biāo)簽估算模型4計(jì)算得出所有等待識別的標(biāo)簽數(shù)量Nleft，將Nleft與標(biāo)簽分裂門限值pth比較,。若Nleft<pth,，則分組結(jié)束；若Nleft>pth,，則I=I+1,，S=MI-1,，利用分組函數(shù)將所有標(biāo)簽分為S組,；
    （5）由于標(biāo)簽分組的隨機(jī)性，在S組標(biāo)簽中任選一組標(biāo)簽重復(fù)步驟（2）～（4),，直至該組標(biāo)簽數(shù)滿足Nleft<pth,。最終得到標(biāo)簽數(shù)組數(shù)S=MI-1，標(biāo)簽組數(shù)為[group1,，…,，groups]；
    （6）利用QT算法分別讀取[group1,，…,，groups]，返回所有成功識別的標(biāo)簽,。
3 計(jì)算機(jī)仿真及結(jié)果分析
    系統(tǒng)效率是衡量RFID防碰撞算法性能的重要指標(biāo),，本文使用MATLAB對提出的GFA-QT防碰撞算法進(jìn)行仿真,，仿真了在不同的標(biāo)簽數(shù)量、不同的時(shí)隙數(shù)下GFA-QT的系統(tǒng)效率,，并與時(shí)隙ALOHA算法中的DFSA(Dynamic Framed Slotted ALOHA)算法和二進(jìn)制查詢樹QT算法的系統(tǒng)效率進(jìn)行了比較,。
3.1 仿真條件
    電子標(biāo)簽的ID碼為64 bit，隨機(jī)生成,。在仿真時(shí)不考慮標(biāo)簽的運(yùn)動,、傳輸誤碼等因素。所有算法的指令頭,、尾以及鏈路時(shí)序符合ISO/IEC 18000-6C協(xié)議規(guī)范,。在GFA-QT算法中，設(shè)置初始時(shí)隙數(shù)為4,，分組數(shù)為1,。
3.2 仿真結(jié)果
    本節(jié)首先研究了在不同的標(biāo)簽數(shù)量下，GFA-QT,、DFSA,、QT算法系統(tǒng)效率之間的差異。設(shè)標(biāo)簽數(shù)量從100逐步增加到2 000,。仿真結(jié)果如圖2所示,。

    在該仿真中看出當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較小時(shí)，GFA-QT算法的系統(tǒng)效率低于DFSA,、QT算法的系統(tǒng)效率,，這是因?yàn)闃?biāo)簽數(shù)量小，分組優(yōu)勢不明顯,。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)增加時(shí),，GFA-QT算法的系統(tǒng)效率優(yōu)于其他兩種算法并且趨于穩(wěn)定，說明該算法受標(biāo)簽數(shù)量影響不大,。
    在圖3中,，探討了不同時(shí)隙數(shù)對GFA-QT算法系統(tǒng)效率的影響，從仿真結(jié)果來看,，當(dāng)時(shí)隙數(shù)為4時(shí)算法的系統(tǒng)效率高于時(shí)隙數(shù)分別為2,、8、16時(shí)的系統(tǒng)效率,。這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)隙數(shù)為8或者16時(shí),，造成時(shí)隙數(shù)過大，識別時(shí)延增加,，當(dāng)時(shí)隙數(shù)為2時(shí),，容易造成標(biāo)簽分布于各個(gè)時(shí)隙不均勻，使得閱讀器無法達(dá)到最大識別效率。

    本文提出了一種基于時(shí)隙ALOHA算法和二進(jìn)制查詢樹QT算法的混合型算法GFA-QT,，用于RFID系統(tǒng)的防碰撞功能的實(shí)現(xiàn),，該算法的系統(tǒng)效率高于現(xiàn)有的算法。仿真結(jié)果表明,，新的混合型算法將RFID系統(tǒng)識別效率提高至37.2%左右,，高于DFSA算法和QT算法。
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