在对现有ALOHA Bit-Slot 算法分析的基础上提出一种改进的时隙ALOHA RNS 算法。该算法改变Bit-
Slot 算法中标签数据回传方式，减少标签与读卡器的数据传输量，缩短识别时间，提高系统吞吐率，并解决了现有读卡
器无法探测有几个标签反馈了相同的独一码的问题。在大量标签情况下，根据数目多少进行分类表示，动态适应大
数据量传输。仿真结果表明，RNS 算法在标签数量大于1 000 时，相比Bit-Slot 算法在系统吞吐率上有30% 的提高，从
而适用在大数据量、实时性强的射频识别场合

廖明宏

陈章

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收稿日期: 2009 － 12 － 08; 修回日期: 2010 － 01 － 27。作者简介: 陈章( 1985 － ) ，男，福建福清人，硕士研究生，CCF 会员，主要研究方向: RFID、无线传感器网络; 廖明宏( 1966 － ) ，男，福建泉州人，教授，博士生导师，CCF 高级会员，主要研究方向: 新型操作系统、实时与嵌入式计算、对等计算。文章编号: 1001 － 9081( 2010) S1 － 0018 － 03快速 RFID 防冲突算法陈 章，廖明宏( 厦门大学 软件学院，福建 厦门 361005)( fjchenzhang@ gmail． com)摘 要: 在对现有 ALOHA Bit-Slot 算法分析的基础上提出一种改进的时隙 ALOHA RNS 算法。该算法改变 Bit-Slot 算法中标签数据回传方式，减少标签与读卡器的数据传输量，缩短识别时间，提高系统吞吐率，并解决了现有读卡器无法探测有几个标签反馈了相同的独一码的问题。在大量标签情况下，根据数目多少进行分类表示，动态适应大数据量传输。仿真结果表明，RNS 算法在标签数量大于 1 000 时，相比 Bit-Slot 算法在系统吞吐率上有 30% 的提高，从而适用在大数据量、实时性强的射频识别场合。关键词: 射频识别; 防冲突; ALOHA; Bit-Slot; 独一码中图分类号: TP393． 04; TN915． 04 文献标志码: ARapid RFID anti-collision algorithmCHEN Zhang，LIAO Ming-hong( Software School， Xiamen University， Xiamen Fujian 361005， China)Abstract: An improved ALOHA RNS ( Random Number Slot) algorithm was proposed based on the analysis of ALOHABit-Slot algorithm． The algorithm changed the return method of tag data， reduced the data between tag and reader， shortenedthe recognizing time， improved the system throughput rate， and solved the problem of current reader which could not detectmore than one tag responsing the same unique code． Under a large amount of tag， it dynamically classifed the number to fitlarge data transmission． The simulation results show that the improved RNS algorithm improves the system throughput rate by30 percent compared with Bit-Slot algorithm， when tag number is more than 1 000． It is suitable to large amount of data andreal-time RFID environments．Key words: Radio Frequeney IDentification ( RFID) ; anti-collision; ALOHA; Bit-Slot; unique code0 引言射频识别( Radio Frequeney IDentification，RFID) ，俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它以射频信号作为信息和能量传递的媒介，完成与被测物体间的信息交互。射频识别技术由于具有非接触性、可识别高速运动物体、识别效率高、可在恶劣环境下工作、操作快捷方便等优点而被广泛应用于门禁、物流、跟踪、监控、防伪、身份识别、安全、军事、医疗等各个领域，具有广阔的发展前景［1］。