江　岸，姚幼敏

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510507）

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［應(yīng)用研究］

一種基于二叉樹(shù)的RFID防碰撞改進(jìn)算法

江岸，姚幼敏

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510507）

電子標(biāo)簽防碰撞是RFID系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，該文提出一種基于標(biāo)簽識(shí)別碼分組的防碰撞算法。該算法根據(jù)標(biāo)簽識(shí)別碼按位異或的結(jié)果，將待識(shí)別標(biāo)簽分為兩個(gè)集合，通過(guò)分散閱讀器識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)目、簡(jiǎn)化識(shí)別碼數(shù)據(jù)的傳輸、動(dòng)態(tài)調(diào)整沖突檢測(cè)過(guò)程，有效的降低了標(biāo)簽沖突概率和系統(tǒng)通信量。再利用并行處理策略，使閱讀器同時(shí)識(shí)別兩個(gè)標(biāo)簽子集。理論分析和仿真結(jié)果顯示，該算法較其他二叉樹(shù)算法性能有明顯提升，具有良好的應(yīng)用前景。

RFID；防碰撞算法；并行處理；二進(jìn)制搜索

一、引言

射 頻 識(shí) 別（Radio frequency identification，RFID）是一種利用無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別目標(biāo)的通信技術(shù)，［1］它無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與被識(shí)別目標(biāo)建立物理接觸，整個(gè)識(shí)別過(guò)程快捷方便，且無(wú)需人工干預(yù)。射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用正處于迅速發(fā)展上升階段，目前其在自動(dòng)收費(fèi)、防偽防盜、交通管理等諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分組成。［1］標(biāo)簽之間共享同一無(wú)線通信信道，當(dāng)同一時(shí)刻有多個(gè)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，閱讀器端必然因?yàn)樾盘?hào)干擾而無(wú)法正確接收數(shù)據(jù)，即會(huì)產(chǎn)生標(biāo)簽碰撞問(wèn)題。防碰撞算法是RFID系統(tǒng)中的一個(gè)核心問(wèn)題，它對(duì)提升RFID系統(tǒng)性能至關(guān)重要。而一個(gè)優(yōu)秀的防碰撞算法必須具備識(shí)別精度高、識(shí)別延時(shí)低、功率消耗小等三個(gè)重要特點(diǎn)。目前按照標(biāo)簽的響應(yīng)方式，將防碰撞算法分為隨機(jī)算法和樹(shù)分叉算法兩種。

隨機(jī)算法基本思路是將通信信道劃分為若干個(gè)時(shí)隙，標(biāo)簽只要有數(shù)據(jù)就會(huì)隨機(jī)選擇時(shí)隙發(fā)送，因此標(biāo)簽之間會(huì)出現(xiàn)通信信道的競(jìng)爭(zhēng)，若競(jìng)爭(zhēng)成功，那么標(biāo)簽被成功識(shí)別，若競(jìng)爭(zhēng)失敗，標(biāo)簽則會(huì)等待一段時(shí)間后再次隨機(jī)選擇時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。該類(lèi)算法比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且標(biāo)簽數(shù)較少時(shí)具有良好性能。但是由于隨機(jī)性大，當(dāng)待識(shí)別標(biāo)簽規(guī)模較大時(shí)，幀沖突現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)的性能將急劇下降，可能存在一個(gè)標(biāo)簽在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不能被識(shí)別的狀況，即“標(biāo)簽饑餓問(wèn)題（Tag Starvation）”現(xiàn)象。典型的隨機(jī)算法有純時(shí)隙ALOHA算法、幀時(shí)隙ALOHA算法等。［2-3］樹(shù)結(jié)構(gòu)算法的識(shí)別精度較高，可以識(shí)別完所有待識(shí)別標(biāo)簽，主要包括有查詢(xún)樹(shù)算法（Query Tree QT）［4］、ABS算法［5］、跳躍式動(dòng)態(tài)樹(shù)形反碰撞算法（Jumping Dynamic Search JDS）［6］等。但現(xiàn)有樹(shù)分叉算法的主要問(wèn)題是識(shí)別延時(shí)較大、通信復(fù)雜度較高，功率消耗也隨之增大，因此仍然有進(jìn)一步提高的空間。

