一种简单高效的RFID 防冲突算法
高效动态幁时隙ALOHA算法
针对无源RFID标签的高效动态幁时隙ALOHA算法摘要：即使在一些技术的限制下，无源标签的使用也极大地增强了射频识别（RFID）系统获取海量数据的能力，这些数据来自被标记并且能够被无线识别的物体。
但是，如果进行多个标签的同时识别，那么来自标签的数据将可能发生碰撞并相互抵消。
目前比较流行的防冲突算法之一是ALOHA算法。
在要读取的标签数量合理的情况下，该算法简单且具有良好的性能。
在本文中，我们扩展了先前的研究，建立了一个基于高效的动态时隙ALOHA算法的无源RFID标签模型，并对相关的问题进行了探讨和更正。
关键字：RFID 无源标签识别防碰撞 ALOHA 高效动态幁时隙一.引言各种组织团体通过现代信息系统（IS）来获取，解释，保留和传播信息。
信息技术（IT）领域的技术创新通过不断改善组织的性价比功能来执行这四项基本任务。
智能代理和知识管理系统使管理人员能够解释数据和信息，以创建有用的管理知识。
存储媒体技术的进步是企业积累大量数据库，同时不断增加的处理能力也使管理人员能够发掘出对他们有用的信息，比如现有客户和潜在市场的数据。
此外，以科技为基础的实时信息采集和决策支持系统的进步促进了实时决策，使组织能够优化他们的经营行为。
最近，RFID（无线射频识别）作为条码的替代物，引起了分销行业，供应链行业以及银行业的重视。
这是因为RFID系统具有非接触识别的优势，并且能够比条码存储更多的数据。
但是，如果有多个标签响应阅读器，那么多个标签的响应将在通信信道中引起冲突，导致标签的响应不能够被阅读器接收。
这种情况称为“标签的碰撞”，是RFID系统应用的一个重要限制。
研究人员一直以各种方式解决这一问题，有些方法是通过扩展频带来增加数据传输速率，进而最大限度地减少标签冲突，提高标签的识别率。
这不是一个很理想的解决方案，因为通信频带往往是受限制的。
最广泛使用的技术是时隙ALOHA算法和二进制搜索算法。
既然是最简单的实现，幁时隙ALOHA算法是最常使用的。
RFID防冲突算法
无线射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是刺用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)的传输特性，实现对特定物体的自动识别。
RFID技术可以追溯至第二次世界大战期间。
后来发展应用到铁路、军队的货物跟踪甚至宠物识别上。
在过去的半个多世纪里，RFID的发展经历了从技术探索、试验研究、商业应用和标准化建立等几个重要阶段。
从现有发展趋势看，RHD将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。
可以预见在不久的将来，RFID技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终RFID技术还将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。
RFID系统一般由电子标签和读写器两个部分组成，读写器具有同时读取多个电子标签的功能。
在多标签对一个读写器的RFID系统中，标签经常会同时向读写器传输数据，这就要求RFID系统建立一种仲裁机制来避免数据发生碰撞。
考虑到电子标签本身尺寸、能耗的限制，防碰撞机制在保障功能的同时还要求尽量简单易行，这正是RFID系统设计的挑战之一。
算法A基于随机避让、冲突检测的原理，使用1个8位寄存器和1个8位随机数产生器，最大可以仲裁标签的数量只有256个。
算法B基于二进制数的原理，使用1个8位寄存器和1个l位随机数产生器，理论上最大可以实现2256个标签的仲裁。
文献提出了对该算法的一个实现方案，文献对该算法做了很大改进。
算法C类似于算法A，使用1个16位寄存器和16个l位随机数产生器，最大可以仲裁标签的数量是65536个。
本文中，作者提出一种分群避让、群内冲突检测的算法和其改进算法，仅需要1个8位寄存器和1个1位随机数产生器就可以实现最大1048 576个标签的仲裁．而且碰撞次数相对干算法B要大大减少。
1 仲裁机制描述本方法的核心思想是：首先把电子标签随机分群，并将群随机排序以实现群问的随机避让，然后在群内进行冲突检测和标签的仲裁。
实现时标签仅需一个寄存器：利用其高位存储群号，低位存储冲突检测时退避的步数，实现极为简单。
RFID系统中一种改良的防冲突算法的研究
RFID系统中一种改良的防冲突算法的研究论文导读：无线射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术。
多个标签同时应答一个阅读器。
将重点讨论一种针对于UHF 频段的改良动态二进制搜索算法。
使每个电子标签在单独的某个时隙内占用信道与读卡器进行通信。
关键词：射频识别，二进制搜索算法，电子标签，阅读器引言无线射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，其原理是利用射频信号的传输特性，对贴有标签的目标加以识别并获取相关信息。
它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触信号获取这一难题。
由于目前对识别距离的要求越来越高，高频系统的研究已经成为一个热点。
但在提供远距离多目标识别优点的同时，多个标签同时应答一个阅读器，或者多个阅读器同时对一个标签进行识别的数据冲突的情况也凸显出来，本文中，将重点讨论一种针对于UHF频段的改良动态二进制搜索算法，用于解决这种冲突问题。
论文检测。
1 目前基本的防冲突方法RFID系统的防冲突问题属于多址通信问题，在目前的射频识别系统中，主要是采用TDMA技术，使每个电子标签在单独的某个时隙内占用信道与读卡器进行通信，防止碰撞的产生，数据能够准确地在读卡器和电子标签之间进行传输。
实际的射频识别系统常用的防冲突算法主要有ALOHA算法、时隙ALOHA算法、二进制搜索算法和动态二进制搜索算法等。
由于二进制搜索算法对于标签硬件要求较低，实现灵活等特点，下面主要介绍基于二进制搜索算法的一些防冲突算法及改良算法。
2 基于二进制搜索算法改良的防冲突算法2．1 二进制搜索算法实际应用中，使用较多的防冲突算法是“二进制搜索算法”，二进制搜索算法系统是由在一个读写器和多个电子标签之间规定的相互作用顺序构成的，从同时进入读卡器作用范围的标签中选出一个电子标签进行通信。
实现二进制算法需要三个必要条件。
A 读卡器能定位出在读卡器中数据碰撞比特的准确位置，这需要使用Manchester编码。
一种基于B_树的RFID抗冲突算法
