1 引言

　　射頻識別技術(shù)(RFID，Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，與條形碼識別相比，具有識別間隔長、無需人工干預(yù)、存儲容量大等特點(diǎn)。根據(jù)RFID 系統(tǒng)調(diào)制載波頻率不同，RFID 系統(tǒng)可以分為低頻(30~300kHz)、高頻(3~30MHz)、超高頻UHF(300-960MHz)以及微波頻段(2.4~5.8GHz)。完整的RFID 系統(tǒng)包括四部分：射頻卡/標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)和天線(Antenna)、主機(jī)治理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。很多應(yīng)用場合，在讀寫器信號作用范圍內(nèi)需要對多個物體進(jìn)行識別，此時多個標(biāo)簽與讀寫器之間的通訊，存在信道爭用題目。傳統(tǒng)的信道爭用，其解決的方法大致可以分為如下4種：空分多址(SDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時分多址(TDMA)。

　　但在RFID 系統(tǒng)中，除了受復(fù)雜性和本錢的制約，還要解決本身通訊的因素，如無源標(biāo)簽需其提供能量、標(biāo)簽總數(shù)未知、碰撞判決需讀寫器控制、防碰撞協(xié)議要簡單易實現(xiàn)等。

　　在 RFID 無源標(biāo)簽系統(tǒng)中，目前廣泛使用的防碰撞算法大都是基于TDMA，比較經(jīng)典的兩類基本方法是：基于Aloha 算法和基于二進(jìn)制樹搜索算法。對于UHF 頻段的RFID 系統(tǒng)，信號識別的間隔遠(yuǎn)，覆蓋的范圍廣，因而需識別的標(biāo)簽數(shù)目大，若識別的物體有一定的速度，更需要良好的防碰撞算法以減少沖突達(dá)到快速、正確識別多個目標(biāo)的目的。

　　2 UHF 頻段RFID 系統(tǒng)防碰撞方案

　　在 UHF 工作頻段，主要是ISO/IEC 18000-6(針對頻率為860~960MHz 用于物品治理的無接觸通訊空中接口參數(shù))標(biāo)準(zhǔn)，包括A、B、C(EPC Class1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn)納進(jìn)18000-6C)三種類型。如表1 所示它們采用的防碰撞算法也都不同，均是基本算法的改進(jìn)應(yīng)用。TYPE A 采用的是一種動態(tài)時隙ALOHA 算法防碰撞協(xié)議。標(biāo)簽內(nèi)硬件需有隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和比較器，設(shè)計相對簡單。TYPE A 防碰撞機(jī)制的不足之處是：若標(biāo)簽數(shù)目與初始時隙數(shù)相差較大時，防碰撞的過程會比較長。TYPE B 應(yīng)用的防碰撞機(jī)制要較TYPE A 的更有效一些，它利用隨機(jī)產(chǎn)生的0、1 信號達(dá)到了二進(jìn)制樹形搜索的效果，但防碰撞的效率會隨標(biāo)簽數(shù)目增多而下降。TYPE C 應(yīng)用的防碰撞算法是時隙隨機(jī)防碰撞仲裁機(jī)制，是動態(tài)時隙ALOHA 算法的改進(jìn)，在幀大小調(diào)整方面與以往動態(tài)幀時隙ALOHA 算法有很大改進(jìn)，目前沒有找到這樣調(diào)整的理論依據(jù)。但它具有較高的閱讀速率，在美國已達(dá)到1500 標(biāo)簽/秒，歐洲可達(dá)到600 標(biāo)簽/秒[1];同時也適合在高密度多個讀寫器環(huán)境下工作。

　　3 算法改進(jìn)探討與分析

　　為了縮短二進(jìn)制樹搜索算法的查詢時間和返回信息比特數(shù)，有人提出了動態(tài)二進(jìn)制搜索算法，還有很多研究者提出其他新奇的改進(jìn)的方法。如文獻(xiàn)[2]提出修剪枝的二進(jìn)制樹形搜索，文獻(xiàn)[3]提出基于返回式二進(jìn)制樹形搜索。也有將二進(jìn)制樹搜索算法和ALOHA 算法結(jié)合起來[4]，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。由于ALOHA 算法簡單，易實現(xiàn)，且對標(biāo)簽數(shù)目變化有較好的適應(yīng)，因而得到廣泛應(yīng)用，同時不斷被優(yōu)化和改進(jìn)，因此本文重點(diǎn)分析ALOHA算法的改進(jìn)和仿真。最基本的 ALOHA 算法存在部分碰撞和完全碰撞，導(dǎo)致碰撞發(fā)生的概率很大，其碰撞期為數(shù)據(jù)幀的兩倍。并且最大系統(tǒng)吞吐率僅為18.4%。為了進(jìn)步系統(tǒng)吞吐率和改善它的可行性和有效性，文獻(xiàn)[5]提出時隙 ALOHA 和幀時隙ALOHA 算法，并且很多研究者試圖找出幀大小的選取、估測未讀標(biāo)簽的數(shù)目[6]。上節(jié)中提到的TYPE C 采用的正是幀時隙ALOHA算法的應(yīng)用改進(jìn)，可以實現(xiàn)對大量標(biāo)簽的識別，但是在實際應(yīng)用中，總是希看系統(tǒng)的識別效率盡可能高，系統(tǒng)的開銷盡可能小，因此，占用的時隙數(shù)也會相應(yīng)減少，實際工作的效率也會進(jìn)步。

