無線射頻識別技術(shù)（RFID）是一種利用射頻信號進行非接觸自動識別的技術(shù),，廣泛應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈管理,、商業(yè)零售和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域,。RFID系統(tǒng)一般由具有電子編碼（ID）的標簽和閱讀器組成，它們利用無線信道實現(xiàn)相互通信來交換信息,。當(dāng)系統(tǒng)中有多個標簽同時向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時,，將會產(chǎn)生相互干擾，使閱讀器不能正確接收信息,，這就是標簽碰撞,。防碰撞算法能夠有效解決標簽的碰撞問題，實現(xiàn)閱讀器高效,、快速地讀取標簽信息,。
　目前主要存在兩種類型的標簽：有源標簽和無源標簽。前者通過電源提供能量來計算和發(fā)送信息,，計算能力強,，但使用成本高；后者通過接收閱讀器發(fā)送的電磁波獲得能量,，計算能力有限,，所以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多防碰撞技術(shù)難以直接應(yīng)用，但較低的成本更利于其在RFID系統(tǒng)中推廣使用,。本文研究的是無源標簽在RFID系統(tǒng)中的防碰撞問題,，并基于ALOHA提出了一種改進算法，它能夠迅速處理當(dāng)前識別循環(huán)中發(fā)生的碰撞,，從而有效降低此后在循環(huán)中發(fā)生標簽碰撞的概率,。仿真結(jié)果表明該方法效率較高，尤其在標簽數(shù)量較大時相比動態(tài)幀時隙算法（DFSA）消耗時隙更少,。
1 幾種主要的防碰撞算法
　目前,，RFID系統(tǒng)中的標簽防碰撞算法主要分為基于ALOHA的算法和基于樹的算法兩大類。基于ALOHA的算法是隨機算法,，該算法中標簽利用隨機時間響應(yīng)閱讀器的命令,。此類算法主要有時隙ALOHA算法、固定幀時隙算法,、動態(tài)幀時隙算法等,，其中系統(tǒng)效率最高的是動態(tài)幀時隙算法（DFSA）。算法中的“幀”是由閱讀器定義的一段時間長度,，其中包含若干時隙,，每個時隙長度等于標簽的數(shù)據(jù)幀長度。在ALOHA算法中標簽需要具備產(chǎn)生隨機數(shù)的功能,。
　　固定幀時隙算法是一種基本算法,，每幀的時隙數(shù)相同。在開始識別時,，由閱讀器向作用范圍內(nèi)所有標簽發(fā)送包含時隙數(shù)N的命令,。標簽收到命令后，將其時隙計數(shù)器置為1,，開始記錄時隙數(shù),，同時產(chǎn)生一個介于1和N的數(shù)作為其隨機選擇的時隙數(shù)值。當(dāng)時隙計數(shù)器值與標簽隨機選擇的時隙數(shù)值相同時,，向閱讀器發(fā)送應(yīng)答消息,。若標簽被閱讀器成功識別，則以后不再響應(yīng)閱讀器,。一個幀結(jié)束后,，閱讀器開始識別時隙數(shù)同樣為N的新幀。該算法雖然簡單但識別效率不高,，由于幀長固定,，當(dāng)標簽數(shù)遠小于時隙數(shù)時，會產(chǎn)生較多的空閑時隙,，浪費系統(tǒng)資源,；反之，則會產(chǎn)生過多的碰撞,，大大降低系統(tǒng)效率,。只有在標簽數(shù)目與時隙數(shù)相差不大時，才會有較好的系統(tǒng)效率,。由于該算法的時隙數(shù)不能隨著標簽數(shù)目的變化而改變,，因此，無法獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)效率,。
