基于多叉樹(shù)搜索算法改進(jìn)的RFID防碰撞算法

　　射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸、低功耗、無(wú)線通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(Tags)和讀寫器(Reader)組成，電子標(biāo)簽與讀寫器之間是通過(guò)耦合(天線)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合。在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。其工作原理如圖1所示。

　　隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，存在的問(wèn)題也越來(lái)越凸顯出來(lái)。目前RFID技術(shù)存在的主要問(wèn)題有：安全問(wèn)題、傳輸距離問(wèn)題、碰撞問(wèn)題等,其中碰撞問(wèn)題嚴(yán)重制約著RFID的發(fā)展。目前,雖然已經(jīng)有很多種防碰撞的算法，但是在算法執(zhí)行效率和精確度方面各有缺陷。本文在研究大量防碰撞算法的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)比較分析提出了一種新的基于樹(shù)搜索的防碰撞算法，該算法根據(jù)碰撞位的情況動(dòng)態(tài)地選擇合適的搜索樹(shù)算法,大幅度提高了RFID的性能。

　　1 防碰撞算法簡(jiǎn)介

　　如果在RFID讀寫器可讀取范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽,或是一個(gè)標(biāo)簽同時(shí)接收到幾個(gè)讀寫器發(fā)出的信號(hào)就會(huì)發(fā)生沖突，即所謂的碰撞。一旦發(fā)生碰撞就會(huì)導(dǎo)致讀寫器不能讀取電子標(biāo)簽信息或是無(wú)法讀到正確的標(biāo)簽信息，所以防碰撞算法就顯得尤為重要。根據(jù)碰撞的產(chǎn)生原理可以將RFID的碰撞分為[1]：標(biāo)簽碰撞、頻率干擾、標(biāo)簽干擾。其中頻率干擾和標(biāo)簽干擾統(tǒng)稱為讀寫器碰撞。

　　由于讀寫器碰撞的發(fā)生概率較小且容易避免，所以本文主要研究對(duì)象是標(biāo)簽碰撞。解決碰撞的算法就稱為防碰撞算法。防碰撞算法最常使用的方法[2]有空分多址(SDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時(shí)分多址(TDMA)。目前較為流行的RFID的兩種防碰撞算法，基于ALOHA和基于樹(shù)的算法都是基于時(shí)分多址的。

　　2 基于多叉樹(shù)的RFID防碰撞算法

　　二進(jìn)制樹(shù)算法(BS)[3]的基本思想是將處于碰撞狀態(tài)的標(biāo)簽分為0和1兩個(gè)子集,先查詢子集0,若沒(méi)有沖突，則正確識(shí)別;若仍有沖突,則再分裂，把子集0分為00和01兩個(gè)子集，依次類推，直到子集0中的所有標(biāo)簽全部識(shí)別，再按照此步驟查詢子集1。使用BS算法的標(biāo)簽要經(jīng)過(guò)多次比較,并通過(guò)循環(huán)操作以達(dá)到識(shí)別所有標(biāo)簽,搜索過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)路徑的重復(fù),搜索效率比較低[4]。為滿足RFID系統(tǒng)能耗低、速度快等要求，其防碰撞算法有如下特點(diǎn)[5]：(1)識(shí)別過(guò)程中查詢時(shí)間要短，查詢次數(shù)也要盡量少。(2)對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō)必須是低能耗，要達(dá)到低能耗就要求算法中標(biāo)簽與讀寫器之間傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)要少。(3)標(biāo)簽?zāi)軌虮煌耆⒄_地識(shí)別，要求讀寫器對(duì)其可讀取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都要正確、完整地識(shí)別，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤識(shí)別和遺漏識(shí)別。本文提出的基于多叉樹(shù)搜索的防碰撞算法在滿足RFID防碰撞算法的基礎(chǔ)上,盡量解決上述防碰撞算法中的問(wèn)題。

　　2.1 算法的基本思想

　　讀寫器在發(fā)出Request命令后，讀寫器可讀取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都要做出應(yīng)答，如果讀寫器譯碼后得到n個(gè)位發(fā)生碰撞，即只有標(biāo)簽這n個(gè)比特是讀寫器無(wú)法識(shí)別的。讀寫器根據(jù)這n個(gè)碰撞位所在的位置,分成三種情況進(jìn)行處理：(1)若碰撞位連續(xù)兩位,則采用動(dòng)態(tài)四叉樹(shù)分裂查詢; (2)若碰撞位非連續(xù),則采用動(dòng)態(tài)二叉樹(shù)分裂查詢;(3)若碰撞位只有一位,則采用二叉樹(shù)查詢。