文章编号:167422974(2009)0620072204一种基于B +树的RFI D 抗冲突算法Ξ罗 娟1 ,汪云飞1,李仁发1,凌 林2(1.湖南大学计算机与通信学院,湖南长沙 410082;2中国人民解放军海军91715部队,广东广州 510450) 摘 要:针对二进制树形算法冲突集合分裂速度慢、标签分裂不均匀问题,提出一种基于B +树的RFID 抗冲突算法.本算法将冲突集合分裂成一个3阶的B +树,即将每次发生冲突的集合分裂成3个子集,从而加快冲突集合的分裂速度,冲突集合相当于B +树的中间节点,每个子集分别对应于一个关键码,叶子节点或只包含一个标签或为一个空集合.为了防止集合分裂的不均匀,引入合适的hash 函数,使集合均匀分裂.仿真实验表明,B +算法减少了标签冲突的发生,缩短了标签识别延时,提高了识别性能.关键词:无线电;冲突避免;射频识别;抗冲突算法;B +树;hash 中图分类号:TP274 文献标识码:AAn Anti 2collision Algorithm in RFID Based on B +TREEL UO J uan 1 ,WAN G Yun 2fei 1,L I Ren 2fa 1,L IN G Lin 2(1.College of Computer and Communication ,Hunan Univ ,Changsha ,Hunan 410082,China ;2.PLA Navy NO.91715,Guangzhou ,Guangdong 510450,China ) Abstract :An improved anti 2collision algorithm based on B +tree was proposed.In this algorithm ,the colli 2sion tags split into three smaller aggregations at each round so as to quicken the rate of splitting.Collision aggre 2gation corresponds to the intermediate node of the B +tree.Each key corresponds to a splitted aggregation.Each leaf of the tree contains one tag or null.Meanwhile this algorithm made use of hash operation to average splitting .Simulating results show that the B +algorithm reduced collision ,shortened the identify delay and improve the identify performance.K ey w ords :radio ;collision avoidance ;radio frequency identificationl (RFID );anti 2collision algorithm ;B +tree ;hash 射频识别(radio frequency identification ,RFID )是从20世纪80年代发展起来的一种自动识别技术.随着科学技术的发展,RFID 不断被开发出各种新的用途,在人们的生活中充当着越来越重要的角色.一般来说,RFID 系统包括标签和阅读器2部分.一般RFID 系统的工作过程是由阅读器发送问询信号,如果一个标签在阅读器的问询范围内,它将被激活,然后与阅读器进行通信,从而使阅读器获得标签发送来的信息.RFID 系统的冲突包括阅读器冲突和标签冲突.阅读器冲突是指相邻阅读器的频率干扰造成对标签的错误识别;标签冲突是由在同一阅读器的问询范围内的多个标签争用同一信道引发的.在高速移动的场合,抗冲突技术设计的优劣很大程度上决定了射频识别过程的耗时性能,从而制Ξ收稿日期:2008209203基金项目:国家自然科学基金资助项目(60673061);高等教育学校博士学科点基金资助项目(20060532024);长沙市科技攻关资助项目(K069015-12);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(新教师基金200805321056)作者简介:罗 娟(1974-),女,湖南株洲人,湖南大学副教授,博士 通讯联系人,E 2mail :juanluo @第36卷 第6期2009年6月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University (Natural Sciences )Vol.36,No.6J un 12009约了系统识别成功率.目前抗冲突算法包括以下几种:频分多址接入(FDMA).各个标签采用不同载波频率向阅读器传递信号.这种方式要求阅读器和标签能够以一定的机制更换载波频率,大大增加了阅读器和标签双方的实现复杂度,同时也要求整个系统覆盖更大的带宽.码分多址接入[1](CDMA).各个标签采用不同调制码来对所发数据进行调制,在阅读器端利用码的自相关特性对不同标签所发的数据进行解调,从而达到抗冲突的目的.这种方式抗干扰性强,保密性好,但是标签和阅读器的电路复杂.时分多址接入(TDMA).整个识别过程分成若干个时隙,每个标签在不同时隙向阅读器传递信号.这种方式实现结构相对简单,成本较低.具体实现分为基于ALOHA的算法[2]和树分叉算法两种.目前,利用树分叉算法解决冲突问题的最新方法有2种,即自适应二进制树分裂算法(ABS)和提高的抗冲突算法(EAA).ABS[3]针对标签移动的情况,利用上一次标签识别所估计的标签数量作为参考,方便下一次识别;EAA[4]在ABS的基础上进行改进,利用曼彻斯特编码减少标签ID的传输时间,并且使标签集合的分裂不再随机,使分裂结果更理想.ABS算法需要利用上一轮的识别结果,这个算法在有少数标签移出识别范围以及少数标签移入识别范围的情况下,相对于B T(binary tree protocol)会有很好的效果,使标签不用从树的最底层开始分裂.但是,对于一组全新的标签,该算法和B T一样,都需要从树的根节点开始冲突集合的分裂,并不能达到更好的效果.EAA致力于缩短标签向阅读器传输ID的时间.这2种算法相对于B T没有使冲突集合更快的分裂,没有很好地减少冲突时隙的数量.本文对标签冲突问题进行研究,针对二进制树形算法冲突集合分裂速度慢,随机分裂不均匀的缺点,提出一种基于B+树的RFID抗冲突算法,这种算法提高了冲突标签集合的分裂速度,减少碰撞的发生.1 基于B+树的抗冲突算法111 二进制树形算法二进制树形算法(binary tree protocol,B T)[5]是树分叉算法中的一种.二进制树形算法在每个时隙执行标签识别的动作.阅读器在一帧中识别出其阅读范围内的所有标签.一帧包括若干时隙.在一个时隙中,阅读器传输一个查询给标签,标签反馈自己的ID给阅读器.在二进制树形算法中,阅读器向一个标签集合发送阅读命令后,这个集合的标签将同时向阅读器发出反馈.若这个集合包含超过一个标签,则标签的传输将发生冲突.当标签冲突发生时,根据标签ID 或随机地将冲突集合分裂成2个子集,阅读器在同一帧里对两个子集逐个识别,持续这个分裂过程直到每个集合有一个标签.影响标签识别性能的一个重要因素是如何有效地分裂冲突标签集合.112 B+算法基本思想二进制树形算法的一帧可以用一个树结构表示,如图1所示.