对于 RFID 系统，当有多于一个标签进入读卡器的作用范围内时，所有标签都被读卡器发送的命令激活，它们将同时向读卡器发送自己存储的信息，这就导致各标签之间传输的信号产生相互干扰，读卡器接收不到正确的信息，就是所谓的冲突问题［2］。为了尽可能地避免冲突的发生，应采用防冲突技术。目前，防冲突算法主要有随机型防冲突算法、确定型防冲突算法和混合型防冲突算法。随机型算法中电子标签利用随机时间响应读卡器的命令，随机型算法大都基于 ALOHA机制，比如纯 ALOHA［3］，slotted ALOHA［4］和 Dynamic Frame-Slotted Algorithm( DFSA) ［5］算法等。确定型算法是读卡器根据标签 ID 的唯一性来选择标签进行通信，最简单的确定型算法是二进 制 搜 索 算 法，比 如 Query Tree ( QT ) ［6］和 CollisionTracking Tree ( CTT) ［7］。结合 ALOHA 算法和二进制树搜索算法 的 混 合 型 算 法，比 如 改 进 的 Dynamic Frame-SlottedAlgorithm( DFSA) ［8］，在理论上通常能获得更高的识别速度。本文将首先介绍时隙 ALOHA 的防冲突算法基本实现原理，然后分析基于 Bit-Slot 的 ALOHA 算法，指出算法所存在的问题，提出改进的 RNS( Random Number Slot) 算法，并进行仿真实现，最后对 RFID 防冲突算法做出总结。1 时隙 ALOHA 算法1． 1 帧时隙 ALOHA 算法帧时隙 ALOHA 算法( Frame-Slotted Algorithm，FSA) 是一种随机时分多址方式的用户 信 息 通 信 交 互 算 法。帧 时 隙ALOHA 算法将信道用信息帧表示，把信息帧分成许多时隙，每个标签随机选一个时隙来发送自己的识别码信息。在整个信息帧的时间内每个标签只响应一次，在 6 个标签情况下，时隙 ALOHA 算法处理流程如图 1 所示。图 1 中每个方块代表一个标签发出的信息，这样读卡器在整个信息帧接收过程中遇到的标签回复有 3 种情况，即:Success、Empty 和 Collision，它们可能分别代表在某个时隙内是一个标签、没有标签或两个以上标签的应答。成功应答的时隙标签得到处理，冲突时隙的标签则在下一信息帧中继续随机选择时隙，直到所有标签都不冲突完成处理流程为止。1． 2 基于 Bit-Slot 的 ALOHA 算法时隙 ALOHA 算法中标签与读卡器在通信的过程中都需要存储大量的时隙信息，因此 Kim 等人提出每个数据位作为第 30 卷增刊 12010 年 6 月计算机应用Journal of Computer ApplicationsVol． 30 Suppl． 1June 2010一个时隙的 ALOHA 算法，即 Bit-Slot 算法［9］，它将每个数据位作为一个时隙，区域内每个标签反馈一条“独一码”，其中只有一位是 1，其他位全部是 0。Bit-Slot 算法假设读卡器能探测出有 多 个 标 签 都 反 馈 001000，那 么 读 卡 器 不 会 发 送001000; 而是先后发送 100000 和 000100 的“独一码”确认指令; 对应的标签收到正确的确认指令，才会反馈自己的 ID 码。图 1 的时隙 ALOHA 算法处理过程用 Bit-Slot 算法来处理( 如图 2) 。图 1 时隙 ALOHA 算法处理流程图 2 Bit-Slot 算法处理流程2 RNS 算法2． 1 帧时隙 ALOHA 算法与 Bit-Slot 算法存在的问题帧时隙 ALOHA 算法存在着系统吞吐量低，在大量数据交换时系统性能急剧下降的不足。Bit-Slot 算法利用位表示时隙减少了标签与读卡器通信的信息量，但也存在一些问题，比如在大量标签情况下，标签的“独一码”数据量也将增加;算法在统计标签总数时，未根据具体标签数进行改变统计数的存储模式; 对于多个标签同时反馈完全相同的“独一码”时，无法探测出来等。这些问题将导致 Bit-Slot 算法延迟上升，读卡器的识别速率就下降等后果。2． 2 RNS 算法思想针对以上的几个问题，提出 RNS 算法进行解决。RNS 算法主要思想: 通过读卡器先对作用范围内的标签发送查询命令，统计范围内标签总数，并进行分组表示( 如式( 1) ) ，将标签总数信息发送给所有范围内的标签，标签在总数范围内产生一个随机数并反馈回读卡器，读卡器根据随机数生成位串比较是否冲突，并做出适当调整，使每个标签仅与一个时隙一一对应，然后继续读卡器与标签的信息交互过程。ByteNum =1，N≤ 2562，256 ＜ N≤ 65 535k，28( k－1) ＜ N≤ 28{k( 1)2． 3 RNS 算法假设如下。1) 读卡器向其作用范围内的标签发送请求指令，所有标签随机选择一个时隙响应，在这个阅读周期中，每个标签必须且只能响应一次。