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基于Aloha的RFID防碰撞算法仿真与实现

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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

1.1 RFID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

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改进的基于动态帧时隙ALOHA防碰撞算法

改进的基于动态帧时隙ALOHA防碰撞算法

改进的基于动态帧时隙ALOHA防碰撞算法

陈荣征

【摘 要】在 RFID 系统中，存在阅读器现多个标签同时通信的碰撞问题，标签防碰撞技术是解决标签防碰撞问题和提高标签识别率的关键。在分析动态帧时隙

ALOHA 算法的基础之是，提出了一种改进的基于随机数重新分组的动态帧时隙

ALOHA 算法。该算法证明了当引入一个随机数的时候，系统的吞吐率是最大的，并且同时利用标签唯一的ID号中的第一位的取值来同，进行重新分组，从而减少了标签碰撞的次数。仿真实验结果表明，所提出的改进算法执行效率更高，碰撞次数更少，识别成功所需的时隙数更少，有效地提高了标签的识别速度。%In the

RFID system , the presence of multiple tags simultaneously reader collision

problem of communication , tag anti-collision technology is the key to

solve the problem and improve tag anti-collision tag identification rate . In

the analysis of dynamic frame slotted ALOHA algorithm basis , proposed

an improved dynamic frame slotted ALOHA algorithm based on random

numbers regrouped . The algorithm proved that when introducing a

random number when the throughput of the system is the largest , and

the same time using different labels unique ID number of the first values ,

防碰撞算法

防碰撞算法

一 防碰撞的基本算法ALOHA

1. 纯-ALOHA(PureALOHA)法

即标签只要有数据发送请求就立即发送出去，而不管无线信道中是否已有数据在传输。它是无线网络中最早采用的多址技术，也是最为简单的一种方法。在RFID系统中，这种方法仅适用于只读标签(Read only tag)。

ALOHA系统所采用的多址方式基于TDMA，是一种无规则的时分多址，或者叫随机多址。用于实时性不高的场合

基本思想很简单：当用户想要发送数据帧时，它就可以在任何时候发送。有可能发生冲突。

冲突导致传输不成功。得不到确认或者本身侦听到错误。

等待随机长时间重发。

通信量越大，碰撞的可能性也越大。主要特点是各个标签发射时间不需要同步，是完全随机的，实现起来比较简单。当标签不多时它可以很好的工作。缺点就是数据帧发送过程中碰撞发生的概率很大。

经过分析，ALOHA法的最大吞吐率只有18.4％，80％以上的信道容量没有被利用。对于较小的数据包量，无线信道的大部分时间没有被利用，而随着数据包量的增加，标签碰撞的概率又会明显增加。

2.时隙ALOHA法

为了提高接入系统的吞吐量，可将时间划分为一段段等长的时隙，记为T0。规定数据帧只能在时隙的开始才能发送出去。

如果一个时隙内只有一个站点到达，则该分组会传输成功；如果有多于一个的分组到达，将会发生碰撞。

和纯ALOHA一样，发生碰撞后，各标签仍是经过随机时延后分散重发的。

如果有许多标签处于阅读器的作用范围内，在最不利的情况下，经过多次搜索也可能没有发现序列号，因为没有唯一的标签能单独处于一个时隙之中而发送成功。因此，需要准备足够大量的时隙，这样做法降低了防碰撞算法的性能。

二 防碰撞的基本算法二进制碰撞算法

1.树分叉算法

ISO18000-6协议中使用的是一种二进制树形防碰撞算法，通过标签内随机产生0、1及内置计数器实现标签的防碰撞。基本思想是：将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有碰撞，则正确识别标签，若仍有碰撞则分裂，把1子集分成10和11两个子集，直到识别子集1中所有标签。

二进制树型算法和帧时隙ALOHA算法在RFID的反碰撞性能比较

二进制树型算法和帧时隙ALOHA算法在RFID的反碰撞性能比较

二进制搜索树型算法和帧时隙ALOHA算法在RFID的反碰撞性能比较

摘要

二进制搜索树型算法和帧时隙ALOHA算法广泛地应用在RFID反碰撞当中。本文将通过计算机仿真来比较这两个反碰撞算法的性能。仿真结果显示帧时隙ALOHA比二制树型算法需要更少的数据读取时间，且帧时隙ALOHA算法里初始帧长度对数据上传吞吐量影响比较大。

关键词：anti-collision,RFID,binary search tree,framed ALOHA

1． 简介

RFID系统的反碰撞算法主要有两类：树型算法和ALOHA算法。树型算法包括二进制搜索树和查询树，其中二进制搜索树算法被广泛地应用于很多标准，如ISO/IEC 18000-6 Type B。树型算法得到广泛的研究，并在理论上提升了它的反碰撞性能。ALOHA算法包括纯ALOHA算法、时隙ALOHA和帧ALOHA，其中帧ALOHA被广泛应用于一些标准，如：ISO

14443-3,ISO 18000-6 Type A, EPC-global UHF Class 1 Generation 2。有几个技术可以提高帧ALOHA反碰撞算法的性能。

虽然二进制搜索树型算法和帧时隙ALOHA算法广泛地应用在RFID反碰撞当中，但关于这两个算法的不同性能还没有报告出来，因为我们的认识有限。本文比较这两个算法的数据读取效率。虽然这两个方法都不很多技术去改进它们的性能，但RFID标准里只采纳了这两个基本的算法模型。因此，我们将比较RFID标准里定义的这两个算法模型的数据读取效率。

2． RFID反碰撞算法

2．1二进制搜索树型协议

ISO 18000-6 Type B采用了二进制搜索树型协议来解决反碰撞问题。在这个协议中，每个标签都有一个一位的随机数字产生器和一个8位的计数器，计数器用来确定标签是否上传它的ID号。读数据过程从阅读器发出一个组选择命令开始，我们这个命令长度为两个字节，一个字节用来放命令代码，一个字节用来存放组ID号，被选择的那个组里的标签把它的计数器的值设为0，并转移到ID状态，阅读器对在ID状态的标签发出识别命令，如FAIL、SUCCESS和 EMPTY，来执行碰撞仲裁算法。

RFID系统多标签识别防碰撞算法

RFID系统多标签识别防碰撞算法

RFID系统多标签识别防碰撞算法

王萌;陈殿仁

【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》

【年(卷),期】2013(000)004

【摘 要】进行了全面的基于动态帧时隙 ALOHA(DFSA)的无源 RFID 系统多标签识别防碰撞算法研究，并将其中的标签数目估计技术进行序贯加权处理，通过仿真比较了改进前后 DFSA算法的性能，并确定了最佳遗忘因子。仿真结果表明，该改进措施缩短了 RFID识别标签所需时间，提高了系统的工作效率，可有效地应用于港口码头、车站或物流中心的集装箱管理或物流配送管理，以改善由于 RFID系统多标签碰撞而导致的货物流通缓慢或拥堵问题。%A comprehensive study of

the Dynamic Framed Slotted ALOHA(DFSA)-based anti-collision multi-tag

identification algorithms for passive Radio Frequency Identification(RFID)

system is performed, and the tag estimation techniques are sequential

weighted. Performance of DFSA algorithms before and after the

improvements is compared through extensive simulation and the optimal

forgetting factor is determined. The improvements can shorten the time

required for identifying tags to improve the work efficiency of the RFID

system. It can be effectively applied to container management, logistics