每个节点代表一个时隙,节点中的数字表示在这个时隙中有几个标签传输数据,根据在一个时隙中传输标签的数量可以将时隙分为冲突时隙(有2个或2个以上标签传输信息)、空闲时隙(没有标签传输信息)、可识别时隙(只有一个标签传输信息).只有发生冲突的标签集合才继续分裂,因此中间节点都代表冲突时隙,叶子节点代表空闲时隙或者可识别时隙.图1 二进制树形算法的标签分裂Fig.1 The tag splitting of Binary Tree Protocol由图1可以看出,二进制树形算法分裂速度慢且分裂不均匀,因此将B+树[6]的概念引入标签冲突问题的解决.将冲突集合分裂成一个3阶的B+树,即将每次发生冲突的集合分裂成3个子集,从而加快冲突集合的分裂速度.冲突集合相当于B+树的中间节点,包含0,1,2三个关键码,每个子集分别对应于一个关键码,叶子节点或只包含一个标签或为一个空集合.为了防止集合分裂的不均匀,引入hash函数的概念,设计合适的hash函数,使集合均匀分裂.分裂过程如图2所示.37第6期罗 娟等:一种基于B+树的RFID抗冲突算法图2 基于B+树的抗冲突算法分裂过程Fig.2 The splitting process of B+algorithm113 B+算法的实现1.3.1 冲突集合分裂原则为了达到冲突集合均匀分配的目的,利用hash 函数将发生冲突的标签集合均匀映射到关键码分别为0,1,2的3个集合中.本文选用文献[7]中提到的hash函数及其变换方法:hash(key)=(floor(key/w))%L.(1)式中:key为标签的关键码;w随着冲突的发生而改变,初始值为1;L为分裂成的集合数(L=3).子集合的w值是其父集合的w与L的乘积.1.3.2 冲突集合分裂具体过程B+算法分为阅读器部分和标签部分.标签算法流程如图3所示,阅读器算法流程如图4所示.1:Ac(i)=N um(i)=0;//Ac(i)记录标签i分配的时隙,N um(i)记录标签i发生碰撞的次数2:if Ac(i)=0send(i);//发送标签i的ID3:receive feedback of reade//收到阅读器的反馈case Collision://如果是冲突时隙 if Ac(i)=0 then w=3N um(i) Ac(i)=(floor(key/w))%L N um(i)=N um(i)+1 else if Ac(i)>=1 then Ac(i)=Ac(i)+2case Idle:Ac(i)=Ac(i)-1 //如果是空闲时隙 case Identified: Ac(i)=Ac(i)-1; //如果是可识别时隙4:goto STEP2图3 标签算法流程Fig.3 The flow of tag algorithm1:Pc=0;//Pc值显示未被识别的标签集合数量2:if Collision//如果是冲突时隙then Pc=Pc+2else Pc=Pc-1//如果不是冲突时隙3:if Pc<0Algorithm is overelse goto STEP2图4 阅读器算法流程Fig.4 The flow of reader algorithm如果冲突发生,则表明会增加2个待识别集合,故Pc值加2.如果没有冲突发生,则表明会减少1个待识别集合,故Pc值减1.当Pc值小于0时,表明识别范围内的标签已识别完毕,识别过程结束.以下面5个标签为例.标签1:25837; 标签2:46273;标签3:37425; 标签4:36438;标签5:26705.详细识别过程如表1所示.图5为B+算法识别这5个标签的识别树,节点内的数字表示第几个时隙.表1 标签识别过程一览表T ab.1 The process of tag identify变量(1)C(2)C(3)I(4)R(5)R(6)C(7)I(8)R(9)R(10)R(11)结束Pc024*******-1 Ac(1)013210210-1-2 Ac(2)01321010-1-2-3 Ac(3)0010-1-2-2-3-4-5-6 Ac(4)00210-1-1-2-3-4-5 Ac(5)024*******-1N um(1)01111222111N um(2)01111222222N um(3)01111111111N um(4)01111111111N um(5)01111111111识别———34——215— 注:C—冲突时隙;I—空闲时隙;R—识别时隙.图5 标签识别树Fig.5 Tag identify tree2 仿真实验本文用Matlab对提出的算法进行了仿真分析.仿真的标签数量在1～500的情况下,为B+算法所需要的总时隙数和冲突时隙数.并将结果与B T及DFSA(Dynamic Framed Slotted ALOHA)相比较.图6为仿真结果图,由图6(a)和(b)可知,B+算法与47 湖南大学学报(自然科学版)2009年B T 及DFSA 相比,在识别相同数量标签的情况下,消耗最少的时隙,产生最少的冲突,并且随着标签数量的增加这种性能提高更加明显.识别延时是指识别出所有标签所需时间.假设空闲时隙耗时10μs ,冲突时隙及可识别时隙耗时60μs ,则图6(c )为每个算法的识别延时图.由图6(c )可知,B +算法拥有最好的性能,最短的识别时间.标签数量(a )总时隙标签数量(b )冲突时隙标签数量(c )时延图6 仿真结果Fig.6 Simulating results冲突率是影响识别性能的重要因素,B +算法能够很大程度上减少冲突,在有大量标签的情况下体现出更好的性能.3 结 论本文提出了基于B +树的抗冲突算法,它具有分裂速度快,冲突时隙少的优点,同时实现过程简单,降低了标签碰撞产生的延迟问题.计算机仿真结果表明该算法减少了碰撞发生次数,提高了识别效率,能够较好地应用于RFID 系统需要快速识别大量标签的情况.参考文献[1] 王平,胡爱群,裴文江.一种基于码分复用机制的超高频RFID防碰撞方法[J ].电子与信息学报,2007,29(11):2637-2640.WAN G Ping ,HU Ai 2qun ,BEI Weng 2jiang.The design of anti 2collision of U HF RFID system based on CDMA [J ].Journal of Electronics &Information Technology ,2007,29(11):2637-2640.(In Chinese )[2] 吴春华,陈军.动态ALOHA 法在解决RFID 反碰撞问题中的应用[J ].电子器件,2003,26(2):173-176.WU Chun 2hua ,CHEN J un.Application of dynamic ALOHA in RFID ’s collision[J ].Chinese Journal of Electron Devices ,2003,26(2):173-176.(In Chinese )[3] M YUN G J ,L EE W ,SRIVASTAVA J.Adaptive binary splittingfor efficient RFID tag anti 2collision [J ].IEEE Communication Letters ,2006,10(3):144-146.