实验室仪器管理中RFID 多标签识别防碰撞算法研究

龚玉梅，胡金艳

（上海第二工业大学计算机与信息工程学院，上海 201209）

在新时代新工科建设的大背景下，相关高等院校均致力于提高学生的工程素养。实践教学在高等院校教书育人中的地位不断提高，实验室规模不断扩大，仪器设备数量逐渐增多。传统教学实验室向开放性创新实验室转型，对于以服务学生为中心的实验室设计，其开放性和流动性大大增强。在这种需求背景下，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术得到了广泛的关注，该应用相较于传统的实验设备手动信息扫描、登记和管理，可以远距离批量化进行仪器设备信息的获取与修改，大大提高了仪器设备的信息管理效率，降低了实验室仪器管理中的相应成本[1-7]。

在实际应用中，由于实验室仪器设备种类和数量的日趋多样化，射频识别技术中的读写器在识别范围内通常会包含多个电子标签。读写器与多个电子标签间的无线通信信道共享必然引起通信链路上的数据碰撞，导致数据无法正确读取，电子标签信息无法正确识别，降低了无线信道传输效率，影响了实验室仪器设备的有效识别率。针对高等院校实验室仪器管理的应用场景，如何优化多个RFID 标签的识别算法，降低多个电子标签间的数据碰撞概率，提高仪器设备的识别效率，成为了该应用场合中的关键技术之一。

1 无线射频识别技术

无线射频识别技术在各种物联网技术中得到广泛的应用，如物流管理、车辆识别、产线生产、智能仓储等多个方面。该技术与传统的纸质和磁性标签相比，具有防水、防磁、快速、简便等特点。RFID 技术完成物体标签信息读取和处理的方式具有较强的应用价值和前景。无线射频读写器、电子标签、射频收发天线、RFID 中间件和RFID 应用软件构成了典型RFID 系统，如图1 所示[8]。

无线射频读写器与电子标签的射频天线起到了收发无线射频信号的作用，建立了无线信道的连接。系统高层应用软件实现系统与用户之间的信息交互，用以传达用户的需求和意图。RFID 中间件主要起到了应用层与射频链路层之间的连接作用，对电子标签信息进行采集和处理，并解析应用层的命令。

在实验室仪器管理的典型应用环境中，通常只有一个读写器，仪器设备端安装电子标签，由于实验室仪器使用寿命约为五到十年，考虑到仪器端的电子标签使用周期，一般使用无源标签和半有源标签，且采用一主多从式的系统架构，其工作流程如图2所示。

图2 RFID系统工作流程图

1）应用系统软件根据用户需求，发出信息采集要求。

2）读写器根据系统指令，进行相关编码调制，发出无线射频信号。

3）电子标签接收到读写器发送的指令，通过天线感应到电流后，电子标签被唤醒。

4）电子标签通过无线天线发射信号，传送自身的识别信息，对读写器响应。

5）读写器将接收到的信息进行相关处理，并传送给系统应用层。

6）系统应用层根据用户需求及相关逻辑运算和基本计算，进行相应的处理，并进一步发出响应指令，控制读写器作相应的处理和指令发送。

2 多标签防撞算法

RFID 系统利用无线通信信道，在多个电子标签存在的应用中，共享信道上必然发生数据冲突，通常解决信道冲突的方法主要有以下几种[9-10]。

1）空分多路利用定向天线技术，可在读写器作用范围内在不同角度进行定向读取对应不同的电子标签，该技术中天线设计较为复杂。

2）频分多路在无线通信链路中通过频率调制方法，分别读写相应频点的电子标签信息，从而避免数据冲突。该技术增加了收发端的电路复杂度。

3）码分多路通过在发送端和接收端使用伪随机码进行相关调制解调，达到扩频的目的，该技术增加了收发端的信息处理复杂度。

4）时分多路将信息的传输时间切分成若干个时间间隔（Time Slot，TS，又称时隙），每个时隙只有一路通信，目前该方法较为简单易行，成本也较低。

针对物联网应用的大背景，前3 种方式的技术手段相对复杂，增加了读写器和电子标签端的设计复杂度和成本，尤其是电子标签数较多的情况下。目前在RFID 系统中，时分多路的防碰撞方法应用较为广泛。其中，纯ALOHA 算法及其改进算法具有较强的应用优势，文中将对纯ALOHA 算法和时隙ALOHA算法进行比较分析[11-17]。

2.1 纯ALOHA算法

纯ALOHA 算法所采用的算法逻辑为电子标签端随机接入，简单易行，非常适用于一主多从式的无线通信网络，该算法是一种随机发送和竞争发送协议。在电子标签识别过程中，读写器处于接收位置，电子标签主动进行信息发送，各设备间不需要时钟同步，降低了设计成本。