　動態(tài)幀時隙算法(DFSA)是一種改進的幀時隙算法,，具有較高的效率,。其每幀的時隙數(shù)會根據(jù)標簽數(shù)目的不同而變化，主要執(zhí)行過程如下：(1)閱讀器估計在其作用范圍內(nèi)未識別的標簽數(shù)目,，從而決定下一幀需要的時隙數(shù)值N；(2)閱讀器發(fā)送包含N個時隙的幀,，標簽隨機選擇一個時隙向閱讀器發(fā)送應(yīng)答消息,，在此過程中已被成功識別的標簽將不再響應(yīng)閱讀器。重復(fù)執(zhí)行(1),、(2)的操作直至成功識別所有標簽,。該算法的效率在34.6%和36.8%之間[1]。
　二進制樹算法系統(tǒng)效率高,，但系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜,。其算法的基本思想是：將處于碰撞的標簽分為左右兩個子集0和1，先查詢子集0,，如果沒有碰撞,，則正確識別標簽，若仍然存在碰撞則再次分裂,，把子集0分成00和01兩個子集,，以此類推直到成功識別子集0中的所有標簽，再按上述步驟查詢子集1,。該算法雖然不存在錯誤判決,，但是整個識別過程需要逐一檢查標簽ID前綴是否匹配，如果一個標簽集中各個標簽的ID非常相近,，則完成整個識別過程需要花費過長的時間,。
2 改進的方法
　本文提出一種基于ALOHA協(xié)議的簡單高效防碰撞算法，該算法能夠迅速處理標簽發(fā)生的碰撞,。當(dāng)發(fā)生碰撞時,，系統(tǒng)會立刻開始一個新的識別過程，此時閱讀器需要先估計發(fā)生碰撞的標簽數(shù)目,，然后向碰撞標簽發(fā)送重新設(shè)置的時隙數(shù)值,，而標簽也會產(chǎn)生一個隨機選擇的時隙數(shù)值，當(dāng)該隨機數(shù)等于其時隙計數(shù)器時,，向閱讀器發(fā)送應(yīng)答消息,。如果在這個新的識別過程中再次發(fā)生碰撞，則重復(fù)執(zhí)行上述步驟,，這樣可以減少如下情況的發(fā)生：當(dāng)前發(fā)生碰撞的標簽在下一次循環(huán)中可能再次發(fā)生碰撞從而在系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的碰撞,。
　實驗中假定有n個不同電子編碼(ID)的無源標簽，閱讀器可以估計標簽數(shù)目但是不知道其確切的值,。設(shè)初始時隙數(shù)為Ni,，當(dāng)開始識別時，閱讀器向所有標簽發(fā)送包含Ni的消息，標簽收到后將產(chǎn)生一個介于1和Ni之間的隨機數(shù),，當(dāng)標簽的時隙計數(shù)器值與其隨機產(chǎn)生的時隙數(shù)值相同時,，將向閱讀器發(fā)送應(yīng)答消息。若此過程中沒有發(fā)生碰撞,，則閱讀器就能成功識別標簽,。上述過程與ALOHA算法類似。但如果標簽發(fā)生碰撞,，閱讀器則放棄之前已經(jīng)成功識別的時隙,，開始一個新的識別過程(此處假定閱讀器和標簽?zāi)軌虺晒ν瓿梢?guī)定的動作)。在此過程中,，閱讀器估計發(fā)生碰撞的標簽數(shù)目nc[2],，通過nc來確定新設(shè)置的時隙數(shù)Nc，標簽收到包含該數(shù)的消息后產(chǎn)生一個介于1和Nc之間的隨機數(shù),，重復(fù)執(zhí)行此過程直到不再發(fā)生碰撞,。圖1是本文方法的流程圖，圖中閱讀器初始時發(fā)送包含Ni的消息,，當(dāng)發(fā)生碰撞時,，能夠迅速進行處理。剩余的標簽將在第一組碰撞標簽處理完成后再進行識別,。

    前面在描述DFSA算法時提到,，閱讀器會在第一輪識別完成后發(fā)送一個新設(shè)置的時隙數(shù)值給所有發(fā)生碰撞的標簽，這些標簽分別產(chǎn)生隨機選擇的時隙數(shù),。但是可以發(fā)現(xiàn),，第一輪識別中發(fā)生碰撞的標簽同樣可能在之后的識別輪次中再次發(fā)生碰撞，而本文的方法能夠迅速處理標簽的碰撞,，降低碰撞標簽以后再次發(fā)生碰撞的概率,。閱讀器本身無法知道發(fā)生碰撞標簽數(shù)目，但是可以通過估計得到nc,，由nc確定重新設(shè)置的時隙數(shù)值Nc并開始新的循環(huán),。為了獲得較優(yōu)的系統(tǒng)吞吐率，本文根據(jù)不同范圍的標簽數(shù)由表1來確定Nc[3],。
