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自適應動態(tài)時隙ALOHA防碰撞算法的研究

來源：電子技術(shù)應用2011年第7期

宋依青1, 高正中2,3, 盛惠興2,3

1. 常州工學院計算機信息工程學院，江蘇常州 213002; 2. 河海大學計算機與信息學院，江蘇常州 213022; 3. 江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇常州 213022

摘要： 時隙ALOHA算法是射頻識別系統(tǒng)中通過分時復用方式的一種防碰撞算法，應答器在分配到的時隙中與閱讀器進行數(shù)據(jù)交互。提出一種改進的自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法，能夠使得時隙到優(yōu)化分配，進一步提高應答器的識別效率。

關(guān)鍵詞： 射頻識別時隙ALOHA算法時隙

中圖分類號： TP391
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)07-151-02

Research of adaptive dynamic slot ALOHA anti-collision algorithm

Song Yiqing1, Gao Zhengzhong2,3, Sheng Huixing 2,3

1. School of Information and Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China; 2. Computer and Information College, Hohai University, Changzhou 213022, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology, Changzhou 213022, China

Abstract： Slotted ALOHA algorithm is a radio frequency identification system via time division multiplexing as a way of anti-collision algorithm, transponder in the time slot assigned to carry out data exchange with the reader. This paper presents an improved adaptive frame slotted ALOHA anti-collision algorithms to optimize the allocation of slots made to improve the algorithm can further improve the efficiency of transponder identification.

Key words : RFID; slot ALOHA algorithm; slot

    無線射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性自動識別目標物體的技術(shù)。RFID系統(tǒng)由電子應答器和閱讀器組成，閱讀器負責發(fā)送廣播并接收標簽的標識信息；應答器收到廣播命令后將自身標識信息發(fā)送給閱讀器[1]。但在RFID系統(tǒng)工作時，可能會有一個以上的應答器同時處在閱讀器的作用范圍內(nèi)。如果有兩個或兩個以上的應答器同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會出現(xiàn)通信沖突，產(chǎn)生傳輸數(shù)據(jù)相互干擾、發(fā)生碰撞。在RFID系統(tǒng)中，一般采用時分多址TDMA(Time Division Multiple Access)的方法來解決碰撞問題，這是一種把整個可供使用的通路容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)[2]。目前現(xiàn)有的防碰撞算法可以分為基于ALOHA機制算法和基于二進制退避機制算法。本文提出一種改進的自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法，以進一步提高系統(tǒng)的識別效率。
1 關(guān)鍵問題解析
    通常在幀時隙ALOHA防碰撞算法中，當應答器的數(shù)量變得很大時，系統(tǒng)效率開始降低。由數(shù)學分析可知,在一個時隙中發(fā)生碰撞的概率滿足二項式分布[3,4]：


    根據(jù)推導結(jié)果得到一個重要的結(jié)論:當應答器的數(shù)量和幀長度大體相當時，系統(tǒng)效率將達到最大化。
2 算法流程
    時隙是指應答器與閱讀器進行數(shù)據(jù)交互的一小段時間，如果在一個時隙中只有唯一的一個應答器與閱讀器進行通信，則稱為唯一時隙；如果在一個時隙中沒有應答器與閱讀器進行通信，則稱為空時隙；如果在一個時隙中有兩個或兩個以上應答器與閱讀器進行通信，則稱為碰撞時隙。閱讀器完成一輪完整的識別過程稱為一個圈周期，圈周期等于唯一時隙、空時隙和碰撞時隙時間之和[8]。圖1為改進的自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法流程圖。

在電子應答器進入閱讀器射頻作用范圍內(nèi)之后，閱讀器先通過預設定的幀長度進行時隙分配。當判斷當前時隙為空時隙時，即該時隙沒有應答器應答則空時隙計數(shù)器C碰加1，立即結(jié)束該時隙；當判斷當前時隙為碰撞時隙時，即該時隙內(nèi)有多個應答器要傳輸數(shù)據(jù)則碰撞時隙計數(shù)器C空加1，立即結(jié)束該時隙；當判斷當前時隙為唯一時隙時，即該時隙內(nèi)只有一個應答器要傳輸數(shù)據(jù)，閱讀器讀取應答器內(nèi)數(shù)據(jù)并存儲該應答器ID號，發(fā)送一個已讀信號給應答器，當下一圈周期詢問到該應答器時，該應答器不再響應也不再要求發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，已讀信號將在應答器離開射頻作用場后消失。當圈周期結(jié)束后，通過空時隙和碰撞時隙計數(shù)值估計射頻作用場內(nèi)的應答器數(shù)量并調(diào)整幀長度。
3 算法仿真及結(jié)果分析
在改進的自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法仿真算法中，采用了128固定時隙、256固定時隙以及圈周期估計法與本文算法進行了橫向?qū)Ρ龋Y(jié)果如圖2所示。由圖可以看到，128固定時隙法在應答器數(shù)量達到300時曲線折線明顯，碰撞概率開始增加，系統(tǒng)效率下降顯著；256固定時隙法效果同樣不好。很明顯由于圈周期估計法和本文算法都采用的是動態(tài)時隙調(diào)整所以效果明顯好于固定時隙方法。但是圈周期估計法，在圈周期期間無論發(fā)生怎樣的碰撞都必須執(zhí)行完周期操作，系統(tǒng)資源浪費嚴重。本文算法使系統(tǒng)吞吐率達到了約42.5%，大大提高了系統(tǒng)吞吐率。

防碰撞算法的兩個關(guān)鍵問題是：(1)精確地計算出與閱讀器作用范圍內(nèi)的電子標簽的數(shù)量； (2)根據(jù)電子標簽的數(shù)量合理調(diào)整幀長度。本文提出的自適應動態(tài)時隙ALOHA防碰撞算法能夠很好地兼顧以上兩點，利用實時調(diào)整幀長度，使得射頻作用場內(nèi)的應答器數(shù)與時隙數(shù)能達到最佳匹配，來提高時隙分配效率和系統(tǒng)效率。
參考文獻
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[2] 單承贛，單玉峰，姚磊等編著. 射頻識別(RFID)原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.
[3] 皮揚，劉長江.動態(tài)分配時隙ALOHA的抗碰撞算法[J].計算機工程，2009(4):270-272.
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