[4] CHEN Wei 2chih ,HORN G Shi 2jinn ,FAN Ping 2zhi.An enhancedanti 2collision algorithm in RFID based on counter and stack[C]//Second International Conference on Systems and Networks Com 2munications :2007:117-120.[5] 黄永前,黄廷磊,郭振军.RFID ISD/IEC 18000-6(VHF )TYPE -B 防冲突算法及其实现[J ].仪表技术,2008,20(1):11-13.HUAN G Y ong 2qian ,HUAN G Ting 2lei ,GUO Zhen 2jun.RFID ISO/IEC 18000-6(VHF )TYPE 2B anti 2collision algorithm and its implementation[J ].Instrumentation Technology ,2008,20(1):11-13.(In Chinese )[6] 严蔚敏,吴伟民.数据结构[M ].北京:清华大学出版社,1997:238-246.YAN Wei 2min ,WU We 2min.Data structures[M ].Beijing :Ts 2inghua University Press ,1997:238-246.(In Chinese )[7] ZHAN G Hong ,HAN Lei ,L I Yu 2lu.Design of hash 2tree anti 2col 2lision algorithm [C ]//Third International Conference on Natural Computation ,2007:24-27.57第6期罗 娟等:一种基于B +树的RFID 抗冲突算法。
一种新颖的RFID防冲突算法
无线射频识别（ＲＦＩＤ）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对特定物体的自动识别。
ＲＦＩＤ技术可以追溯至第二次世界大战期间，后来发展应用到铁路、军队的货物跟踪甚至宠物识别上。
在过去的半个多世纪里，ＲＦＩＤ的发展经历了从技术探索、试验研究、商业应用和标准化建立等几个重要阶段。
从现有发展趋势看，ＲＦＩＤ将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。
可以预见在不久的将来，ＲＦＩＤ技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终ＲＦＩＤ技术还将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。
ＲＦＩＤ系统一般由电子标签和读写器两个部分组成，读写器具有同时读取多个电子标签的功能。
在多标签对一个读写器的ＲＦＩＤ系统中，标签经常会同时向读写器传输数据，这就要求ＲＦＩＤ系统建立一种仲裁机制来避免数据发生碰撞。
考虑到电子标签本身尺寸、能耗的限制，防碰撞机制在保障功能的同时还要求尽量简单易行，这正是ＲＦＩＤ系统设计的挑战之一。
文献［１］和［２］提出了三种ＲＦＩＤ系统的防碰撞算法。
算法Ａ基于随机避让、冲突检测的原理，使用１个８位寄存器和１个８位随机数产生器，最大可以仲裁标签的数量只有２５６个。
算法Ｂ基于二进制数的原理，使用１个８位寄存器和１个１位随机数产生器，理论上最大可以实现２２５６个标签的仲裁。
文献［３］提出了对该算法的一个实现方案，文献［４］对该算法做了很大改进。
算法Ｃ类似于算法Ａ，使用１个１６位寄存器和１６个１位随机数产生器，最大可以仲裁标签的数量是６５５３６个。
本文中，作者提出一种分群避让、群内冲突检测的算法和其改进算法，仅需要１个８位寄存器和１个１位随机数产生器就可以实现最大１０４８５７６个标签的仲裁，而且碰撞次数相对于算法Ｂ要大大减少。
１仲裁机制描述本方法的核心思想是：首先把电子标签随机分群，并将群随机排序以实现群间的随机避让，然后在群内进行冲突检测和标签的仲裁。
实现时标签仅需一个寄存器：利用其高位存储群号，低位存储冲突检测时退避的步数，实现极为简单。
RFID系统防冲突算法分析及其实现
一
ＲＦ Ｄ系 统 防冲 突 算 法 分 析 及 其 实 现 Ｉ
沈小兵
（ 苏州轨道交通运营处 企划部 江苏 苏州 ２５０） １０ ０
摘 要 ： 在多标签对 一个读写 器的Ｒ Ｉ系 统中 ，标签 有时会在 同一个 时间点一同 向读 写器传输 数据 ，从而 引起 通信冲 突，导致读 写器读不到 标签上的信 息， ＦＤ 主要论述通过 时隙算法来解决这一 问题的方法与 仿真实现 。 关键 词： 射频 识别；防冲突 ；算 法：仿真 中图分类号 ：Ｔ Ｏ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１ ７ － ７ ９ ２ １ ）０ ２ ０ ６ ０ Ｎ ６ １ ５ ７（ ０ ０ ４ ０ ３ － １
签 ，如果 标签 的随机 数为 ０ ，同 时ＩＡ ｉｅ ｓｌｒ 属性 值 为ＴＵ ，则 将ＡＮｍ自动 加 ＲＥ ｄｕ
０５ 间 任选 一 个 整数 存 入 寄 存器 高 四 位 ，也 就 １之
是 随机选 择 了一个 群 ，然 后把 寄存 器 的低 四位 全 部清 零 。接着 随 机产 生一 个０ １ 或 的数据 加 到 寄存 器 中，如 果 这时 寄存 器 中的８ 全 为０ 位 ，则 回传 当 前 电子标 签 的Ｉ 。如 果此 时有 多个 电子标签 同时 Ｄ 回传 数据 ， 也就 是发 生 了冲突 ，冲 突 发生 以后 ，
rfid系统主要是由电子标签和读写器两部分组成的读写器的功能是能够同时读取多个电子标签rfid系统如果是由一个读写器和多个电子标签组成的话就有可能会出现多个电子标签同时向读写器传输数据的情况就会发生信道冲突这样读写器就不能读到电子标签传输的数据所以rfid系统必须建立一种仲裁机制来防止这种情况的发生
这些问题都有待于继续研究以期得到最大程度的解决，来适应更复杂、更
改进的RFID标签识别防冲突算法
