摘  要： 在分析了目前現(xiàn)有的時隙ALOHA算法和查詢樹QT算法后，結(jié)合這兩類算法的優(yōu)點，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、識別時間短、保密性好等優(yōu)點在貨物銷售、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算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換同時執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來的命令，實現(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)多個標(biāo)簽同時與閱讀器通信時，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)合了時隙ALOHA和二進(jìn)制樹算法的優(yōu)點。
1 RFID標(biāo)簽防碰撞技術(shù)
    多標(biāo)簽防碰撞問題的實質(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）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）?；赟DMA、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 時隙ALOHA算法
    時隙ALOHA算法中閱讀器將一幀劃分為多個時隙，在所有標(biāo)簽和閱讀器取得同步基礎(chǔ)上，規(guī)定標(biāo)簽僅能在每個時隙開始時才能發(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)送請求命令時會同步向所有標(biāo)簽廣播時隙個數(shù)L（即幀長）。（2）標(biāo)簽會在幀長范圍內(nèi)隨機(jī)地選擇一個時隙響應(yīng)閱讀器的命令并發(fā)送自身的信息，若一個時隙中只有一個標(biāo)簽返回信息則稱為成功時隙，沒有標(biāo)簽返回信息稱為空時隙，有2個或者更多的標(biāo)簽返回信息稱為碰撞時隙，記一幀中空時隙數(shù)為C0，成功時隙數(shù)為C1，碰撞時隙數(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)整下一幀時隙數(shù)，得到一個使系統(tǒng)識別效率最高的時隙數(shù)L′。（4）讀寫器向標(biāo)簽廣播新的時隙數(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個子集（p>1）,再對某個子集進(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，實現(xiàn)閱讀器成功識別標(biāo)簽。當(dāng)某個子集內(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)點向葉節(jié)點逐層分流的過程，只有葉節(jié)點的標(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，就表明一個標(biāo)簽被識別了。
    圖1給出了QT算法的實例，設(shè)標(biāo)簽的三個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)介紹的時隙ALOHA算法中，系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為容易，但是由于是隨機(jī)接入的，所以在一定時間范圍內(nèi)可能會發(fā)生某個標(biāo)簽沒有被讀取(即標(biāo)簽“餓死”)的情形。而二進(jìn)制樹算法中每個標(biāo)簽會被成功識別，但是識別時延較長。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)點結(jié)合起來，首先利用時隙ALOHA算法對標(biāo)簽數(shù)量進(jìn)行估計，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)基于分組時隙ALOHA的查詢樹算法。
2.1 分組的概念
    在時隙ALOHA算法中，每個標(biāo)簽隨機(jī)選擇一個時隙向閱讀器發(fā)送自身信息，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量等于時隙數(shù)時，系統(tǒng)效率達(dá)到最高36.8%。但是事實上時隙數(shù)有限，而標(biāo)簽數(shù)可能遠(yuǎn)大于時隙數(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時該算法的性能最佳，因為閱讀器發(fā)出查詢序列“0”、“1”時恰好分別有一個標(biāo)簽響應(yīng)。設(shè)標(biāo)簽數(shù)量為N，時隙數(shù)為L，則最佳時隙數(shù)滿足N=2×L，即每個時隙內(nèi)僅有兩個標(biāo)簽。但是這樣時隙數(shù)會過大，系統(tǒng)無法實現(xiàn)。通過仿真得到當(dāng)時隙數(shù)為4，且每個時隙內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量也為4時，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，將時隙數(shù)L告知標(biāo)簽；
    （3）標(biāo)簽從1～L中隨機(jī)選擇一個時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)的時隙數(shù)C0，只有一個標(biāo)簽響應(yīng)的時隙數(shù)C1和有兩個或者兩個以上標(biāo)簽響應(yīng)的時隙數(shù)Ck；
    （4）根據(jù)剩余標(biāo)簽估算模型4計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、不同的時隙數(shù)下GFA-QT的系統(tǒng)效率，并與時隙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。在仿真時不考慮標(biāo)簽的運動、傳輸誤碼等因素。所有算法的指令頭、尾以及鏈路時序符合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，GFA-QT算法的系統(tǒng)效率低于DFSA、QT算法的系統(tǒng)效率，這是因為標(biāo)簽數(shù)量小，分組優(yōu)勢不明顯。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)增加時，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)時隙數(shù)為4時算法的系統(tǒng)效率高于時隙數(shù)分別為2、8、16時的系統(tǒng)效率。這主要是因為當(dāng)時隙數(shù)為8或者16時，造成時隙數(shù)過大，識別時延增加，當(dāng)時隙數(shù)為2時，容易造成標(biāo)簽分布于各個時隙不均勻，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。
參考文獻(xiàn)
[1] RAZA N, BRADSHAW V, HAGUE M.Applications of RFID technology[C]. IEEE Colloquium on RFID Technology,  London, England, 1999，10: 1/1-1/5.
[2] FLOR T, NIESS W, VOGLER G.RFID: the integration of  contactless identification technology and mobile computing[J]. Proc. of the 7th Int’l Conf. on Telecomm, Zagerb, Croatia, 2003,2(26): 619-623.
[3] CHA J R, KIM J H. Novel anti-collision algorithm for  fast objection identification in RFID systems[EB/OL]. http://ieeexplore.ieee.org/ie15/10248/32568/01524254.pdf, 2005.
[4] VOGT H.Efficient object identification with passive RFID tags[C].in IEEE PerCom, (TX,USA), 2002.
[5] CHA J R，KIM J H.Novel anti-collision algorithms for fast object identification in RFID system[C].The 11thIntl. Conference on Parallel and Distributed Systems，Korea, 2005：63-75.
[6] ZHEN B, KOBAYASHI M,SHIMIZU M.Framed aloha for  multiple RFID objects identification[C].IEICE Transactions  on Communications, 2005，E88-B：991-999.
[7] LAW C, LEE K,SIU K.Efficient memorials protocol for tag  identification[C].4th International Workshop on Discrete  Algorithms and Methods for Mobile Computing and Communications, 2000，ACM：75-84.
[8] SHIN J D, YEO S S, KIM T H,et al.Hybrid tag anticollision algorithms in RFID systems[C]. UK: Springer Berlin /Heidelberg,2007.
[9] CHOI S Y, LEE J, KIM S H,et al.Hybrid anti-collision method based on maximum throughput for RFID system[J]. Electronics Letters,2010，46（19）.