摘要
RFID是利用空间电磁波耦合进行通信的无线传输模式，其防碰撞算法的优劣决定了其性能及其应用领域。为了满足RFID系统低标签成本和高识别性能的要求，当前主要采用基于Aloha的防碰撞算法。
本文首先回顾了基本的Aloha算法、时隙Aloha算法和固定帧时隙Aloha算法（FSA），并将其运用于RFID系统中。接着讨论一种动态帧时隙Aloha算法（DFSA）：每一帧的开始，阅读器向工作范围内的标签广播一个包含该帧帧长的数据包；标签收到包后，进行时间同步，同时读取帧长N，随机选择1-N中的一个时隙，等该时隙到来即向阅读器发送自身ID信息；阅读器在每一时隙结束时判断该时隙是否收到包，如果没收到则该时隙空闲，如果收到的包有错则说明该时隙内发生多标签碰撞，如果收到正确的包、则读取包中ID信息、并向空间广播带有该ID的包；标签收到包后判断，如果该包中包含自身ID信息、则证明该标签在上一时隙中被正确识别、标签进入静默状态、一段时间内不再与阅读器通信；如果标签未被正确识别，只能等待下一帧开始后，重新选择时隙，重复上述过程。一轮识别（即一帧）结束后，阅读器统计该帧中包含的空闲时隙数、冲突时隙数和成功识别时隙数，若冲突时隙数超过一定阈值则增加下一帧的帧长，若空闲时隙数超过一定阈值则减少下一帧的帧长，实现帧长的动态控制。这样求得系统的时隙利用率和碰撞概率的平衡，提高了系统识别率，缩短了识别时间。
本文第4章详细构建了基于OPNET的RFID系统模型，并嵌入固定帧时隙Aloha 算法，找出了不同负载条件下的系统识别率最高的帧长，作为DFSA帧长动态改变的依据。为了验证DFSA的性能优势，第5章中将DFSA算法嵌入RFID模型，得出基于DFSA的RFID系统识别率与负载关系曲线，并与固定帧长为8、16的基于FSA的RFID系统识别率与负载关系曲线比较。证明，当待识别标签数量很大时，基于DFSA 算法的RFID系统识别率远高于FSA，系统性能更加优异。
关键词：Aloha OPNET RFID 防碰撞算法
Abstract
RFID (Radio Frequency Identification) system communicates wirelessly by electromagnetic coupling in the space. The anti-collision algorithm determines its performance and its application. In order to meet the low label cost and high recognition performance requirements, aloha based anti-collision algorithm is widely used now.
This paper first reviews the pure Aloha algorithm, Aloha algorithm and fixed time slot Frame Slotted Aloha algorithm (FSA), and used it in RFID system. Then discussed a Dynamic Frame Slotted Aloha algorithm (DFSA): At the beginning of each frame, reader broadcast data packets containing frame length N to tags in its working area. Tags receive these packets, synchronize time, and read frame length N. They then select one slot randomly from 1-N.When the time slot comes; tag transmits its own ID information to reader. For each slot, if no packet received , the time slot is idle , if more than one packet is received , the time slot is collision, if there is only one packet in a slot , reader get the package ID information, and broadcast to tags. Tag which has the same ID stops communication after received this packet. If a tag is not identified correctly, it can only wait for the beginning of the next frame to choose a slot randomly, waiting for been recognized. In the end of each frame, reader count the idle time slot number, collision time slots and successfully recognized time slot number. If the collision number of time slot exceed a certain threshold, then increased next frame length; if the idle time slot number exceeds a certain threshold, then reduced the next frame length. In that way , we can shorten the time of recognition.
The fourth chapter constructed an RFID system based on OPNET modeler and embedded in the FSA algorithm. In this chapter we will find out the relativity of system load and frame length. In order to verify the advantage of DFSA algorithm, the fifth chapter compared DFSA to FSA. Proved that DFSA algorithm make a better performance when the system load is heavy.