　　在發(fā)送查詢指令時(shí)，不需發(fā)送碰撞標(biāo)簽完整的ID號(hào)，只要用二進(jìn)制代碼表示碰撞位即可，這樣可以在很大程度上減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，繼而降低功耗、提高識(shí)別效率。

　　2.2 算法的工作流程

　　算法的步驟如下：

　　(1) 算法先發(fā)送一個(gè)Request(11111111)命令，所有電子標(biāo)簽對(duì)此做出應(yīng)答，然后將自己的ID碼發(fā)送出去。

　　(2) 讀寫器檢測(cè)接收到的信號(hào)，若未能檢測(cè)到信號(hào)，則說(shuō)明在讀寫器可讀取的范圍內(nèi)沒(méi)有電子標(biāo)簽，返回步驟(1);若檢測(cè)到信號(hào)，則轉(zhuǎn)到步驟(3)。

　　(3) 判斷是否有碰撞發(fā)生，若無(wú)則對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作;若有,則轉(zhuǎn)到步驟(4)。

　　(4) 將查詢碼壓入堆棧,并發(fā)送棧頂?shù)牟樵兇a,滿足該查詢碼的標(biāo)簽應(yīng)答。判斷碰撞情況：若沒(méi)有標(biāo)簽應(yīng)答,則讀寫器本次識(shí)別過(guò)程結(jié)束，并檢堆棧是否為空;若只有一個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答，讀寫器發(fā)出RW-DATA指令,對(duì)該標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作之后，讀寫器發(fā)出Sleep指令,標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)，不參與后續(xù)的識(shí)別過(guò)程;若有多個(gè)標(biāo)簽做出應(yīng)答，即發(fā)生碰撞，則轉(zhuǎn)到步驟(5)。

　　(5) 根據(jù)碰撞位的不同情況,選擇不同的搜索方法，重復(fù)步驟(4),直到堆棧為空。

　　(6) 堆棧為空說(shuō)明所有標(biāo)簽都被成功識(shí)別，整個(gè)標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程結(jié)束。

　　2.3 算法舉例

　　假如電子標(biāo)簽的ID碼均是8位,在讀寫器可讀取范圍內(nèi)有4個(gè)處于準(zhǔn)備狀態(tài)的電子標(biāo)簽A、B、C、D,它們的ID號(hào)為：TagA：10000110、TagB：11010010、TagC:01000010、TagD:01001010。本例的搜索過(guò)程中堆棧變化情況如圖2所示，算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

　　(1) 當(dāng)讀寫器發(fā)出Request(11111111)指令后，得到譯碼后的碰撞位為：XX0XXX10。

　　(2) 讀寫器將連續(xù)碰撞位XX用四叉樹(shù)進(jìn)行查詢,發(fā)生碰撞的最高位為第7位，用二進(jìn)制表示為111。將Request(00,111)、Request(01,111)、 Request(10,111)、Request(11,111)依次入棧，然后發(fā)送棧頂指令Request(00，111)，沒(méi)有符合查詢碼的標(biāo)簽響應(yīng),該分支的識(shí)別過(guò)程結(jié)束;發(fā)送指令Request(01,111)，有標(biāo)簽C、D響應(yīng)，即發(fā)生了碰撞，將C、D重新譯碼后得到新的譯碼數(shù)據(jù)為0100X010，此時(shí)讀寫器檢測(cè)到只有一個(gè)碰撞位。參考文獻(xiàn)[6]中設(shè)定只有一個(gè)碰撞位時(shí),讀寫器能直接識(shí)別出兩個(gè)標(biāo)簽，但是由于標(biāo)簽本身無(wú)法識(shí)別，所以只有一個(gè)碰撞位時(shí)，讀寫器也還是要經(jīng)過(guò)一次比較，才能識(shí)別出兩個(gè)標(biāo)簽最高碰撞位為第3位,將Request(0,11)、Request(1,11)壓入堆棧。

　　(3) 讀寫器發(fā)送Request(0，11)命令，只有標(biāo)簽D應(yīng)答，經(jīng)讀寫器讀寫操作后進(jìn)入休眠態(tài)。

　　(4) 讀寫器發(fā)送Request(1,11)命令，只有標(biāo)簽C應(yīng)答，執(zhí)行讀寫操作后轉(zhuǎn)入休眠態(tài)。

　　(5) 讀寫器發(fā)送Request(10,111)命令，只有標(biāo)簽A應(yīng)答，執(zhí)行讀寫操作后轉(zhuǎn)入休眠態(tài)。