改进的RFID标签识别防冲突算法王春华;许静;彭关超;李湛【摘要】针对射频识别(RFID)系统中多个标签同时与读写器进行数据交换时引起的冲突问题,提出了一种改进型的基于堆栈的RFID二进制树防冲突算法(IBSTS).该算法利用位冲突检测机制,有效地降低了冲突的概率;并采用堆栈方法避免了识别过程中每次从树根部进行请求的不足,进一步降低了请求次数,提高了识别效率;利用该算法可以准确地判断出每位冲突位,故而在标签响应时仅需要发送冲突位上的数据,从而降低了标签传输的数据量.仿真结果表明,相对于传统的二进制树防冲突算法而言,提出的算法在读写器请求次数和标签传输数据量方面均有很大降低,尤其在标签数量较多时,其降低的程度更为显著.%In order to avoid the problem of the tag collision in a Radio Frequency Identification(RFID) system, this paper proposes an Improved Binary Search Tree anti-collision algorithm based on Stack(IBSTS).The bit collision detection is adopted in this algorithm, which effectively reduces the probabilities of collision.And the stack is also used, therefore the total times of identification are further reduced and the efficiency is improved.lt can accurately determine where a collision arises, and only the data from collision bit is needed,then the transferred data is reduced.The simulation result shows that the proposed algorithm can significantly reduce the times of identification and the transferred,and the effect of performance improvement is more obvious when the system has a large amount of tags.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2011(047)031【总页数】5页(P104-107,219)【关键词】射频识别;防冲突;二进制搜索树;堆栈【作者】王春华;许静;彭关超;李湛【作者单位】湖南大学计算机与通信学院,长沙410082;湖南大学计算机与通信学院,长沙410082;湖南大学计算机与通信学院,长沙410082;湖南大学计算机与通信学院,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TP301.61 引言射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术[1]。
一种标签防冲突算法设计
一种标签防冲突算法设计周晓;曹美玲;李杰;边裕挺【摘要】To solve the problem of signal collision, which is caused by multiple labels using a shared channel with the tag reader communication signal, in RFID ( Radio Frequency Identification) system, a new tag anti-collision algorithm-SRPD-ABS(Self Regulation Piggyback Detect ABS) is proposed. It can read multi-tag signal and identify multi targets from them. SRPD-ABS algorithm is proposed based on ABS (Adaptive Binary Splitting). The piggyback detect technique is used in it. It can not only avoid conflict between the staying tags, but also avoid collision between the new arriving tags and the staying tags. It can also reduce the idle time slot and shorten the identification delay. Through simulation, SRPD-ABS has a better performance than ABS.%针对RFID系统中,多个标签使用共享信道与读写器通信引起的标签信号冲突问题,提出了具有捎带检测技术的标签防冲突算法SRPD-ABS,能够实现多标签信号的读取,完成多目标识别.SRPD-ABS算法基于ABS算法思想,采用捎带检测技术,不但能够避免滞留标签之间的冲突,还能避免新到标签和滞留标签的冲突,减少空闲时隙的产生,从而缩短识别延迟.通过仿真,和ABS算法对比发现,SRPD-ABS算法具有更好的识别性能.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2011(039)006【总页数】4页(P679-682)【关键词】防冲突算法;RFID;智能交通;离开率;到达率【作者】周晓;曹美玲;李杰;边裕挺【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032;浙江工业大学计算机科学与技术学院,浙江杭州310032;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032【正文语种】中文【中图分类】TN911射频识别（Radio frequency identification，RFID）技术是一种自动识别技术，广泛应用在智能交通、物流、零售及医疗等领域，是物联网发展的重要技术之一.典型的RFID系统，通常包括一个读写器和若干个有唯一ID的标签.读写器和标签采用无线射频的方式通信，通过读取标签ID，获得标签数据信息［1］.通信时，在上行链路，多个标签共享同一条通信信道，可能会造成信道访问冲突，因此在通信过程中，需要有高效的防冲突算法，减少冲突，降低误读率和漏读率，提高系统的性能.现有的标签防冲突算法采用时分多址（Time division multiple access，TDMA）思想，分为两大类，分别是基于Aloha的防冲突算法和基于二进制树的防冲突算法.基于Aloha的防冲突算法有纯Aloha［2］、时隙 Aloha（Slotted aloha，SA）［2－3］、帧时隙Aloha（Frame slotted aloha，FSA）［3］和动态帧时隙Aloha（Dynamic framed slotted aloha，DFSA）［3］.基于 Aloha算法能够避免部分冲突，提高读写器的工作效率，但是随着标签数量的增加，该算法存在不稳定性，容易引起标签饥饿等问题，因此以二进制树为基础的算法获取了更好的应用.典型基于二进制树的算法有基本二进制树算法（Binary tree，BT）［4］、查询二进制树算法（Query tree，QT）［5］、动态二进制树分裂算法（Adaptive binary splitting，ABS）［6－7］.在RFID技术的应用中，通常读写器需要重复识别标签，并且读写器可读范围内标签的数量是变化的.