在某一读写器识别范围内，电子标签随机地在信道上发送信息给读写器。如果检测到数据发生冲突，相应的电子标签将等待一段随机时长后，进行信息重发。由于等待的时长随机，对各电子标签的应答时间进行了分散处理，从而在一定程度上规避冲突和碰撞，提高了电子标签的识别率和信息传输的效率。纯ALOHA 算法原理示意图如图3 所示。

图3 纯ALOHA算法原理示意图

图中以3 个标签随机发送信息为例，若同一时刻无线通道上出现了两个以上的标签正在发送信息，就出现了数据碰撞。多个电子标签进行数据的随机发送时，在无线共享信道中将会不可避免地发生数据碰撞。由于各电子标签的随机发送是异步的，因此往往会出现部分数据冲突和完全数据冲突两种情况。

假设在单读写器识别范围内，有n个标签在单位时间内发送数据，其分布符合泊松分布，则响应读写器的概率为：

其中，λ为响应读写器的单位时间内的平均标签数。

设标签发送数据包的时间为T，则数据未发生碰撞的概率为：

发送的总数据率G为：

信道的吞吐率S为：

2.2 帧时隙ALOHA算法

帧时隙ALOHA（Framed Slotted Aloha，FSA）算法引入了同步的概念，将每一帧分成若干个时隙，单个时隙长度必须大于收发数据的长度，以保证数据包的传输完整性。读写器范围内的电子标签不能随意发送数据，必须随机选择某个时隙的起始点进行数据发送。

如图4 所示，在信息传输中包含以下时隙：1）空闲时隙，信道处于空闲状态，无电子标签进行数据传输；2）应答时隙，仅有一个电子标签在该时隙发送数据；3）碰撞时隙，多个电子标签同时发送数据，数据发生碰撞。

图4 帧时隙ALOHA算法示意图

如图4 所示，图中以3 个电子标签选择时隙进行随机发送信息为例，黑色部分为发生数据冲突时隙。各个电子标签之间通过时钟同步，使得数据传输的起始时刻必须为某一时隙的起始点，因此在无线共享信道上消除了部分冲突的可能性，仅存在数据的完全冲突。

设在信息传输中，每一帧切分成L个时隙，在某一读写器的识别范围内，可以被识别的电子标签数为N，则单个电子标签随机选择进行数据发送的概率为，被读写器成功识别的概率为：

通过理论计算，系统的吞吐率为：

3 仿真与验证

根据高等院校实验室实验设备的基本硬件布局和RFID 的相关工作参数，选用甚高频工作频段，其工作距离能够覆盖实验室仪器放置的基本范围。同时该频段的电子标签主要为无源和半有源两种方式，具有使用寿命长、功耗低等特点，满足实验室仪器管理的日常需求。文中以单个读写器对多个实验设备进行识别的工作模式为主要仿真对象，对纯ALOHA算法和帧时隙ALOHA算法进行仿真和验证。

在纯ALOHA 算法中，以一个阅读器为主服务器，对识别范围内2～200 个电子标签进行随机的数据发送，检测各个电子标签之间的数据发送时间是否有重叠。当发生数据碰撞后，各标签进行随机延时重发。仿真结果如图5 所示。在多个电子标签的RFID 系统中，电子标签数目的增加带来信道上数据碰撞概率的增大，而发送成功率逐步降低，信道的有效数据吞吐率峰值为0.18 左右。

图5 纯ALOHA算法仿真结果

在帧时隙ALOHA 算法中，选择固定的循环时隙，通过读写器向电子标签发送命令确保各标签的同步。各电子标签随机选择某一特定时隙进行数据发送。如果在信道上检测到数据碰撞，则电子标签将重新随机选择时隙进行数据重发。

考虑到在实验室仪器日常管理中，实验室仪器设备数量较为稳定，作用范围内的电子标签数相对固定，在仿真分析中，设定帧内时隙为固定个数。随着电子标签数增加后带来数据包量的显著增加，数据冲突增多，通过仿真软件对信道的吞吐率进行进一步分析，仿真结果表明，峰值信道吞吐率可达0.37，如图6 所示。

图6 帧时隙ALOHA算法仿真结果

4 结束语

射频识别技术（RFID）以其特有的优势，在实验室仪器管理中被广泛地应用。随着实验室仪器设备密集度的增大，多个电子标签系统中的数据碰撞算法在提高信息识别获取上的作用越发显著。文中通过对实验室仪器管理的应用场景和多标签数据防撞的机理进行仿真验证，结果表明，帧时隙ALOHA 算法通过时隙同步的引入，消除了部分碰撞的可能性，相较于传统纯ALOHA 算法，大大提高了系统的数据吞吐率。同时，帧内固定时隙个数的方法在实验室仪器设备数量变化较频繁的场合下，有一定的局限性。随着实验室仪器设备开放性和流动性的增强，同一实验室空间下的仪器设备数量和种类将会发生变化，相应地，某一读写器范围内的电子标签数目可能会出现动态变化，可以在此基础上探索时隙数的动态可调算法，增强系统的普适性。