為此，筆者提出一種基于標(biāo)簽識(shí)別碼分組的防碰撞算法，該算法根據(jù)標(biāo)簽識(shí)別碼按位異或的結(jié)果，將待識(shí)別標(biāo)簽分為兩個(gè)集合，降低了同一時(shí)間響應(yīng)閱讀器的標(biāo)簽數(shù)，從而減少了碰撞概率。并通過(guò)簡(jiǎn)化識(shí)別碼數(shù)據(jù)的傳輸、動(dòng)態(tài)調(diào)整沖突檢測(cè)過(guò)程，降低了系統(tǒng)的整體通信量。此外，該算法引入了并行處理策略，使得閱讀器同時(shí)識(shí)別兩個(gè)標(biāo)簽子集，極大地提高了識(shí)別效率。

二、改進(jìn)的算法

筆者提出的改進(jìn)算法與文獻(xiàn)中的二叉樹(shù)搜索算法相比較，采取了較明顯的優(yōu)化措施，主要從以下一些方面進(jìn)行改進(jìn)：

降低標(biāo)簽碰撞概率：改進(jìn)算法將標(biāo)簽ID比特位數(shù)據(jù)按位異或的結(jié)果存入計(jì)數(shù)器R當(dāng)中，R值有0和1兩種情況，分別表示標(biāo)簽識(shí)別碼中比特位“1”的個(gè)數(shù)是偶數(shù)和奇數(shù)的情況。根據(jù)R值，算法將標(biāo)簽劃分為兩個(gè)子集，閱讀器分別識(shí)別每個(gè)子集，這樣縮小了閱讀器的識(shí)別范圍，降低了多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生碰撞的概率。［7］

提高閱讀器識(shí)別效率：改進(jìn)算法采取并行處理技術(shù)，閱讀器使用相同算法同時(shí)處理兩個(gè)標(biāo)簽子集的沖突檢測(cè)過(guò)程。

降低系統(tǒng)傳輸?shù)耐ㄐ帕浚簶?biāo)簽中的flag和count是兩個(gè)預(yù)設(shè)的計(jì)數(shù)器，其中flag是表示標(biāo)簽是否被激活的標(biāo)識(shí)位，當(dāng)flag=0時(shí)表示沒(méi)有被識(shí)別，收到閱讀器指令后，根據(jù)count標(biāo)識(shí)的比特位為起始點(diǎn)傳輸自己的數(shù)據(jù)信息，這種動(dòng)態(tài)傳輸標(biāo)簽數(shù)據(jù)的措施有效減少了冗余數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)flag大于零時(shí)則表示標(biāo)簽處于靜默狀態(tài)，此時(shí)不會(huì)響應(yīng)閱讀器的命令。閱讀器為了減少指令傳輸?shù)拈L(zhǎng)度，會(huì)利用上一次輪詢(xún)周期的信息，即把上次標(biāo)簽比特碰撞的最高位作為Request指令。［8］

優(yōu)化碰撞處理技巧：每一輪閱讀器輪詢(xún)周期中，響應(yīng)閱讀器的標(biāo)簽都具有相同的R值，意味著所有響應(yīng)的標(biāo)簽，它們的ID中比特位“1”的個(gè)數(shù)具有相同的奇偶性。根據(jù)此特性，如果一次標(biāo)簽碰撞只有兩次比特位產(chǎn)生沖突，那么可以直接識(shí)別出發(fā)生沖突的兩個(gè)標(biāo)簽。例如標(biāo)簽C：10101001、D：11001001都屬于按位異或結(jié)果為0的子集成員。閱讀器識(shí)別這兩個(gè)標(biāo)簽時(shí)接收到的解碼為1××01001，根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則能夠判斷只有兩個(gè)沖突位發(fā)生，閱讀器對(duì)成功接收到的標(biāo)簽比特位1××01001進(jìn)行按位異或的運(yùn)算，此時(shí)結(jié)果為1，因此可知沖突位部分的按位異或結(jié)果也必須為1，即說(shuō)明當(dāng)中只有一個(gè)比特位值等于1，也就是說(shuō)××部分應(yīng)該是01和10，那么對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽ID為10101001和11001001。

降低識(shí)別延時(shí)：當(dāng)閱讀器在一次識(shí)別過(guò)程中檢測(cè)到有三次比特位沖突時(shí)，即終止本次搜索，進(jìn)入下一次搜索周期，因?yàn)楹罄m(xù)標(biāo)簽比特位數(shù)據(jù)即使正確被接收也無(wú)法被利用，即無(wú)效數(shù)據(jù)，這樣有效地減少了識(shí)別過(guò)程中的識(shí)別延時(shí)。

