基于Aloha的RFID防碰撞算法仿真与实现.docx

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基于Aloha的RFID防碰撞算法仿真与实现

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：

AlohaOPNETRFID防碰撞算法

Abstract

RFID（RadioFrequencyIdentification）systemcommunicateswirelesslybyelectromagneticcouplinginthespace.Theanti-collisionalgorithmdeterminesitsperformanceanditsapplication.Inordertomeetthelowlabelcostandhighrecognitionperformancerequirements,alohabasedanti-collisionalgorithmiswidelyusednow.

ThispaperfirstreviewsthepureAlohaalgorithm,AlohaalgorithmandfixedtimeslotFrameSlottedAlohaalgorithm（FSA）,anduseditinRFIDsystem.ThendiscussedaDynamicFrameSlottedAlohaalgorithm（DFSA）:

Atthebeginningofeachframe,readerbroadcastdatapacketscontainingframelengthNtotagsinitsworkingarea.Tagsreceivethesepackets,synchronizetime,andreadframelengthN.Theythenselectoneslotrandomlyfrom1-N.Whenthetimeslotcomes;tagtransmitsitsownIDinformationtoreader.Foreachslot,ifnopacketreceived,thetimeslotisidle,ifmorethanonepacketisreceived,thetimeslotiscollision,ifthereisonlyonepacketinaslot,readergetthepackageIDinformation,andbroadcasttotags.TagwhichhasthesameIDstopscommunicationafterreceivedthispacket.Ifatagisnotidentifiedcorrectly,itcanonlywaitforthebeginningofthenextframetochooseaslotrandomly,waitingforbeenrecognized.Intheendofeachframe,readercounttheidletimeslotnumber,collisiontimeslotsandsuccessfullyrecognizedtimeslotnumber.Ifthecollisionnumberoftimeslotexceedacertainthreshold,thenincreasednextframelength;iftheidletimeslotnumberexceedsacertainthreshold,thenreducedthenextframelength.Inthatway,wecanshortenthetimeofrecognition.

ThefourthchapterconstructedanRFIDsystembasedonOPNETmodelerandembeddedintheFSAalgorithm.Inthischapterwewillfindouttherelativityofsystemloadandframelength.InordertoverifytheadvantageofDFSAalgorithm,thefifthchaptercomparedDFSAtoFSA.ProvedthatDFSAalgorithmmakeabetterperformancewhenthesystemloadisheavy.

KeyWords：

AlohaOPNETRFIDanti-collision

目　　录

摘　　要1

Abstract2

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

2.1RFID系统组成8

2.2RFID系统工作原理10

2.3RFID系统的特点和应用11

2.4RFID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1.1RFID系统标签碰撞图2

图2.1RFID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Aloha算法示意图18

图3.4纯Aloha冲突区示意图18

图3.5Aloha算法输入负载与吞吐量比较19

图3.6RFID系统pureAloha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3.9RFID系统时隙Aloha算法示意图22

图3.10RFID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4.2OPNET工程主界面30

图4.3RFID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4.16FSA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4.19FSA中碰撞时隙比率随帧长变化曲线图48

图4.20FSA中空闲时隙比率随帧长变化曲线图48

图5.1DFSA系统识别率与负载关系曲线51

图5.2DFSA系统碰撞概率与负载关系曲线51

图5.3DFSA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1RFID系统与其他识别系统比较9

表格2RFID系统分类10

表格3帧长和标签数改变对应系统识别率统计表39

表格4帧长和标签数改变对应碰撞时隙比率统计表43

表格5帧长和标签数改变对应空闲时隙比率统计表43

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（radiofrequencyidentification）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1.1RFID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以从接下来的循环中被选出与阅读器通信。

防碰撞技术是信号处理与识别的关键技术，其防碰撞协议的优劣，在很大程度上决定了RFID系统性能及其应用领域。

本课题主要针对基于Aloha的防碰撞算法进行研究，对基于Aloha算法的改进算法进行仿真，在帧时隙Aloha算法的基础上获得更快速高效的防碰撞算法，并对各种防碰撞算法进行分析和比较。

2.RFID系统组成及主要工作原理

2.1RFID系统组成

RFID系统通常由控制系统、阅读器和电子标签构成[5]（如图2.1）。

●电子标签（tag）是射频识别系统中存储可识别数据的电子装置。

●阅读器（reader）是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。

图2.1RFID系统构成

阅读器包含：

射频单元、电源模块、存储器、数据协议栈处理器等，是RFID系统的信息控制和处理中心，负责控制与标签间的双向通信并执行来自主机系统的指令。

阅读器的频率决定了RFID系统的工作频段，阅读器的功率决定了RFID系统的有效识别距离。

射频单元（包括天线）负责发射和接收射频载波信号。

射频载波信号由射频振荡器产生并由射频处理器放大，经过天线发射给周围的标签;另一方面，射频模块通过天线接收从标签发射或反射回来的射频载波信号，解调后送数据协议处理器处理。

数据协议处理器是阅读器的控制中心，可以解码识读射频模块发来的信号，必要时送后台网络系统进行处理，或执行后台应用软件发来的命令，将要写入标签的信息编码后送射频模块，完成对标签的控制操作。