Key Words：Aloha OPNET RFID anti-collision
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
目录 (1)
插图清单 (1)
附表清单 (3)
引言 (4)
1.绪论 (5)
1.1RFID技术的广泛普及 (5)
1.2 开展研究的意义 (6)
2. RFID系统组成及主要工作原理 (8)
2.1 RFID系统组成 (8)
2.2 RFID系统工作原理 (10)
2.3 RFID系统的特点和应用 (11)
2.4 RFID系统现存问题和发展前景 (13)
3. Aloha访问控制协议与RFID防碰撞算法设计 (15)
3.1 基本多址接入方法 (15)
3.2 基本Aloha算法及其在RFID系统中的应用 (17)
3.2.1纯Aloha算法 (17)
3.2.2时隙Aloha算法 (20)
3.2.3帧时隙Aloha算法 (23)
3.2.4改进的动态帧时隙Aloha算法及帧长选择 (24)
4. 基于固定帧时隙Aloha的RFID防碰撞算法实现与性能仿真 (27)
4.1 固定帧时隙Aloha算法流程 (27)
4.2 基于OPNET的RFID模型搭建 (29)
4.2.1 网络模型搭建 (29)
4.2.2节点模型搭建 (31)
4.2.3 进程模型搭建 (37)
4.3. 仿真结果展示 (39)
5.改进的动态帧时隙Aloha算法及其性能仿真 (49)
5.1动态帧时隙Aloha算法流程 (49)
5.3动态帧时隙Aloha建模与仿真 (50)
6. 结论 (54)
参考文献 (55)
附录A 英文资料原文 (58)
附录B 中文资料译文 (68)
在学取得成果 (77)
致谢 (78)
插图清单
图1.1 RFID 系统标签碰撞图 (6)
图2.1 RFID系统构成 (8)
图2.2 电子标签内部结构图 (9)
图2.3 无源标签耦合示意图 (10)
图3.1 频分多址 (15)
图3.2 空分多址 (16)
图3.3 纯A loha算法示意图 (18)
图3.4 纯Aloha冲突区示意图 (18)
图3.5 Aloha算法输入负载与吞吐量比较 (19)
图3.6 RFID系统pure Aloha算法示意图 (20)
图3.7 时隙Aloha 算法示意图 (21)
图3.8 时隙Aloha与纯Aloha性能比较 (22)
图3.9 RFID系统时隙Aloha算法示意图 (22)
图3.10 RFID系统帧时隙Aloha算法示意图 (23)
图4.1 基于FSA的RFID系统工作流程图 (29)
图4.2 OPNET工程主界面 (30)
图4.3 RFID系统网络层拓扑结构图 (31)
图4.4 标签节点模型 (32)
图4.5 自定义封包格式 (32)
图4.6 电子标签收发信机属性设置 (34)
图4.7 阅读器收发信机属性设置 (35)
图4.8 阅读器进程模型 (37)
图4.9 标签进程模型 (38)
图4.10 进程模型内部结构 (38)
图4.11 仿真属性设置 (39)
图4.12 仿真结果——数据包的产生、复制、销毁统计 (40)
图4.13 系统识别率与帧长关系图 (41)
图4.14 快速配置窗口 (41)
图4.15 系统识别率与帧长关系图 (42)
图4.16 FSA识别率与帧长关系曲线 (43)
图4.17 碰撞时隙比率与帧长关系图 (45)
图4.18 空闲时隙比率与帧长关系图 (46)
图4.19 FSA中碰撞时隙比率随帧长变化曲线图 (48)
图4.20 FSA中空闲时隙比率随帧长变化曲线图 (48)
图5.1 DFSA 系统识别率与负载关系曲线 (51)
图5.2 DFSA系统碰撞概率与负载关系曲线 (51)
图5.3 DFSA系统空闲率与负载关系曲线 (52)
图5.4 基于Aloha的RFID系统性能比较 (53)
附表清单
表格1 RFID系统与其他识别系统比较 (11)
表格2 RFID系统分类 (12)
表格3 帧长和标签数改变对应系统识别率统计表 (43)
表格4 帧长和标签数改变对应碰撞时隙比率统计表 (47)
表格5 帧长和标签数改变对应空闲时隙比率统计表 (47)
引言
RFID射频识别技术可以通过射频信号自动识别目标对象获取相关数据，在对象识别、资产管理、库存控制等领域应用广泛，是现代工业进步的象征。它不需要视距传输、易于重复编程、能快速读取和存储数据，已被广泛应用于工业自动化、物流管理、交通运输等社会生活的各个领域。