（一）算法的相關(guān)指令

為了更好地描述算法，下面詳細(xì)介紹算法中使用的指令，算法中每個(gè)電子標(biāo)簽擁有唯一的識(shí)別碼。［9］具體指令如下：

1.Request（m，n）-----請(qǐng)求命令：m表示上一次輪詢(xún)周期中比特位沖突的最高位置，n表示子集劃分的標(biāo)志位。根據(jù)算法規(guī)定，只有標(biāo)簽計(jì)數(shù)器R=n時(shí)，該標(biāo)簽才能響應(yīng)閱讀器。如果m+1> count，則令count=m+1。然后根據(jù)標(biāo)簽的第m個(gè)比特位作出下一步判斷，當(dāng)該位等于0時(shí)，標(biāo)簽選擇從計(jì)數(shù)器count指向的比特位為起始數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)發(fā)送ID數(shù)據(jù)，若該位等于1時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的flag++，該標(biāo)簽被屏蔽。此外，算法規(guī)定閱讀器進(jìn)行第一次輪詢(xún)時(shí)發(fā)送Request（m-1，n）指令，m等于標(biāo)簽的長(zhǎng)度，搜索范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)子集標(biāo)識(shí)位n的所有標(biāo)簽都會(huì)響應(yīng)。［9］

2.Select（ID）-----選擇命令：當(dāng)閱讀器確定讀取或者寫(xiě)入某個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)，則發(fā)送ID數(shù)據(jù)給標(biāo)簽，只有與該ID數(shù)據(jù)匹配的標(biāo)簽響應(yīng)，并令flag--。

3.Read-Data-----讀出數(shù)據(jù)：被Select（ID）命令確定后的標(biāo)簽，發(fā)送自己的數(shù)據(jù)信息給閱讀器。

4.Unselect-----去選擇：當(dāng)標(biāo)簽被成功識(shí)別后，閱讀器發(fā)送該命令，讓標(biāo)簽變成“無(wú)聲狀態(tài)”，不再響應(yīng)閱讀器命令。［10］

（二）算法的工作流程

由圖1可以看出，閱讀器同時(shí)對(duì)兩個(gè)標(biāo)簽子集進(jìn)行搜索，每個(gè)子集的具體搜索流程按照同一識(shí)別規(guī)則進(jìn)行。假設(shè)閱讀器作用區(qū)域內(nèi)有5個(gè)標(biāo)簽，各個(gè)標(biāo)簽的編碼及其識(shí)別過(guò)程如圖2所示。

圖1　算法整體框架

步驟1：閱讀器同時(shí)對(duì)兩個(gè)子集進(jìn)行搜索識(shí)別，發(fā)出Request（7，0）和Request（7，1）。分別要求R=0和R=1的標(biāo)簽響應(yīng)閱讀器的指令，標(biāo)簽在傳送子集識(shí)別碼時(shí)會(huì)附上子集的模塊標(biāo)記，即R值，閱讀器會(huì)根據(jù)模塊標(biāo)記值分類(lèi)處理。

圖2　算法的搜索識(shí)別過(guò)程

步驟2：閱讀器處理R=0子集時(shí)，檢測(cè)出標(biāo)簽碼沖突位是X0X102X3，有標(biāo)簽1、2、3響應(yīng)，在檢測(cè)到3個(gè)沖突位后即停止接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)。同時(shí)在處理R=1子集中，檢測(cè)出標(biāo)簽沖突位是00X1X21304050617，有標(biāo)簽4、5響應(yīng)，則直接識(shí)別出標(biāo)簽4：00110001和標(biāo)簽5：01010001。因此R=1的子集即全部識(shí)別完。

步驟3：閱讀器處理R=0子集，發(fā)出Request（0，0），即要求第0位上比特位為“0”的所有標(biāo)簽響應(yīng)，標(biāo)簽1、2響應(yīng)，閱讀器解碼得到X102X304050617，只有2位沖突位，因此標(biāo)簽1、2得到識(shí)別。

步驟4：閱讀器繼續(xù)處理R=0子集，發(fā)出Re?quest（7，0），要求所有未被識(shí)別的標(biāo)簽響應(yīng)，此時(shí)只有標(biāo)簽3響應(yīng)，直接識(shí)別。

