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

引 言

射頻識(shí)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(xiě)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(shí)別系統(tǒng)中的碰撞問(wèn)題分為讀寫(xiě)器碰撞和標(biāo)簽碰撞兩種，多標(biāo)簽識(shí)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(xiě)器進(jìn)行通信的碰撞問(wèn)題。在高頻電子標(biāo)簽識(shí)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(huì)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(shù)搜索算法要遍歷所有標(biāo)簽識(shí)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(dòng)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(jiǎn)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(wèn)題，通常用于簡(jiǎn)單的 RFID 系 統(tǒng)中。采用標(biāo)簽先發(fā)言的方式，自動(dòng)向讀寫(xiě)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(xiě)器和標(biāo)簽就開(kāi)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(qǐng)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(guò)程中發(fā)生碰撞的概 率很大，而且標(biāo)簽沒(méi)有載波監(jiān)聽(tīng)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。

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。

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(wú)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，其值等于 0 時(shí)表示沒(méi)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(lái)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(xiě)器的識(shí)別范圍并開(kāi)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(xiě)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(qǐng)求命令無(wú)效，讀寫(xiě)器響應(yīng)標(biāo)簽請(qǐng)求。相比 ALOHA 算法，時(shí)隙 ALOHA 算法在很大程度上避開(kāi)了請(qǐng)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(zhǎng)度，讀寫(xiě)器可成功接收數(shù)據(jù)。反之，讀寫(xiě)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(kāi)啟的問(wèn)題。由于該算法存在讀寫(xiě)器無(wú)響應(yīng)階段的可能， 會(huì)造成標(biāo)簽在一定時(shí)間段內(nèi)無(wú)法識(shí)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(duì)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(jiàn)，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。

圖 3 固定幀時(shí)隙算法標(biāo)簽數(shù)目和吞吐率關(guān)系

2 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙 ALOHA算法

動(dòng)態(tài)時(shí)隙 ALOHA 算法解決了固定時(shí)隙算法時(shí)隙長(zhǎng)度不變引起的標(biāo)簽等待問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)改變時(shí)隙個(gè)數(shù)的方式來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐率。在多標(biāo)簽識(shí)別的過(guò)程中，標(biāo)簽數(shù)量的增加需要更多的時(shí)隙個(gè)數(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)傳送。隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加， 系統(tǒng)的識(shí)別效率急劇下降。本文提出了一種自適應(yīng)動(dòng)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(zhǎng)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(xiě)器初定一個(gè)固定的幀長(zhǎng)發(fā)送命令，標(biāo)簽根據(jù)自身的條件對(duì)是 否符合要求作出回應(yīng) ；然后，讀寫(xiě)器對(duì)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(shí)別和未識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)；最后，依 據(jù)未識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)量，調(diào)整相應(yīng)的幀長(zhǎng)和通道數(shù)后，開(kāi)始識(shí) 別標(biāo)簽。當(dāng)未識(shí)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(shí)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(zhǎng)度來(lái)完成各組標(biāo)簽的識(shí)別。本文采用改 進(jìn)演化算法進(jìn)行時(shí)隙長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)識(shí)別標(biāo)簽和未識(shí) 別標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)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(zhǎng)度 ：

其中：fmax為多標(biāo)簽識(shí)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)時(shí)隙 ALOHA 算法和動(dòng)態(tài)時(shí)隙 ALOAH 算法的性能比較如圖 4 所示。可以看出，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量在 0 ～400 之間時(shí)，本文改進(jìn)算法與動(dòng)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(guò) 400 時(shí)，改進(jìn)算法的吞吐率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法。

圖 4 本文改進(jìn)算法和動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法吞吐率比較

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。

圖 5 固定時(shí)隙算法和本文改進(jìn)算法吞吐率比較

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)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(zhǎng)度與吞吐量的關(guān)系，提出了一種 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整幀長(zhǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)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(dòng)態(tài)時(shí)隙算法。