1 引言

　　射頻識別技術（RFID，Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術，與條形碼識別相比，具有識別距離長、無需人工干預、存儲容量大等特點。根據(jù)RFID 系統(tǒng)調制載波頻率不同，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/標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）、主機管理系統(tǒng)和網絡。很多應用場合，在讀寫器信號作用范圍內需要對多個物體進行識別，此時多個標簽與讀寫器之間的通信，存在信道爭用問題。傳統(tǒng)的信道爭用，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）和時分多址（TDMA）。

　　但在RFID 系統(tǒng)中，除了受復雜性和成本的制約，還要解決本身通信的因素，如無源標簽需其提供能量、標簽總數(shù)未知、碰撞判決需讀寫器控制、防碰撞協(xié)議要簡單易實現(xiàn)等。

　　在 RFID 無源標簽系統(tǒng)中，目前廣泛使用的防碰撞算法大都是基于TDMA，比較經典的兩類基本方法是：基于Aloha 算法和基于二進制樹搜索算法。對于UHF 頻段的RFID 系統(tǒng)，信號識別的距離遠，覆蓋的范圍廣，因而需識別的標簽數(shù)量大，若識別的物體有一定的速度，更需要良好的防碰撞算法以減少沖突達到快速、準確識別多個目標的目的。

　　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（針對頻率為860~960MHz 用于物品管理的無接觸通信空中接口參數(shù)）標準，包括A、B、C（EPC Class1 Gen2 標準納入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應用。TYPE A 采用的是一種動態(tài)時隙ALOHA 算法防碰撞協(xié)議。標簽內硬件需有隨機數(shù)發(fā)生器和比較器，設計相對簡單。TYPE A 防碰撞機制的不足之處是：若標簽數(shù)目與初始時隙數(shù)相差較大時，防碰撞的過程會比較長。TYPE B 應用的防碰撞機制要較TYPE A 的更有效一些，它利用隨機產生的0、1 信號達到了二進制樹形搜索的效果，但防碰撞的效率會隨標簽數(shù)量增多而下降。TYPE C 應用的防碰撞算法是時隙隨機防碰撞仲裁機制，是動態(tài)時隙ALOHA 算法的改進，在幀大小調整方面與以往動態(tài)幀時隙ALOHA 算法有很大改進，目前沒有找到這樣調整的理論依據(jù)。但它具有較高的閱讀速率，在美國已達到1500 標簽/秒，歐洲可達到600 標簽/秒[1]；同時也適合在高密度多個讀寫器環(huán)境下工作。

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　　3 算法改進探討與分析

　　為了縮短二進制樹搜索算法的查詢時間和返回信息比特數(shù)，有人提出了動態(tài)二進制搜索算法，還有很多研究者提出其他新穎的改進的方法。如文獻[2]提出修剪枝的二進制樹形搜索，文獻[3]提出基于返回式二進制樹形搜索。也有將二進制樹搜索算法和ALOHA 算法結合起來[4]，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。由于ALOHA 算法簡單，易實現(xiàn)，且對標簽數(shù)目變化有較好的適應，因而得到廣泛應用，同時不斷被優(yōu)化和改進，因此本文重點分析ALOHA算法的改進和仿真。最基本的 ALOHA 算法存在部分碰撞和完全碰撞，導致碰撞發(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[5]提出時隙 ALOHA 和幀時隙ALOHA 算法，并且很多研究者試圖找出幀大小的選取、估測未讀標簽的數(shù)量[6]。上節(jié)中提到的TYPE C 采用的正是幀時隙ALOHA算法的應用改進，可以實現(xiàn)對大量標簽的識別，但是在實際應用中，總是希望系統(tǒng)的識別效率盡可能高，系統(tǒng)的開銷盡可能小，因此，占用的時隙數(shù)也會相應減少，實際工作的效率也會提高。

　　4 仿真結果

　　仿真實驗采用 Matlab 7 平臺，研究標簽盤存動態(tài)時隙大小對系統(tǒng)效率的影響。記錄標簽數(shù)從0 到600 變化時（以2Q 遞增變化）系統(tǒng)效率變化曲線，為算法的改進提供理論的基礎。為了使系統(tǒng)保持較高的效率，必須動態(tài)改變幀時隙大小，并且通過反饋估算標簽數(shù)量，當幀時隙大小與待讀標簽數(shù)量相當時，此時系統(tǒng)的效率最大。

　　假設不考慮捕獲效應（指若干標簽的應答碰撞時，離RFID 讀寫器較近的標簽可能因其信號較強而覆蓋其他標簽的信號）N 為輪詢的時隙長度，n 為某時刻讀寫器信號范圍內未讀標簽數(shù)，r 個標簽出現(xiàn)在某個給定時隙概率服從二項分布為[6]：

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　　由圖 1 所示，采用總固定時隙數(shù)時，當標簽數(shù)越大時，采用的時隙數(shù)相對增大，系統(tǒng)的效率才會保持較高水平，當達到一定數(shù)量時，系統(tǒng)效率又會下降，需要再次調整總時隙數(shù)。

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圖 1 系統(tǒng)效率與標簽數(shù)量關系曲線

　　對（2）式求導可知，

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　　由（4）式知，標簽數(shù)量越大時，當總時隙數(shù)和未讀標簽數(shù)量約相等時，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 動態(tài)變化，可以使系統(tǒng)效率明顯增大，理想情況可達到如圖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 動態(tài)變化，可以使系統(tǒng)效率明顯增大，理想情況可達到如圖2 所示。若估算的標簽數(shù)n 小于當前時隙數(shù)N，減小幀中時隙數(shù)，若n 大于當前時隙數(shù)，需增加時隙數(shù)N，而反饋量采用何種參數(shù)，如何實際取值，可以根據(jù)實驗和環(huán)境來調整、測試、驗證。由于估測標簽的數(shù)量取決于采取的估測方法，且系統(tǒng)實現(xiàn)較為復雜，本文提出采用時隙聯(lián)合空閑率門限和碰撞率門限調整當前采用的時隙幀數(shù)，具體可行結合實驗進一步驗證可行性。

　　5 總結

　　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途徑和更新時隙的方法，提出聯(lián)合考慮空閑率和碰撞率的方法，調整總時隙數(shù)，能夠讓系統(tǒng)的效率大大提高，需要進一步結合實驗驗證。但從RFID 系統(tǒng)應用的角度來看，目前的防碰撞算法的識別率、識別速度、信道利用率（突破36.8%的系統(tǒng)效率限制）有待進一步提高，也需加強對安全和個人隱私等方面的考慮。在算法優(yōu)化改進時，進一步考慮功率消耗和模擬實際信道建模等。為配合多個目標、高速運動物體的識別等復雜系統(tǒng)的應用，這些方面需作更深入的研究。