　當(dāng)未被識別的標簽數(shù)目很少時就不需要采用過大的時隙數(shù)值,，反之如果標簽數(shù)目很多而時隙數(shù)過小時，則發(fā)生碰撞的概率將會增加,。當(dāng)設(shè)置的時隙數(shù)與需要識別的標簽數(shù)目相等時,，可以獲得最大系統(tǒng)效率[4]。因此,，選擇合適的時隙數(shù)非常重要,。在本文的方法中,，將根據(jù)表1的數(shù)據(jù)來確定識別過程中不斷改變的時隙數(shù)值。
　為了執(zhí)行本文的方法,，需先定義一個特殊的命令“throw_away”,，它表示開始執(zhí)行該方法的各個步驟，程序1所示是閱讀器需執(zhí)行程序的偽碼,，描述了當(dāng)閱讀器檢測到標簽碰撞時將會發(fā)生的動作,。當(dāng)c>0時，表示發(fā)生碰撞,，閱讀器將發(fā)送throw_away命令給碰撞標簽；ad是針對碰撞標簽的計數(shù)值,，當(dāng)發(fā)生碰撞時,，ad的值加1；在此之后閱讀器將通過估計碰撞標簽數(shù)目來確定Nc,。
    程序1 檢測到碰撞時閱讀器執(zhí)行的程序
　　/*Reader:*/
　　    /*發(fā)送”throw_away”命令*/
　　    if (c>0)  /* 發(fā)生碰撞*/
    /* 閱讀器發(fā)送throw_away命令給發(fā)生碰撞的標簽 */
　　    tag_respond = tag (throw_away);   
　　　　if ( tag_respond > 0 )  /* 命令發(fā)送成功 */
　　        ad = ad + 1;  /*當(dāng)發(fā)生碰撞時ad的值增加1 */
　　    tag (ad);  /* 將ad的值發(fā)送給標簽 */
　　    start a new round;
　　    broadcast Nc;
    程序2所示是標簽需執(zhí)行程序的偽碼,，描述了碰撞標簽收到閱讀器發(fā)送的throw_away命令后將會發(fā)生的動作。通過設(shè)置ct的值來限制碰撞標簽應(yīng)答閱讀器,，當(dāng)標簽接收到throw_away命令時其值加1,；當(dāng)標簽隨機選擇的時隙數(shù)等于其時隙計數(shù)器值，并且ad與ct相等時,，發(fā)送應(yīng)答消息給閱讀器,，同時ct值置0，標簽再次收到throw_away命令之前不再響應(yīng)閱讀器,。
    程序2 接收到throw_away命令時標簽執(zhí)行的程序
　　/*  Tag:  */
　　/* 從閱讀器處獲取初始參數(shù) */
　　ct = 1;
　　transmission;
　　receive the number of slots;
　　generate random numbers;
　　if ( slot = = ti && ct = = ad )
　　　　transmit message;  /* 標簽發(fā)送應(yīng)答消息 */
　　　　ct = 0;   /* 發(fā)送完成后ct置0 */
　　if (receive “throw_away”)
　　　　ct = ct + 1;
　　    goto transmission;
    如果在最后一個時隙中發(fā)生標簽碰撞,，系統(tǒng)將會放棄之前已經(jīng)成功識別的時隙。若此情況經(jīng)常出現(xiàn),，則系統(tǒng)效率會降低很多,，這是應(yīng)用本文方法理論上可能會發(fā)生的最壞情況。圖2的仿真結(jié)果是這種情況發(fā)生的概率,，從中可以看出當(dāng)標簽數(shù)量較大時,，這種最壞的情況發(fā)生概率其實很小。因此,，當(dāng)標簽數(shù)目較多時,，這種最壞的情況幾乎不會發(fā)生，而應(yīng)用本文的方法就可以減少識別過程中的時隙消耗,。