由圖2可知識(shí)別按位異或?yàn)?的子集使用了3次搜索過(guò)程，識(shí)別按位異或?yàn)?的子集用了1次搜索過(guò)程。由于閱讀器是同時(shí)對(duì)兩個(gè)子集進(jìn)行識(shí)別搜索，那么整個(gè)系統(tǒng)的搜索開(kāi)銷(xiāo)等于兩個(gè)子集中較大一個(gè)子集的搜索開(kāi)銷(xiāo)。因在此使用本算法識(shí)別5個(gè)標(biāo)簽等同于只用了3次搜索過(guò)程，標(biāo)簽與閱讀器之間的通信量為47。相比于傳統(tǒng)的二叉樹(shù)搜索算法，搜索次數(shù)和通信量都有了較大的優(yōu)化。

三、算法的性能分析

（一）閱讀器的搜索次數(shù)

命題：本算法中，為了成功識(shí)別閱讀器輪詢(xún)范圍內(nèi)的N個(gè)標(biāo)簽，假設(shè)需要S(N)次搜索，那么，

S(N)=MAX(2×(N1-K1)-1,2×(N2-K2)-1)（1）

其中R值等于1的標(biāo)簽數(shù)量為N1，R值等于0的標(biāo)簽數(shù)量為N2，標(biāo)簽根據(jù)自己的R值被劃分為奇偶兩個(gè)子集，閱讀器分別對(duì)奇偶兩個(gè)子集進(jìn)行識(shí)別，設(shè)在識(shí)別過(guò)程中只發(fā)生2次碰撞位的次數(shù)分別為K1、和K2。

證明：在跳躍式動(dòng)態(tài)樹(shù)形反碰撞算法［6］中，當(dāng)發(fā)生比特位沖突時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖突位分裂成0和1兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，將沖突范圍不斷縮小，節(jié)點(diǎn)分裂的過(guò)程也是二叉樹(shù)構(gòu)建的過(guò)程，最后的葉子節(jié)點(diǎn)即待識(shí)別標(biāo)簽ID。在跳躍式動(dòng)態(tài)樹(shù)形反碰撞算法中，識(shí)別P個(gè)標(biāo)簽的搜索次數(shù)是S(P)=2×P-1［6］，本算法繼承了該算法的識(shí)別優(yōu)點(diǎn)，在本算法中當(dāng)只檢測(cè)出二次比特位發(fā)生沖突時(shí)可以直接識(shí)別兩個(gè)標(biāo)簽，那么說(shuō)明當(dāng)只發(fā)生二次碰撞位時(shí)不需要分裂節(jié)點(diǎn)，這樣二叉樹(shù)的葉子節(jié)數(shù)得到修剪。假設(shè)閱讀器輪詢(xún)過(guò)程中出現(xiàn)了T次只有2次碰撞位的情況，那么本算法在跳躍式動(dòng)態(tài)樹(shù)形反碰撞算法的基礎(chǔ)上減少了T個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，即二叉樹(shù)只有P-T個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)。由此可知閱讀器的搜索次數(shù)變?yōu)椋?/p>

S(P)=2×(P-T)-1（2）

根據(jù)公式（2），可得識(shí)別子集N1個(gè)、N2個(gè)標(biāo)簽的搜索次數(shù)為

S(N1)=2×(N1-K1)-1（3）

S(N2)=2×(N2-K2)-1（4）

由于本算法采用了并行策略，能同時(shí)對(duì)兩個(gè)子集進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別，所以整個(gè)系統(tǒng)的搜索次數(shù)等于兩個(gè)子集中較大的一個(gè)搜索次數(shù)。則識(shí)別完N個(gè)標(biāo)簽的搜索次數(shù)：

S(N)=MAX(S(N1),S(N2))

=MAX(2×(N1-K1)-1,2×(N2-K2)-1)（5）

（二）算法的傳輸延時(shí)

假設(shè)待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)為n，標(biāo)簽的ID長(zhǎng)度為kbit，標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸速率為vbit/s，閱讀器在識(shí)別完所有標(biāo)簽的過(guò)程中，標(biāo)簽的k位ID中有m位發(fā)生了碰撞，由于碰撞位置是隨機(jī)的，則k位比特位中某一位發(fā)生碰撞的概率為

