RFID随机竞争类防碰撞技术研究

陆霞

摘要：标签碰撞一直是影响RFID系统工作性能的重要因素之一，解决标签碰撞问题，可以提高阅读器的识别效率，信道的利用率。该文对基于ALOHA算法的随机竞争类防碰撞技术进行分析和研究，并对各类技术的特点作出总结。

关键词：RFID；ALOHA；防碰撞

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）21-5102-03

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是利用射频信号通过无线电波或空间耦合实现能量和数据信息传递的一种非接触式自动识别技术。RFID因其无需人工干预、识别速度快、距离远、批量识别等优点，被誉为21世纪最具发展前景的技术之一。目前，被广泛应用于供应链管理、自动化生产、智能交通等多个领域，是物联网实现的关键。

RFID系统实际在工作时，在阅读器可读取范围内，可能有多个标签同时向其发送数据，阅读器就无法正确获取相关数据，即为标签碰撞。选择好的防碰撞算法可以降低阅读器的识别时间，提高系统的工作效率。

为了解决标签防碰撞问题，目前主要采取两种设计类型：随机竞争类防碰撞算法和确定性防碰撞算法[1]。确定性防碰撞算法主要是基于二叉树进行设计的，包括二进制搜索算法、动态二进制搜索算法、动态查询树算法等。由于这类算法在标签发生碰撞时，没有随机的延时等待过程，识别时间可以确定，整个过程不存在随机性，所以称为确定性防碰撞算法。确定性防碰撞算法由于对每种可能性都会进行遍历，会导致阅读器的识别时间延长，尤其是标签数量过多时，算法的效率会明显降低。

本文主要对随机竞争类防碰撞算法进行分析和介绍，并对每种算法进行性能总结。

1 RFID系统简介

典型的RFID系统的工作前端由电子标签和读写器两个部分构成。其中，电子标签由标签芯片和天线封装而成，电子标签保存被识别物体的信息，附着在物体表面，物体信息通过天线，使用射频原理传递给读写器。

在复杂的物联网环境下，应用环境中的多标签、多读写器、外部噪声等很多因素，都会影响到RFID技术的大规模使用。在标签防碰撞方面，必须考虑标签本身内部的结构和成本问题。目前，防碰撞方案主要建立在空分多址（SDMA）、频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）三种多路复用技术之上。

2 随机竞争类防碰撞算法

2.1 ALOHA算法

ALOHA算法是标签防碰撞算法中最简单的一种，是基于TDMA的思想进行通信的。在ALOHA算法中，标签中只存储简单的数据序列号，当标签位于阅读器范围内的时，标签主动将数据帧发送给阅读器，若有其他标签也在发送数据帧，则发生碰撞。

这里的碰撞有两种形式：部分冲突和完全冲突。部分冲突是指多个标签发送的数据帧中只有部分出现重叠；完全冲突是指碰撞标签发送的数据帧每位都发生重叠。

ALOHA算法的识别过程是：

① 阅读器随时处于侦听状态。

② 标签随机向阅读器发送数据帧。

③ 阅读器判断是否发生碰撞。

④ 如果没有发生碰撞，阅读器正确识别；如果发生碰撞，阅读器命令所有标签停止数据帧发送，延长随机的一段时间后，重新发送。

假设时隙ALOHA算法的碰撞周期为[T]，[λ]代表平均每秒发送的标签信息帧数

ALOHA算法是一种随机接入算法，标签不需要同步工作，可以在任意时间段随意发送数据，随机性大，吞吐率低，只是用于实时性要求不高的场合。所以，它也是一种纯ALOHA算法。

2.2 时隙ALOHA算法

时隙ALOHA算法把时间分为多个固定的时间段，每个时间段又分为若干个相等的时隙，时隙长度由系统时钟决定。系统规定，只有在每个时隙的临界处，标签才可以向阅读器发送数据帧，并且标签数据帧的传送过程必须在固定的一个时隙内完成。如果发生碰撞，则必须等待下一个时隙再发送。

在时隙ALOHA算法的每个时隙内，只有空闲、正确接收、碰撞三种情况发生。由于严格控制标签发送的时间，所以，如果在一个时隙内没有其他标签发送数据，就一定不会产生碰撞。

假设时隙ALOHA算法的碰撞周期为[T]，[λ]代表平均每秒发送的标签信息帧数，则[t]秒内标签发送的数据帧数为：

2.3 动态帧时隙ALOHA算法

动态帧时隙ALOHA算法主要通过识别标签的数量来改变帧的长度，当标签数量大于数据帧的时隙时，阅读器根据发生碰撞的标签数量适当增加时隙数；当标签数量小于数据帧时隙时，阅读器适量减少时隙数。

目前比较流行的估计标签数量的方法主要有两种：

①使用估算函数

这种方法估算的依据主要是，当发生碰撞时，一个时隙中至少同时存在两个标签，则标签数量估算函数为：

3 总结

随机竞争类防碰撞算法是建立在ALOHA算法之上的，可以根据RFID系统的特点进行改变。它的本质是分离标签的应答时间，使标签在不同的时隙内发送数据，一旦发生碰撞，采用退避原则，等待下一个周期[3]。所以这一类算法的缺点是随机性比较大，当标签数量过多，识别的复杂度会提高，系统吞吐率也比较低。

参考文献：

[1] 单剑锋，陈明，谢建兵.基于ALOHA算法的RFID防碰撞技术研究[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2013（1）.

[2] 谢振华，赖声礼，陈鹏. RFID技术和防冲撞算法[J].计算机工程与应用，2007 ，43（6） ：223-225.

[3] 于佳，肖丽萍.基于ALOHA算法的RFID防碰撞技术研究[J].电子技术，2009，36（8） ：43-45.

[4] 俞晓磊，于银山，汪东华.物联网环境下RFID防碰撞及动态测试关键技术研究[J].物联网技术，2012（7）：25-29.