2) 读卡器范围内的标签有活动和睡眠两种状态。处于活动状态的标签可以响应读卡器的任何指令; 处于睡眠状态的标签不响应读卡器的任何指令，直到其离开读卡器的作用范围，重新复位。活动的标签在被读卡器识别后将进入睡眠状态。3) 读卡器与标签交互通信过程能够正常完成。4) 标签数量在一个阅读周期内保持不变。RNS 算 法 中 标 签 总 数 的 数 据 存 储 方 式 如 图 3，其 中ByteNum 表示标签总数所占用的字节数目。图 3 标签总数存储方式RNS 算法伪代码如下。读卡器端伪代码( Pseudo-code on the reader) :Initialize( ) ; SendData( query) ; / /query tagsIf ( Receive( TagID) ) / / receive tags' feedbackN ++ ; / /count tag numbersEndByteNum = ( lb N) /8; / / calculate ByteNumData contain N and ByteNum;SendData( Data) ; / / send data to tag/ / receive Random Number from TagWhile( Receive( TagID，R) ) If ( Slot( R) == 1 )Set Slot( R) = 2;pushStack( TagID，R) ; / /Collision-SlotElseSet Slot( R) = 1;EndFor( R = 1; R ＜ = N; R ++ )If ( Slot( R) == 1 )SendData( TagID) ;End标签端伪代码( Pseudo-code on the tag) :Switch( Receive( Reader) )Case query:/ /Feedback TagID to ReaderSendData( TagID，Reader) ;Break;Case Data:/ /Feedback TagID and Random Number to ReaderSendData( TagID，R，Reader) ;Break;Case TagID:Success connect Reader;Begin communications;Break;3 仿真结果在 Windows XP 系统下，用 C 语言编写仿真程序，并调用91增刊 1 陈章等: 快速 RFID 防冲突算法Matlab 引擎，在 Matlab 环境下，使用 mex 命令编译仿真源程序，生成． exe 可执行文件。运行仿真程序，输入标签数，完成仿真统计过程。仿真实验采用 Matlab 7 平台，记录标签数在0 ～ 1 200 递增变化时的系统吞吐量和读取标签所花时间( 用读取标 签 所 用 的 总 时 隙 数 来 衡 量) ，并 用 固 定 帧 时 隙 的ALOHA 算法作为系统吞吐量指标的对比; 用基于 Bit-Slot 的ALOHA 算法和文中的 RNS 算法读取标签所花的时间进行对比，分别统计时隙 ALOHA 算法、Bit-Slot ALOHA 和 RNS 算法的系统吞吐率，统计结果如图 4 所示。从图 4 可以看出 RNS算法在标签大于 1 000 的情况下，相对于 Bit-Slot 算法有 30%的提高。图 4 三种算法的系统吞吐率仿真结果显示 RNS 算法在标签数量很大时，吞吐率能保持平稳，且相对于时隙 ALOHA 算法有较大提高，能改善 Bit-Slot 算法的性能。因此，RNS 算法对于短时间需要读取大量标签的实时 RFID 系统具有良好的适用性。4 结语防冲突算法是射频识别系统实现标签快速识别的关键。本文通过分析时隙 ALOHA 算法存在的系统吞吐量低，在大量数据交换时系统性能急剧下降的不足和Bit-Slot算法中存在“独一码”确认指令比较长，识别速度慢，且实际上现有读卡器无法探测几个标签反馈相同“独一码”的问题的基础上，提出标签传输过程中反馈随机数替代独一码的 RNS 算法。通过仿真结果显示，RNS 算法能减少标签与读卡器的数据传输量，缩短识别时间，在标签数大于 1000 的情况下，相对于 Bit-Slot 算法有 30% 的提高，有良好的适用性。参考文献:[ 1] 王中祥，王俊宇，刘丹，等． BIS: 一种降低空时隙开销的 RFID 防碰撞算法[ J] ． 通信学报，2009，30( 9) : 1 － 6．[ 2] 程良伦，林伟勇． 一种稳定高效的动态帧时隙 ALOHA 算法[ J] ．计算机应用研究，2009，26( 1) : 85 － 91．[ 3] ABRAMSON N． The ALOHA system － another alternative for com-puter communications[ C] / / Fall Joint Computer Conference，AFIPSConference Proceedings． New York: ACM， 1970: 281 － 285．