因此在本算法中，標(biāo)簽每次發(fā)送數(shù)據(jù)的平均長(zhǎng)度是

再加上標(biāo)識(shí)標(biāo)簽所屬模塊的1個(gè)比特位和閱讀器指令的長(zhǎng)度2位，那么本算法中一次搜索的有效通信量是

因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延是由閱讀器的搜索次數(shù)和有效通信量決定的，因此本文算法中的識(shí)別延時(shí)為

從（9）式可知本算法的識(shí)別延時(shí)主要是由識(shí)別完標(biāo)簽的搜索次數(shù)決定。

（三）與其它算法的性能比較

通過(guò)MATLAB對(duì)改進(jìn)算法和其它二進(jìn)制搜索算法進(jìn)行了性能的仿真對(duì)比。設(shè)標(biāo)簽ID長(zhǎng)度為64，標(biāo)簽數(shù)據(jù)隨機(jī)分配，閱讀器和標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸速率均為128 Kbps，搜索過(guò)程中的響應(yīng)延遲為40 μs，空閑時(shí)隙為80 μs。

根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)，我們可以看出，當(dāng)待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量增加時(shí)，改進(jìn)算法的搜索次數(shù)要明顯優(yōu)于其他算法，這是因?yàn)楫?dāng)標(biāo)簽樣本數(shù)較多時(shí)，按位異或結(jié)果分離的兩個(gè)子集標(biāo)簽數(shù)趨于一致。即公式（5）中N1的值約等于N2，那么識(shí)別完N個(gè)標(biāo)簽所需的搜索次數(shù)為：

圖3　算法搜索次數(shù)比較

S（N）≈2×（N/2-K1）-1=N-2XK1-1

由于識(shí)別標(biāo)簽的搜索次數(shù)減少，再加上改進(jìn)算法采取了簡(jiǎn)化閱讀器指令，動(dòng)態(tài)傳輸標(biāo)簽識(shí)別碼的策略，因此較大程度降低了閱讀器與標(biāo)簽之間的通信量，如圖4所示。通過(guò)公式（9）得知標(biāo)簽的識(shí)別延時(shí)取決于搜索次數(shù)，而改進(jìn)算法中閱讀器的搜索次數(shù)得到了有效地降低，所以標(biāo)簽的識(shí)別延時(shí)也會(huì)隨之減少，如圖5所示。這說(shuō)明算法的仿真結(jié)果與理論分析一致。

四、結(jié)束語(yǔ)

圖4　算法通信量比較

圖5　算法識(shí)別延時(shí)比較結(jié)論

筆者提出了一個(gè)改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法，根據(jù)標(biāo)簽按位異或結(jié)果分為兩個(gè)子集，再通過(guò)并行策略的引入，有效地減少了標(biāo)簽的碰撞概率和識(shí)別延時(shí)。理論分析和仿真比較均顯示本算法優(yōu)于文獻(xiàn)中的二進(jìn)制搜索算法，且當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較多時(shí)，本算法優(yōu)勢(shì)越明顯。雖然算法增加了一定的硬件復(fù)雜度，但是由于在標(biāo)簽中設(shè)置計(jì)數(shù)器的成本較低，且硬件增加的代價(jià)是遠(yuǎn)小于整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的性能提升產(chǎn)生的價(jià)值，因此該算法具有良好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：肖勝中）

An Improved RFID Anti-collision Algorithm Based on Binary Tree

JIANG An，YAO You-min
（Department of Computer Science，Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic，Guangzhou 510507，China）

Tag anti-collision is a key technology in RFID.This paper presents an anti-collision algorithm based on grouping mechanism of tag identification data.According to the result of bitwise XOR of tag identification data，we divide the unidentified tags into two groups，it greatly reduced the transmit data of system and tags collision probability by disperse the unidentified tags，simplify the transmit data of tag and adjust the process of conflict detection dynamically.In addition，the reader can identify two subsets according to parallel processing strategy. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed algorithm has made a distinct progress in perfor?mance and has a well application prospect compared with other binary search Anti-collision algorithms.

RFID；anti-collision algorithm；parallel processing；binary search

TP273

A

1009-931X（2016）02—00063-05

2015-11-13

廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度科研課題（xyzd1403）

江岸（1982-），男，湖南常德人，講師，碩士。研究方向：RFID防沖突算法。