尽管RFID技术具有良好的应用前景，其发展也受到了一些因素的制约。其中最关键的就是信息传输过程中的多标签碰撞问题。射频识别系统工作过程中，由于阅读器和标签共享无线信道，所以会出现干扰，这种干扰称为碰撞。碰撞分为阅读器碰撞和标签碰撞两种：阅读器碰撞是指两个临近的阅读器同时对一个标签进行识别，造成标签不能对任意一个阅读器进行回复，这种碰撞可以依靠阅读器之间的通信来解决；标签碰撞是指阅读器作用范围内的两个或多个标签同时向阅读器传输信息造成的干扰。由于标签自身功能少、没有能源、只能通过阅读器的电磁场获得能量，更不能检测碰撞，因此多标签碰撞对RFID系统的性能影响更大。目前防止多标签碰撞的算法主要是Aloha算法和二进制搜索算法。其中二进制搜索算法识别率高，但是标签数量大时识别速度慢。Aloha算法识别速度快，识别算法简单，正是我们要研究的算法。
本文将首先研究RFID系统的组成和工作原理。
接着根据RFID系统的工作原理和实际应用中的特点，对RFID系统现有的防碰撞算法如Aloha, 时隙Aloha，帧时隙Aloha进行整理和比较，通过时序图和公式推导，找出各算法的优缺点。
运用OPNET 网络仿真软件，搭建RFID系统模型，并嵌入帧时隙Aloha，运行仿真，统计系统正确接收时隙概率作为系统识别率，比较在不同的帧长条件下系统识别率的变化情况；比较系统的碰撞时隙比率和空闲时隙比率变化情况。
接着介绍一种改进的防碰撞算法：动态帧时隙Aloha算法。对两种不同的基于Aloha的访问控制协议进行比较，利用仿真模型，统计系统识别率，展现动态帧时隙Aloha在标签数量较多的RFID系统中的性能优势。
1.绪论
1.1RFID技术的广泛普及
无线射频识别即RFID(radio frequency identification)技术也被称为电子标签技术，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。它通过无线射频信号实现非接触方式下的双向通信，完成对目标对象的自动识别和数据的读写操作。
RFID技术具有无接触、精度高、抗干扰、速度快以及适应环境能力强等显著优点，正逐步被广泛应用于工业自动化，商品管理，交通运输控制管理等众多领域，各国政府，IT厂商，零售业巨头[1]，都给予高度关注。被公认为二十一世纪十大重要技术之一[2]。这些全面推动了RFID产业的迅猛发展。
随着全球产品电子代码中心推出第二代超高频（UHF）RFID电子标签标准（EPCG2）,各大供应商的EPCG2芯片也纷纷亮相。许多高科技公司，比如Intel, Microsoft, Oracle, SUN 等，正在开发支持RFID射频识别电子标签的软硬件平台。国际邮联也正积极推进高效低成本的RFID技术解决方案在国际邮政中的使用。
射频识别技术在国外发展得很快。由于发达国家RFID 电子标签工作开展得较早，所以在技术、标准、产业链及应用方面都已经比较完备，特别是在核心技术尤其是在芯片技术上，目前已经提供了相对完备的产品线，并且由于技术进步和RFID电子标签工艺的提升以及成本的降低，应用推广进入了良性循环。像TI、Motoro1a、Microchip 、Philips等世界著名厂家都生产RFID 产品[3]。
射频识别技术在国内也广泛推广，目前已应用于中铁车号自动识别系统，高速公路自动收费系统，各种金融商务卡等领域。2006年，我国发布了《中国RFID技术政策白皮书》：其标准体系包括接口规范、读写协议、编码体系、应用规程、测试规程和数据安全等众多方面。中国设立了7个RFID标准组：分别是总体组、频率与通信组、标签和阅读器组、信息安全组、数据格式组、应用组和知识产权组。中国RFID标准体系框架的研究工作也已基本完成。目前，中国的RFID产业链基本建立起来，主要集中在北京、上海、深圳等地。
1.2 开展研究的意义
尽管RFID技术在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经逐渐在一些领域广泛应用，但其发展也受到了一些因素的制约。其中最关键的就是信息传输过程中的干扰问题。
RFID中的碰撞问题主要分为两类：一类即阅读器碰撞问题，它产生于同一个物理区域内存在多个不同的阅读器，它们以同一频率同时与区域内的标签通信而引起的冲突[4]。另一类是标签碰撞问题，如果标签同时处于阅读器的有效工作区内时，可能会发生多个标签同时发送信号的情况，这时要求阅读器能在很短的时间内识别多个标签，由于阅读器和标签通信共享无线信道，阅读器或标签的信号可能发生信道争用，信号互相干扰等问题，使阅读器不能正确识别标签（如图1.1）。在实际使用中，多标签碰撞是造成干扰的主要原因。
图1.1 RFID 系统标签碰撞图
RFID电子标签常依附于廉价商品之上，标签通常采用无源形式以降低成本，需要其防碰撞算法对标签功能不能有过高要求；同时RFID系统以身份识别为主要功能，所以需要在最短的时间内识别出最多的标签。因此RFID系统必须采用特定的策略或算法来避免冲突现象的发生。
将射频区域内多个标签分别识别出来的过程称为防碰撞，防碰撞问题主要就是解决如何快速和准确地从多个标签中选出一个与阅读器进行数据交流，而其他的标签同样可