在读写过程中，有些标签存在于当前读写周期，但不存在于下个读写周期，被称为离开标签；有些标签既存在于当前读写周期又存在于下个读写周期，叫做滞留标签；只存在于下个读写周期的标签被称为新到标签.Jihoon Myung和 Wonjun Lee提出的ABS算法能够完全避免滞留标签之间的冲突，但是不能避免滞留标签和新到标签的冲突，当离开标签较多时，会造成很多空闲时隙.因此笔者基于ABS算法思想，提出了具有捎带检测功能的标签防冲突算法（Self regulation piggyback detect ABS，SRPD-ABS），不但能够避免滞留标签的冲突，而且能够避免滞留标签和新到标签的冲突，还能够利用捎带检测技术，提前对下个时隙进行调整，在不增加冲突时隙的同时，能够更多的减少空闲时隙，缩短识别延迟，提高识别效率.ABS算法在基于二进制树的算法中，有较好的防冲突性能，但是该算法只能避免滞留标签之间的冲突，不能避免滞留标签和新到标签的冲突，并且离开标签过多时，会造成更多空闲时隙.笔者提出的SRPD-ABS算法不但能够避免滞留标签和新到标签的冲突，而且能够利用捎带检测技术，检测下个时隙是不是有标签响应.所谓捎带检测指在当前时隙，读写器除读取本时隙要读取的标签的ID外，还能根据是否收到下个时隙要发送ID的标签的“存在”信号，向标签发送一个指令，标签看到指令，如果下个时隙没有标签发送ID，新到达的标签自动进行调整，满足条件的标签发送ID，这样能够避免部分空闲时隙，提高信道的利用率.算法具体思想如下：第一个周期，SRPD-ABS和ABS执行过程相同.在Ci（i＝2，…，n）周期，每个标签有三个变量 PSC，ASC和TSC i－1，PSC表示在当前周期已经识别的标签的个数；ASC指示标签在哪个时隙发送自己的ID，TSC i－1标识上个周期识别结束时的TSC值.读写器有三个变量PSC，TSC和TSC i－1.读写器的PSC和TSC i－1变量定义同标签，并且有相同的值，TSC用来标识最大的ASC值.按照文献［8］的标签估计策略，估计新到标签的个数，新到标签的个数用New-count表示，新到标签的ASC为1～New-count中一个随机数加TSC值.滞留标签保留上个周期的ASC值.对读写器回馈信号作如下定义［9］：I，0：空闲时隙，且没有未被识别的新到标签.I，1：空闲时隙，且有未被识别的新到标签.C：冲突时隙，有两个或两个以上的标签响应.R，0：当前时隙可读，下个时隙没有标签响应.R，1：当前时隙可读，下个时隙有标签响应.识别过程中ASC＝PSC的标签发送ID，ASC＝PSC＋1的标签发送“存在”信号.读写器检测到标签的信号，根据标签信号发出回馈信号，标签根据回馈信号，调整PSC和ASC的过程如下：I，0：如果标签的ASC＞PSC，ASC＝ASC－1.I，1：如果标签的 ASC＝TSC i－1＋1，ASC＝PSC；如果标签的ASC＞TSC i－1＋1，ASC＝ASC－1.C：标签随机选择0或1，如果标签选择1，当PSC≤TSC i－1时，陷入冲突的标签 ASC＝TSC i－1＋1，没有陷入冲突且ASC＞TSC i－1＋1的标签，ASC＝ASC ＋1；当PSC＞TSC i－1时，如果标签ASC≥PSC，标签 ASC＝ASC＋1.如果标签选择0，ASC不变.R，0：标签的识别个数计数器PSC＝PSC＋1，当PSC≤TSC时，如果 ASC＝TSC i－1＋1，ASC＝PSC，如果ASC＞TSC i－1＋1，ASC＝ASC－1.R，1：标签的识别个数计数器PSC＝PSC＋1.读写器操作部分，当PSC≤TSC时，读写器收到标签的信号，判断当前状态.如果有两个或两个以上标签发送ID，发生冲突，读写器发送回馈信号“C”；如果只有一个标签发送ID，读写器接收标签ID，PSC＝PSC＋1，如果PSC＞TSC i－1＋1，TSC＝TSC＋1，读写器再检测有没有标签发送“存在”信号，如果有，读写器发送回馈“R，1”；否则，发送“R，0”.如果没有标签发送ID，当空闲时，如果有新到没被识别的标签，读写器发送“I，1”，如果新到标签都已识别完，读写器发送“I，0”，并令TSC－1.为了进一步研究SRPD-ABS算法性能，本节对ABS算法和SRPD-ABS算法识别延迟进行分析［9］.假设在C1识别周期，有n个标签，D ABS（C1）为C1周期的总的识别延迟，这个周期的识别延迟和BT算法相同，有式中：DC，D R，D I分别为冲突时隙、可读时隙和空闲时隙数，并且DR＝n，有标签的识别过程是一个马尔可夫过程［10］，因此在Ci（i＝2，…，n）周期，需要有上个周期的识别结果作为依据.在Ci（i＝2，…，n）周期，所有要识别的标签分为两类，滞留标签和新到标签，这两类标签的个数是影响识别延迟的重要参数，Ci周期的识别延迟不能简单用公式（2）来表示.文献［6－7］中，假设D ABS （Ci｜Ci－1）为Ci 周期总的识别延迟，离开的标签为β个，新到的标签为α个，则有在C1周期，SRPD-ABS算法和ABS算法具有相同的识别延迟，下面对Ci（i＝2，…，n）周期进行分析.在Ci 周期，假设D SRPD－ABS（Ci｜Ci－1）为Ci 周期总的识别延迟，离开标签为β个，新到标签为α个，有证明：Ci－1周期识别结束，因为有β离开标签，那么就会有n－β滞留标签，因此首先需要n－β可读时隙.当α＞β时，新到标签中，有β个填补离开标签所致的空闲时隙，剩下的α－β个新到标签的识别延迟等于采用ABS算法的识别延迟.当α＜β时，所有新到标签都在离开标签形成的空闲时隙完成，另外还会有β－α个空闲时隙.两种情况下，标签选择识别时隙均服从二项分布，因此得到公式（4）.下面通过算法仿真，对SRPD-ABS算法和ABS算法进行分析比较.RFID标签防碰撞算法通常把碰撞时隙、空闲时隙和可读时隙作为重要的衡量指标.在标签的识别过程中，到达率和离开率是影响识别时隙重要参数.定义：假设在Ci－1周期，共识别了n个标签，在Ci周期，滞留标签有n－β个，新到标签有α个，标签的离开率图1以离开率和到达率作为变量，模拟两个变量对SRPD-ABS算法和ABS算法的识别延迟的影响.图1中曲面2表示SRPD-ABS算法的识别延迟，曲面1表示ABS算法的识别延迟.假设上个周期识别500个标签，由图1可以知，离开率在0.64～1之间时，ABS在部分区域略胜一筹，离开率在0～0.64之间时，SRPDABS远远好于ABS.到达率和识别延迟之间呈线性关系，随着到达率的增加，识别延迟也在增加.在RFID系统中，由于多个标签同时与读写器通信引起冲突，导致更大的识别延迟，笔者基于ABS算法的基本思想，提出其改进算法SRPD-ABS算法，利用捎带检测技术，根据前一个周期的识别结果，提前一个时隙检测下个时隙标签的响应情况，如果发现空闲，可以提前做出调整，避免更多空闲时隙的产生.根据仿真结果，模拟实际应用环境，SRPDABS算法产生比ABS算法少的冲突时隙和空闲时隙，有效减少识别延迟，提高识别效率.【相关文献】［1］FINKENZELLER K.射频识别（RFID）技术［M］.陈大才，译.