　　(6) 讀寫器發(fā)送Request(11,111)命令，只有標(biāo)簽B應(yīng)答，執(zhí)行讀寫操作后轉(zhuǎn)入休眠態(tài)。

　　(7) 堆棧內(nèi)的命令全部讀取并發(fā)送，堆棧為空，說(shuō)明待識(shí)別的標(biāo)簽全部識(shí)別完，標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程結(jié)束。

　　3 新算法的性能分析

　　3.1發(fā)送數(shù)據(jù)量分析

　　當(dāng)標(biāo)簽的ID較長(zhǎng)時(shí),讀寫器每次發(fā)送的查詢指令的位數(shù)就會(huì)很多，這樣會(huì)嚴(yán)重影響傳輸速率和系統(tǒng)識(shí)別效率[6]。如果直接用二進(jìn)制表示碰撞位的信息，則可以大大減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量。假設(shè)標(biāo)簽的ID號(hào)有N位，則只要n位序列就能表示出所有的碰撞位，其中：

　　假設(shè)在整個(gè)識(shí)別過(guò)程中查詢M次只有1個(gè)碰撞位，則整個(gè)識(shí)別過(guò)程中有M個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，那么動(dòng)態(tài)二叉樹(shù)查詢次數(shù)為：

　　4 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

　　利用軟件Matlab對(duì)上述算法的傳輸數(shù)據(jù)量、查詢次數(shù)和吞吐率進(jìn)行試驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3(a)可以看出,隨著標(biāo)簽ID的增長(zhǎng)，新算法的傳輸數(shù)據(jù)量增加很少，與未經(jīng)過(guò)改進(jìn)的算法的指令長(zhǎng)度相比，新算法能很大程度地減少傳輸指令長(zhǎng)度，從而能減少系統(tǒng)的能耗，增加系統(tǒng)的識(shí)別效率。

　　由圖3(b)可以看出，在同樣數(shù)目的待識(shí)別標(biāo)簽的情況下，動(dòng)態(tài)二叉樹(shù)和動(dòng)態(tài)四叉樹(shù)所需的查詢總數(shù)，與本文的算法所需查詢總數(shù)的比較中，本文新算法所需的總查詢數(shù)較少，即識(shí)別時(shí)間較短。

　　由圖3(c)可得新算法的吞吐率高于動(dòng)態(tài)二叉樹(shù)和動(dòng)態(tài)四叉樹(shù)搜索算法的吞吐率，即新算法的識(shí)別率更高。

　　本文在研究大量防碰撞算法的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)比較分析，提出了一種新的基于樹(shù)搜索的防碰撞算法，該算法根據(jù)碰撞位的情況，動(dòng)態(tài)地選擇合適的搜索樹(shù)算法，而且本文還引用了堆棧來(lái)存儲(chǔ)查詢命令，這樣可以避免重復(fù)、多余的搜索，減少了搜索樹(shù)的分支數(shù)。由數(shù)學(xué)分析和算法的仿真結(jié)果可得，該算法查詢時(shí)間短、系統(tǒng)效率高、性能優(yōu)良，特別是在待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量龐大時(shí)，該算法表現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Jia Xiaolin,Feng Quanyuan,Fan Taihua, et al. Analysis of anti-collision protocols for RFID tag identification[C].IEEE 2012 2nd International Conference on Digital Object Identifier, 2012.

　　[2] 胡兆吉.基于嵌入式的射頻識(shí)別系統(tǒng)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

　　[3] 丁治國(guó).RFID關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

　　[4] 李興鶴，胡詠梅，王華蓮，等.基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制的二叉樹(shù)搜索結(jié)構(gòu)RFID反碰撞算法[J].山東科學(xué)，2006,19(2)：51-55.

　　[5] 江岸，伍繼雄，黃生葉，等.改進(jìn)的RFID二進(jìn)制搜索防碰撞算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009,45(5)：229-235.

　　[6] 江城，黃立波.基于二進(jìn)制搜索的RFID標(biāo)簽防碰撞算法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011(4):29-33.

　　[7] 孫文勝，胡玲敏.基于后退式搜索的自適應(yīng)多叉樹(shù)防碰撞算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2011,31(08)：2052-2055.

　　[8] 丁俊.射頻識(shí)別RFID標(biāo)簽防碰撞算法[D].合肥：中國(guó)科技大學(xué)2010.