| 标题 | 一种基于ALOHA的RFID标签多址接入算法 |
| 范文 | 杨灵 刘磊安 摘要：多址接入问题是多节点信号共享一个无线信道产生的信号冲突问题，是RFID系统的主要问题之一。目前，解决该问题的方法有4个：空分多路法、频分多路法、码分多路法和时分多路法，而RFID系统中常用的TDMA算法是ALOHA算法。对ALOHA算法的过程及效率进行了分析，在帧长和标签数目相同的条件下，求出系统吞吐率最大值。在此基础上提出一种标签估算算法，并对其估算误差率进行了分析。计算机仿真实验证明，随着帧长和标签数增加，该算法可以有效降低误差率，解决RFID标签多址接入问题。 关键词关键词：多址接入；RFID；ALOHA DOIDOI：10.11907/rjdk.143877 中图分类号：TP312 文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）002006602 基金项目基金项目：广东省自然科学基金项目（S2012010010329）；广东省科技攻关项目（2012B010100034） 作者简介作者简介：杨灵（1980-） ，男，江西崇仁人，硕士 ，仲恺农业工程学院信息科学与技术学院副研究员，研究方向为RFID、网络安全、食品安全溯源；刘磊安（1979-） ，男，河南封丘人，博士，仲恺农业工程学院信息科学与技术学院副教授，研究方向为RFID、网络安全。 0引言 由于RFID系统是通过射频场来完成标签和阅读器之间的信息交换，而射频场属于共享的无线广播信道，因此必然涉及多址接入问题[1]。在传统的无线通信网络中，由于有很多的节点共享一个无线信道，所以必须使用相应的机制，才能使这些节点共用信道，避免相互之间的冲突，主要方法有：空分多路法（SDMA）、频分多路法（FDMA）、码分多路法（CDMA）和时分多路法（TDMA）。 空分多路法是指物理上多条线路共享一条线缆，但RFID系统是无线传输，天线系统设计比较复杂，实施成本高，且必须当频率大于1GHz以上才能使用，因此SDMA使用面比较窄；频分多路法是指多条不同频带的信道共享一条载波带宽的多路复用技术，该方案对RFID阅读器要求较高，每条信道都必须有自己的接收器，因此使用较少；码分多路法是一种既共享信道频率又共享时间的多路复用技术，其将比特时间分成若干个码片，每个不同频带的信道使用指定的码片。该方案效率较高，主要在移动互联网使用，对终端设备要求高，但RFID标签结构简单、功耗低，码片捕获时间和选择时间较长，不能满足RFID对效率的要求；TDMA应用简单，可以很好地解决多址接入问题，是目前RFID系统中多址接入控制机制的主要方法。RFID系统中常用的TDMA算法是ALOHA算法。ALOHA算法是一种基于概率的算法，共分为3种：纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法和动态时隙ALOHA算法。本文对3种ALOHA算法的过程及效率进行了分析，在帧长和标签数目相同的条件下，求出系统吞吐率最大值。在此基础上提出一种标签估算算法，对估算误差率进行了分析。仿真实验证明，随着帧长和标签数增加，该方法可以有效降低误差率，解决RFID标签多址接入问题。 1ALOHA算法 纯ALOHA算法是指标签进入阅读器范围后，自主选择发送数据时间[2]。阅读器选择一个标签与其通信，在通信的过程中，标签可以将阅读器反馈的信息与缓存区中的数据进行比较，若一致则表示发送成功，若不一致，则表示发生冲突，该标签停止发送数据，等待一段随机时间后再次发送数据。同理，其它标签通信时也按照上述过程进行，这样标签就可以在发送过程中及时检测是否发生冲突。由于在纯ALOHA算法中，冲突检测是由数据发送方负责，所以比较适合标签负责发送数据、阅读器负责接收数据的情况。 帧时隙ALOHA算法是在纯ALOHA算法的基础上把时间离散分解成多个时间帧，一个标签在一个时间帧中只能发送数据一次。同时，将帧分解成若干个时隙，每个时隙的长度要能够完成一次数据传输，每个标签的传输必须在一个时隙内完成，这样每个标签的传输都局限在一个时隙中，避免了2个标签传输头尾碰撞的概率，并尽量保证一个标签在一个数据帧中能够完成一次通信。其缺点是当标签数量很多时，数据帧设置必须要足够长，否则标签冲突情况会大幅增加，导致数据传输速率很慢。 标签到达数量是随着时间的变化而变化的，因而帧时隙ALOHA算法中的数据帧长度无法固定。动态帧时隙ALOHA算法通过动态调整数据帧的长度来有效提高系统吞吐量。由于标签到达数目是按照泊松分布变化的，所以帧的时隙数也要相应地变化，以减少时隙的浪费。动态帧时隙ALOHA算法基于TDMA算法，实现比较简单，并且能够动态调整帧的长度，匹配标签数量变化，是目前RFID系统常用的防冲突算法。 2ALOHA算法分析 为方便对动态帧时隙ALOHA算法效率进行分析，首先定义： S：T0时内成功完成数据通信的平均标签数量，即成功传输的总数据率；λ： T0时间内RFID标签到达的次数；Pe：成功完成数据通信的标签概率；n：到达读写器范围的标签数量；l：标签数据帧的长度；t：标签成功传输的数量。 由概率论可知，每秒发送数据帧的数量服从泊松分布，当n趋于无穷，成功的概率P趋于零，且满足np=λ时，泊松分布可由二项分布的极限得到。二项频率函数是：P（t）=n！t！（n-t）！pt（1-p）n-t（1）设np=λ，则：P（t）=n！t！（n-t）！（λn）t（1-λn）n-tP（t）=λtt！n！（n-t）！1nt（1-λn）n（1-λn）-t当n→∞时，可得以下结论：λn→0n！（n-t）！nt→1（1-λn）n→e-λ（1-λn）-t→1综上可得：p（t）→λte-λt！（2） 这样，在一个时隙内没有其它标签发送信息的概率为：Pe=e-λ因此，时隙ALOHA算法的吞吐率为： S=λPe=λe-λ（3） 由图1可知：当n 3误差率分析 为了标签可以比较均衡地在帧中不同时隙发送数据，我们根据标签ID的唯一性，在ALOHA算法中使用了标签ID作为内部伪随机数发生器的输入，将内部伪随机数发生器的输出作为选择标签发送的时隙，这样，就可以比较均衡地选择不同的时隙，降低误差率。误差率分析如下：由于n'=n-n（1-1l）n-t， 则误差率 Std（|（n′-n）/n|）=nt（1-1l）n-t（1l）t（4） 从上述公式可以看出，标签数一定，误差率与帧长成反比，若要减少误差率就必须增加帧长。 |
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