对一些特殊系统还提供防碰撞、加解密以及身份验证等附加功能。

常用的接口电路有RS232、RS485、USB等，负责与上位机、后台网络或其它系统进行通信，实现标签信息与后台数据库的实时交互[6]。

电子标签包含：

天线，射频接口和芯片（如图2.2）。

其中射频接口主要是调制解调器和电压调节器，芯片部分主要封装有逻辑控制单元、EEPROM和存储器单元等。

图2.2电子标签内部结构图

RFID标签种类繁多：

●按供电方式分：

可分为有源（Active）标签和无源（Passive）标签。

●按工作频率分：

可分为低频（LF）标签、高频（HF）标签、超高频（UHF）标签以及微波（uW）标签。

●按通信方式分：

可分为主动式标签（TTF）和被动式标签（RTF）。

●按标签芯片分：

只读（R/O）标签、读写（R/W）标签和CPU标签。

大多数RFID系统属于阅读器主动询问类型即（ReaderTalkFirst--RTF）；也有少量标签主动询问式RFID系统（TagTalkFirst--TTF），这类系统主要用在高速移动和特殊环境下。

因此这里我们只讨论阅读器主动询问型的RFID系统[7]。

有源式标签又称主动式标签，由电池供电，利用自身射频能量主动向阅读器发送数据，读写距离远。

无源式标签又被称为被动式标签，它依靠外界电磁感应供电，读写距离较近，但是成本低。

当然，还有半主动式标签，通过反向散射调制方式传送数据。

目前市场上使用最多的，是无源标签。

这里我们讨论的也将是无源标签。

图2.3无源标签耦合示意图

无源标签的工作模式有两种，一种是近距离电感耦合，一种是远距离电磁耦合[8]（如图2.3）。

电磁耦合与电感耦合的差别在于：

电磁耦合方式中，阅读器将射频能量以电磁波的形式发送出去；在电感耦合方式中，阅读器将射频能量束缚在阅读器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通阅读器线圈与射频标签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。

2.2RFID系统工作原理

在正式研究RFID系统的防碰撞算法之前，我们先了解一下RFID系统的工作原理[9]。

RFID系统工作原理如下:

首先，阅读器（reader）通过发射天线发送一定频率的射频信号。

当电子标签（tag）进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被启动。

经过判断，射频卡将自身编码等信息透过卡内天线发送出去。

接着，阅读器接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线传送到阅读器，阅读器对接收信号进行解调和译码然后送到后台软件系统处理。

最后，后台软件系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号、控制执行相应的动作。

对于基于不同防碰撞算法的RFID系统，其工作流程有很大差异，具体内容将在之后的三章详细介绍。

2.3RFID系统的特点和应用

RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理[10][11]。

表格1RFID系统与其他识别系统比较

表格1是RFID系统与其他系统在成本，智能化，读写性等各方面的比较情况。

由此表，我们发现RFID系统不仅仅是改进的条形码，它可承载信息量大，可细分单品，可大批量快速重复读写，保密性强，抗干扰能力较普通条形码，磁卡好，可与其他各种传感器共同使用，寿命最长，成本也较低，是未来最有市场的一种识别类产品[12]。

表格2RFID系统分类

RFID系统工作在4个不同的频段上，分别是低频、高频、超高频和微波。

表格2展示了不同工作频率的RFID系统的技术特点和主要应用。

对于无源有源两种系统，它们最大的区别在能量的供应方面。

对于低频和高频系统，他们的频段在125kHz-13.56MHz，其工作能量通过电感耦合方式从读卡器耦合线圈的辐射近场中获得，属于无源系统。

对于这类的标签，它工艺简单、成本低、无频率约束、有很强的穿透性。

它的缺点是：

识别距离近，一般在1cm左右；通信速率低，数据传输能力差;能存储的信息有限；阅读器、天线成本高，造价难以大幅下降。

超高频860MHz-960MHz系统的耦合方式采用的是电磁反向散射耦合。

它的有效距离为0-10m，天线结构简单、容易实现、价格便宜。

由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而出现了多标签同时读取的情况，因此它的识读率无法达到100%，而且工作模式简单，没有加密功能，无安全性保证。

微波有2.45G和5.8G两个频段，他们都是采用的电磁反向散射耦合的方式进行信息和能量的传输。

对于2.45G的系统，它的优势为：

标签采用的是电池供电；工作有效范围可达100m以上，它的通信速率高，可以达到1Mbps；电磁波的波长较短，大概为12cm左右，天线可微型化，做到2cm，可以根据实际需要做成各种异形卡。

对于5.8G的系统，它是ETC使用的频段，它的优点为：

传输特性接近于光传播，波束集中，方向性好；通信速率为1Mbps，传输性能好；电磁波波长较短为5cm左右，天线可微型化；可与高速移动的物体上的DSRC设备进行通讯，可识别速度为200KM/H，这点能保证在ETC上应用的可靠性。

2.4RFID系统现存问题和发展前景

虽然RFID技术目前已经得到了广泛的应用，但是仍面临一些挑战[13][14]。

1）成本

美国一个电子标签最低的价格是5美分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品的，只有电子标签的单价下降到5美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品[15]。

2）标准