3 仿真結(jié)果
    大量標簽向閱讀器發(fā)送消息時產(chǎn)生碰撞,，假定標簽數(shù)從10增加到300，圖3是應(yīng)用本文方法進行仿真得到的結(jié)果,。從中可以看出本文方法比DFSA算法耗費的時隙少,，并且標簽數(shù)目越多差別越明顯,。這表明對比DFSA算法，本文方法節(jié)約了時隙資源,。

　為獲得較高的系統(tǒng)效率,，仿真時設(shè)初始時隙數(shù)Ni為16，約為開始時的標簽數(shù)目,?？梢酝ㄟ^改變初始時隙數(shù)Ni來觀察所產(chǎn)生的影響，圖4表明,，當(dāng)初始時隙數(shù)變?yōu)?4時,，即使標簽數(shù)目增加，系統(tǒng)效率也不會有明顯的變化,；但標簽數(shù)目較少時,，較大的初始時隙數(shù)Ni對應(yīng)較小的碰撞發(fā)生概率,此時，Ni=128時的系統(tǒng)效率比Ni=16和Ni=64時低,。上述結(jié)果表明初始時隙數(shù)Ni設(shè)為16,，可以應(yīng)用于標簽數(shù)較多的情況。
　設(shè)初始幀長Ni為16,，持續(xù)增加標簽數(shù)目,，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)標簽數(shù)持續(xù)增加時，本文方法耗費的時隙數(shù)明顯小于DFSA算法,；而當(dāng)標簽數(shù)較少時,，這種差異并不明顯。綜上,，本文提出的方法系統(tǒng)效率優(yōu)于DFSA算法,，并且耗費更少的時隙。

　本文提出了一種基于ALOHA協(xié)議的簡單高效RFID系統(tǒng)防碰撞算法,。閱讀器先給標簽發(fā)送一個包含初始時隙數(shù)的消息,，標簽收到后隨機選擇一個時隙同時將自己的時隙計數(shù)器置為1。當(dāng)標簽隨機選擇的時隙數(shù)等于時隙計數(shù)器時,，回復(fù)其電子編碼(ID)給閱讀器,，如果發(fā)生碰撞，閱讀器將放棄已經(jīng)成功識別的時隙而開始新的識別循環(huán),，這樣使碰撞標簽?zāi)艿玫窖杆偬幚?。該方法中閱讀器能夠在新的識別循環(huán)中首先鑒別出碰撞標簽，然后再識別其余的標簽,。當(dāng)標簽數(shù)增加到1 000時,，本文方法比DFSA算法少耗費約54%的時隙,，并且系統(tǒng)效率可以穩(wěn)定在35%左右，相比DFSA算法此時約20%[5]的效率也有較大提高,。
參考文獻
[1] 許武忠,，胡斌杰. 一種新穎快速的二進制搜索防碰撞算法[J].中國電子商情(RFID技術(shù)與應(yīng)用)，2008(3):26－28.
[2] VOGT H. Efficient object identification with passive RFID tags[C]. International Conference on Pervasive Computing. LNCS, Springer-Verlag,2002.
[3] 程良倫,，林偉勇. 一種穩(wěn)定高效的動態(tài)幀時隙ALOHA算法[J]. 計算機應(yīng)用研究,2009,26(1):85－91.
[4] VOGT H. Multiple object identification with passive RFID tags[C]. Systems, Man and Cybernetics, 2002 IEEE International Conference, 2002,10(3):6－9.
[5] 張頗,，崔喆. RFID系統(tǒng)中的一種改進的防碰撞算法[J].計算機應(yīng)用, 2008,28(8):2141－2143.