[ 4] ROBERTS L ． ALOHA packet system with and without slots andcapture [ J ] ． ACM SIGCOMM Computer Communication Review，1975，5( 2) : 28 － 42．[ 5] 程文青，赵梦欣，徐晶． 改进的 RFID 动态时隙 ALOHA 算法[ J] ．华中科技大学学报，2007，35( 6) : 14 － 16．[ 6] LAW C， SIU K L K Y． Efficient memoryless protocol for tag identi-fication[ C] / / Proceeding of the 4th International Workshop on Dis-crete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Communi-cations． New York: ACM， 2000: 75 － 84．[ 7] QUAN C H， HONG W K， LEE Y D，et al． A study on the treebased memoryless anti-collision algorithm for RFID systems[ J] ． Ko-rean Information and Processsing Society Transactions， 2004， 11( 6) : 851 － 862．[ 8] LEE W， MA J． An adaptive memoryless tag anti-collision protocolfor RFID networks[ C /OL] / / Proceedings of the 23rd Conference ofthe IEEE Communications Society． Washington， DC: IEEE， 2005．[ 2009 － 11 － 01] ． http: / /mobile． korea． ac． kr / jmyung /Adaptive_memoryless_tag_anti-collision_J． Myung_Infocom05( poster) ． pdf．[ 9] KIM C S， PARK K L， KIM H C，et al． An efficient stochastic anti-collision algorithm using bit-slot mechanism[ C] / / Proceedings of In-terantional Conference on Parallel and Distributed Processing Tech-niques and Applications． Korea: [ s． n． ] ， 2004: 851 － 862．( 上接第 17 页)报文进行了重组和转发，源节点发出的报文数目等于目标节点接收到的报文数目，无报文丢失的情况，网关正常工作。对于从新增网络发到原车网络的报文统计结果也正常，方法和这里一样。测试结果符合 J1939-31 中规定的网络互连电控单元的性能判断标准。表 1 CANoe 对网关仿真结果统计报文 ID 周期 /ms 发出报文数目 目标接收报文数目 丢帧率 /%0x005 10 6 000 6 000 00x007 20 3 000 3 000 00x011 50 1 200 1 200 0图 7 ABS 报文跟踪报告4 结语本文主要介绍了基于 J1939 的双缓冲区网关设计方法，利用该方法实现了 J1939 要求的网关功能。将网关连接到实际车身网络上，配合实际节点长时间连续工作，车辆情况完全正常，没有出现数据丢失和严重延时等情况，进一步证明了该网关设计方法的可行性和可靠性。参考文献:[ 1] 汽车工程学会 ( 美国) ． SAE J1939 协议[ S] ． 2009 版． 汽车工程学会， 2009．[ 2] 邬宽明． CAN 总线原理与应用系统设计[ M] ． 北京: 北京航空航天大学出版社， 2002．[ 3] 刘永木，刘望生，李洪泽． SAE J1939 标准下的汽车 CAN 通信报文 /帧格式[ J] ． 长春工业大学学报: 自然科学版， 2003，24( 1) :53 － 55．[ 4] 李永强，宋希庚，薛冬新． CAN 局域网及 J1939 协议在货车和客车上的运用[ J] ． 汽车工程， 2003，25( 4) : 377 － 379．02 计算机应用 第 30 卷

快速RFID 防冲突算法

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