　　4 仿真結(jié)果

　　仿真實驗采用 Matlab 7 平臺，研究標(biāo)簽盤存動態(tài)時隙大小對系統(tǒng)效率的影響。記錄標(biāo)簽數(shù)從0 到600 變化時(以2Q 遞增變化)系統(tǒng)效率變化曲線，為算法的改進(jìn)提供理論的基礎(chǔ)。為了使系統(tǒng)保持較高的效率，必須動態(tài)改變幀時隙大小，并且通過反饋估算標(biāo)簽數(shù)目，當(dāng)幀時隙大小與待讀標(biāo)簽數(shù)目相當(dāng)時，此時系統(tǒng)的效率最大。

　　假設(shè)不考慮捕捉效應(yīng)(指若干標(biāo)簽的應(yīng)答碰撞時，離RFID 讀寫器較近的標(biāo)簽可能因其信號較強(qiáng)而覆蓋其他標(biāo)簽的信號)N 為輪詢的時隙長度，n 為某時刻讀寫器信號范圍內(nèi)未讀標(biāo)簽數(shù)，r 個標(biāo)簽出現(xiàn)在某個給定時隙概率服從二項分布為[6]：

　　由圖 1 所示，采用總固定時隙數(shù)時，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)越大時，采用的時隙數(shù)相對增大，系統(tǒng)的效率才會保持較高水平，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目時，系統(tǒng)效率又會下降，需要再次調(diào)整總時隙數(shù)。

　　圖 1 系統(tǒng)效率與標(biāo)簽數(shù)目關(guān)系曲線

　　對(2)式求導(dǎo)可知，

　　由(4)式知，標(biāo)簽數(shù)目越大時，當(dāng)總時隙數(shù)和未讀標(biāo)簽數(shù)目約相等時，系統(tǒng)的效率最高，若采取合適的反饋，公道的估算方法，使Q 動態(tài)變化，可以使系統(tǒng)效率明顯增大，理想情況可達(dá)到如圖2 所示。

　　圖2 理想的系統(tǒng)效率曲線

　　若采取合適的反饋，公道的估算方法，使Q 動態(tài)變化，可以使系統(tǒng)效率明顯增大，理想情況可達(dá)到如圖2 所示。若估算的標(biāo)簽數(shù)n 小于當(dāng)前時隙數(shù)N，減小幀中時隙數(shù)，若n 大于當(dāng)前時隙數(shù)，需增加時隙數(shù)N，而反饋量采用何種參數(shù)，如何實際取值，可以根據(jù)實驗和環(huán)境來調(diào)整、測試、驗證。由于估測標(biāo)簽的數(shù)目取決于采取的估測方法，且系統(tǒng)實現(xiàn)較為復(fù)雜，本文提出采用時隙聯(lián)合空閑率門限和碰撞率門限調(diào)整當(dāng)前采用的時隙幀數(shù)，具體可行結(jié)合實驗進(jìn)一步驗證可行性。

　　5 總結(jié)

　　本文分析了 UHF 頻段RFID 的防碰撞方案，并具體仿真了算法的改進(jìn)途徑和更新時隙的方法，提出聯(lián)合考慮空閑率和碰撞率的方法，調(diào)整總時隙數(shù)，能夠讓系統(tǒng)的效率大大進(jìn)步，需要進(jìn)一步結(jié)合實驗驗證。但從RFID 系統(tǒng)應(yīng)用的角度來看，目前的防碰撞算法的識別率、識別速度、信道利用率(突破36.8%的系統(tǒng)效率限制)有待進(jìn)一步進(jìn)步，也需加強(qiáng)對安全和個人隱私等方面的考慮。在算法優(yōu)化改進(jìn)時，進(jìn)一步考慮功率消耗和模擬實際信道建模等。為配合多個目標(biāo)、高速運(yùn)動物體的識別等復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，這些方面需作更深進(jìn)的研究。