北京：电子工业出版社，2001. ［2］TAO Cheng，LI Jin.Analysis and simulation of RFID anti-collision algorithms［C］／／International Conference on Advanced Communication Technology.New York：IEEE Press，2007：697-701.［3］SHIH D H，SUN P L，YEN D C.Taxonomy and survey of RFID anti-collision protocols ［J］.Computer Communications，2006，29（11）：2150-2166.［4］CHEN W C，HORNG S J，FAN Ping-zhi.An enhanced anticollision algorithm in RFID based on counter and stack［C］／／Second International Conference on Systems and Networks Communications.New York：IEEE Press，2007：21-24.［5］WANG T P.Enhanced binary search with cut-through operation for anti-collision in RFID systems［J］.IEEE Communication Letters，2006，10（4）：236-238.［6］MYUNG J，LEE W J.Adaptive binary splitting for efficient RFID tag anti-collision ［J］.IEEE Communication Letters，2006，10（3）：144-146.［7］LAI Y C，LIN C C.Two blocking algorithms on adaptive binary splitting：single and pair resolutions for RFID tag identi？cation［J］.IEEE／ACM Transactions on Networking，2009，17（3）：962-975.［8］EOM J，LEE T J.Frame-slotted Aloha with estimation by pilot frame and identification by binary selection for RFID anti-collision［C］／／International Symposium on Communications and Information Technologies.New York：IEEE Press，2007：1027-1031.［9］CAO Mei-ling，ZHOU Xiao，ZHU Yi-hua.An anti-collision algorithm for RFID tags based on adaptive binary splitting［C］／／International Conference on Computer and Electrical Engineering.New York：IEEE Press，2010：307-311.［10］VOGT H.Efficient object identification with passive RFID tags［C］／／International Conference on Systems，Man and Cybernetics.New York：IEEE Press，2002：98-113.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一种简单高效的RFID防冲突算法柳本金，丁海健北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京 (100876)E-mail：liubj@摘要：本文在分析研究以往两类RFID防冲突算法的基础上，结合两者的优点提出了一种基于时隙的改进算法。
通过仿真与其它防冲突算法相比在识别数量稳定的情况下，本文提出的算法具有更好的效果。
关键词：RFID，防冲突算法，射频卡识别中图分类号：TN9111.引言射频识别技术RFID (Radio Frequency Identification)是目前国内外发展很快的一项新技术。
该技术是采用先进的射频技术，实现对各类物体或设备标号的自动识别，从而对其进行管理。
射频识别技术能无源，并快速地识别多个物体或设备，能应用于许多场合。
随着RFID 卡片端成本的不断降低以及体积的不断变小，其应用必将越来越多。
在射频卡的识别中，需要解决的一个问题是冲突问题。
当多个射频卡同时发送数据时就会产生信道冲突，使得读写头不能读出射频卡的信息。
故防冲突算法一直是RFID中重要研究内容之一。
2.目前进展目前的防冲突算法分两大类，一是基于曼切斯特编码的二进制搜索算法及其改进算法，二是基于随机数产生器的时隙算法及其改进算法，下面分别介绍。
2.1 二进制搜索算法及其改进算法在二进制搜索算法中，射频卡的ID号必须采用曼切斯特编码。
曼切斯特码（Mancherster）可在多个射频卡同时响应时，译出错误位置，可以按位定出发生冲突的位置。
根据冲突的位置，搜索射频卡[1]。
二进制搜索算法只能识别ID号唯一的情况。
图1 基于动态二进制搜索的二叉树搜索结构树改进的算法有动态二进制搜索算法，算法改进的地方是对没有发生冲突的ID位只传送一次。
这样就减少了重传的数据，提高了效率[1]。
文献[2]中所提的基于动态二进制的二叉树搜索结构RFID反碰撞算法是对二进制搜索算法的改进。
它的思想是对每次识别的冲突位进行分类，分成0、1两部分，从而形成一颗二叉树[2]，如图1。
2.2 时隙算法及其改进算法时隙算法规定射频卡传送其ID号所用的时间为一个时隙，如果每个射频卡在不同的时隙段发送其ID号，就能避免冲突。
算法的关键是怎样为不同的射频卡确定其所在的时隙，一般是采用随机数的策略。
算法过程如图2。
图2 时隙算法流程图ISO 18000-6A[3]和18000-6B[4]规定了这种时隙的标准算法。
目前国内比较好的算法是文献[5]提出的一种新颖的RFID防冲突算法，算法基于随机数产生时隙，并分群快速识别多个射频卡[5]。
国外比较好的算法是文献[6]中一种改进的算法，已在欧美得到实用。
3.改进算法通过对以前RFID防冲突算法两类方法的分析与研究，结合这两种方法的优点，本文提出了一种新的算法。
3.1 算法介绍与分析本文提出的算法是在时隙的基础上利用各个ID号尾数不同的特点，同时结合随机数来实现防冲突的目的。
对于多个需要识别的射频卡，考虑它的低N位ID号，产生2N个时隙。
各个射频卡在它的低N位的ID值所在时隙发送其ID号。
在一个时隙段，如果有两个以上的射频卡（具有相同低N位ID值的射频卡）发送数据，则产生冲突，此时产生随机数来区分；如果只有一个射频卡发送其数据，则可读出其ID；如果没有射频卡发送数据，则等待一个较短的时间发现没有数据，则取消这个时隙。
总之算法的思想就是要尽量减少等待和冲突的时间，从而提高防冲突的效率。
