1 引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與條形碼識(shí)別相比，具有識(shí)別距離長(zhǎng)、無(wú)需人工干預(yù)、存儲(chǔ)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)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。很多應(yīng)用場(chǎng)合，在讀寫器信號(hào)作用范圍內(nèi)需要對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)別，此時(shí)多個(gè)標(biāo)簽與讀寫器之間的通信，存在信道爭(zhēng)用問題。傳統(tǒng)的信道爭(zhēng)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(shí)分多址（TDMA）。

　　但在RFID 系統(tǒng)中，除了受復(fù)雜性和成本的制約，還要解決本身通信的因素，如無(wú)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(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等。

　　在 RFID 無(wú)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(duì)于UHF 頻段的RFID 系統(tǒng)，信號(hào)識(shí)別的距離遠(yuǎn)，覆蓋的范圍廣，因而需識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)量大，若識(shí)別的物體有一定的速度，更需要良好的防碰撞算法以減少?zèng)_突達(dá)到快速、準(zhǔn)確識(shí)別多個(gè)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(duì)頻率為860~960MHz 用于物品管理的無(wú)接觸通信空中接口參數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)，包括A、B、C（EPC Class1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn)納入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(dòng)態(tài)時(shí)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(jì)相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)隙數(shù)相差較大時(shí)，防碰撞的過(guò)程會(huì)比較長(zhǎng)。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(hào)達(dá)到了二進(jìn)制樹形搜索的效果，但防碰撞的效率會(huì)隨標(biāo)簽數(shù)量增多而下降。TYPE C 應(yīng)用的防碰撞算法是時(shí)隙隨機(jī)防碰撞仲裁機(jī)制，是動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALOHA 算法的改進(jìn)，在幀大小調(diào)整方面與以往動(dòng)態(tài)幀時(shí)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(guó)已達(dá)到1500 標(biāo)簽/秒，歐洲可達(dá)到600 標(biāo)簽/秒[1]；同時(shí)也適合在高密度多個(gè)讀寫器環(huán)境下工作。

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　　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(shí)間和返回信息比特?cái)?shù)，有人提出了動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法，還有很多研究者提出其他新穎的改進(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(lái)[4]，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。由于ALOHA 算法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，且對(duì)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(shí)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%。為了提高系統(tǒng)吞吐率和改善它的可行性和有效性，文獻(xiàn)[5]提出時(shí)隙 ALOHA 和幀時(shí)隙ALOHA 算法，并且很多研究者試圖找出幀大小的選取、估測(cè)未讀標(biāo)簽的數(shù)量[6]。上節(jié)中提到的TYPE C 采用的正是幀時(shí)隙ALOHA算法的應(yīng)用改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量標(biāo)簽的識(shí)別，但是在實(shí)際應(yīng)用中，總是希望系統(tǒng)的識(shí)別效率盡可能高，系統(tǒng)的開銷盡可能小，因此，占用的時(shí)隙數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少，實(shí)際工作的效率也會(huì)提高。

　　4 仿真結(jié)果

　　仿真實(shí)驗(yàn)采用 Matlab 7 平臺(tái)，研究標(biāo)簽盤存動(dòng)態(tài)時(shí)隙大小對(duì)系統(tǒng)效率的影響。記錄標(biāo)簽數(shù)從0 到600 變化時(shí)（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(dòng)態(tài)改變幀時(shí)隙大小，并且通過(guò)反饋估算標(biāo)簽數(shù)量，當(dāng)幀時(shí)隙大小與待讀標(biāo)簽數(shù)量相當(dāng)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的效率最大。

　　假設(shè)不考慮捕獲效應(yīng)（指若干標(biāo)簽的應(yīng)答碰撞時(shí)，離RFID 讀寫器較近的標(biāo)簽可能因其信號(hào)較強(qiáng)而覆蓋其他標(biāo)簽的信號(hào)）N 為輪詢的時(shí)隙長(zhǎng)度，n 為某時(shí)刻讀寫器信號(hào)范圍內(nèi)未讀標(biāo)簽數(shù)，r 個(gè)標(biāo)簽出現(xiàn)在某個(gè)給定時(shí)隙概率服從二項(xiàng)分布為[6]：

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

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

　　對(duì)（2）式求導(dǎo)可知，

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　　由（4）式知，標(biāo)簽數(shù)量越大時(shí)，當(dāng)總時(shí)隙數(shù)和未讀標(biāo)簽數(shù)量約相等時(shí)，系統(tǒng)的效率最高，若采取合適的反饋，合理的估算方法，使Q 動(dòng)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。

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圖2 理想的系統(tǒng)效率曲線

　　若采取合適的反饋，合理的估算方法，使Q 動(dòng)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(shí)隙數(shù)N，減小幀中時(shí)隙數(shù)，若n 大于當(dāng)前時(shí)隙數(shù)，需增加時(shí)隙數(shù)N，而反饋量采用何種參數(shù)，如何實(shí)際取值，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)和環(huán)境來(lái)調(diào)整、測(cè)試、驗(yàn)證。由于估測(cè)標(biāo)簽的數(shù)量取決于采取的估測(cè)方法，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，本文提出采用時(shí)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(shí)隙幀數(shù)，具體可行結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(shí)隙數(shù)，能夠讓系統(tǒng)的效率大大提高，需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但從RFID 系統(tǒng)應(yīng)用的角度來(lái)看，目前的防碰撞算法的識(shí)別率、識(shí)別速度、信道利用率（突破36.8%的系統(tǒng)效率限制）有待進(jìn)一步提高，也需加強(qiáng)對(duì)安全和個(gè)人隱私等方面的考慮。在算法優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，進(jìn)一步考慮功率消耗和模擬實(shí)際信道建模等。為配合多個(gè)目標(biāo)、高速運(yùn)動(dòng)物體的識(shí)別等復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，這些方面需作更深入的研究。