算法步骤如下：1.n个射频卡进入读写范围，感应读写头发出的射频，获得能量，处于激活状态。
2.读写头发送第一个控制命令，这个命令使得各个射频卡将它的ID号的低N位放入寄存器，如这N位组成的值为零则发送这个射频卡的ID号。
3.如果只有一个射频卡发送其ID则读写头读出此ID。
此时读写头判断总时隙是否满，是则结束，否则转6。
4. 如果有多个射频卡发送其ID 则发生冲突，则要增加a 个时隙，读写头发送冲突控制命令，各个射频卡如果寄存器值为零则产生N 1个随机数放入寄存器中（2N1＝a ），否则寄存器的值加上a ，如寄存器的值为零则发送这个射频卡的ID 号，转3。
5.如果1/b 个时隙后读写卡没有接到任何数据，则此时读写头判断总时隙是否满，是则结束，否则转6 6.读写头发送减1控制命令，每个射频卡接到此命令后，将其寄存器的值减1，如寄存器的值为零则发送这个射频卡的ID 号，如小于零则此射频卡不再激活，转3。
从步骤中可以看出射频卡需要实现的几个操作命令是：将卡的ID 号读入寄存器、产生随机数压入寄存器、对寄存器进行加减操作、判断是否为零，这些都是一些比较简单的命令可以快速的实现，且消耗小。
信道利用率是衡量一个防冲突算法效率的标准，其值是传输数据时总的时间除以整个识别过程所用的时间。
如在本算法中产生的冲突次数为c ，因冲突而增加的周期数为T ，则期信道利用率Y 的计算公式为：Y b n 2T n nN −++= …………………………… 3.1在式3.1中，需要权衡的是N 的值。
怎样对N 取值才能更大的发挥算法的优点？下面对其进行仿真并分析。
3.2 仿真分析对上面的算法我们来进行模拟，模拟的过程是先产生一些射频卡的卡号，卡号是随机产生的，我们的任务就是识别这些随机产生的卡号。
假设需要识别的射频卡个数n 为16个，射频卡的ID 号为64位，需要识别的卡号只有后面15位不同，前面的49位相同，故产生的随机数的范围为：0～216-1。
a 的值取4（即N 1＝2），识别的个数n ＝15，b ＝10，样本数m ＝10000，N 的值我们取2，3、4、5、6、7来进行对比，对产生的随机数允许重复。
完全模拟整个算法过程，并记录产生的冲突的次数C 和增加的总周期数T ，根据式3.1即可计算出信道利用率的期望值。
结果如表1。
表1 仿真的结果数据 N 的取值2 3 4 5 6 7 总冲突次数C46606 35902 22772 12759 6610 3297 增加的总周期数T173144 14128678184 47708 26188 13188 平均信道利用率Y 0.6525 0.69230.7435 0.7233 0.6151 0.4499算法中N 的取值是关键，直接影响到算法的效率。
从图3中我们可以看出N 的值取得使之2N 于识别的个数附近。
当然N 的值可以变换以适应不同的场合，但是一般读写头读取射频卡的时间固定，故N 的值一般也是固定，这样也简化了射频卡的逻辑处理，从而降低了功耗。
图3 信道利用率与N的关系从上面的模拟仿真中可以看出信道利用率还是挺高的，达到了60％~74％。
与文献[7]中的基于后退式索引的二进制树形搜索反碰撞算法的信道利用率在50％左右相比，本文的方法不仅信道利用率比其高，而且不需要曼切斯特编码故更易于实现，响应更快速[7]。
与文献[5]中提出的新颖的RFID防冲突算法相比，因为考虑了射频卡的ID值和减少了等待的时间，在识别物品个数稳定的情况下具有比其更好的性能。
4.结论本文提出了一种尽量减少等待时隙的提高RFID防冲突效率的方法。
这种方法是对以前两种方法的折中，在识别数量稳定的一些场合（比如机场的物件识别）等情况下具有很好的信道利用率，且能识别重复的ID。
使本方法适应更多的场合也是以后研究发展的方向。
参考文献[1]徐丽香, 蓝运维. RFID二进制搜索法防碰撞的实现［J］. Microcontrollers &EmbeddedSystems,2006年第5期[2]李兴鹤，胡咏梅，王华莲. 基于动态二进制的二叉树搜索结构RFID反碰撞算法［J］. 山东科技,第19卷第二期[3]ISO18000-6A 标准:Information technology automatic identification and data capture techniques-Radiofrequency identification for item management air interface-Part 6:Parameters for air interface communications at 860-960MHz［S］[4]ISO18000-6B 标准:Information technology automatic identification and data capture techniques-Radiofrequency identification for item management air interface-Part 6:Parameters for air interface communications at 860-960MHz［S］[5]张明，张建华, 徐国鑫, 张平. 一种新颖的 RFID 防冲突算法［J］. 《电子技术应用》2006 年第6期[6]ISO18000-6C 标准:Information technology-Radio-frequency identification for item management-Part6C:Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960MHz. ［S］[7]徐松森，詹宜巨，彭卫东，赵振宇. 基于后退式索引的二进制树形搜索反碰撞算法及其实现［J］. 计算机工程与应用，2004年16期A simple and efficient Anticollision algorithm for RFIDLiuBenjin, DingHaijianComputer Science and Technology school, Beijing University of Post and Telecommunication,Bejing (100876)AbstractIn this paper, two previous anticollision algorithms for RFID are studied, and a new better algorithm based on timeslot and combined with the advantages of the two algorithms is proposed. Through simulation, this method is better than other methods in the situation that the numbers of Radio Frequency Cards are stable.Keywords: RFID, Anticollision algorithm, Radio Frequency Identification。