專利名稱：一種rfid系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于RFID通信領域，涉及一種RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法，具體涉及 一種采用馬爾可夫過程建模，采用碼分復用CDMA多信道劃分，利用預約ALOHA方 式實現(xiàn)多標簽射頻身份識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)防碰撞的算法。
背景技術：
在射頻識別技術中，防碰撞技術是信號識別與處理的關鍵技術之一。在射頻識別系 統(tǒng)工作時，在閱讀器(Reader)作用范圍內，可能會有多個標簽(Tag)同時存在，并 同時對閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生應答沖突。常用的多址防碰撞方法有以下幾種，空分 多址(SDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)。目前巳有的 射頻識別系統(tǒng)的防碰撞方法，大部分采用時分多址的接入方式，即標簽在不同的時隙向 閱讀器傳遞信息。具體的實現(xiàn)方式上，有ALOHA法(啊羅哈算法，解釋:Aloha協(xié)議或 稱Aloha技術、Aloha網(wǎng)，是世界上最早的無線電計算機通信網(wǎng)。它是1968年美國夏 威夷大學的一項研究計劃的名字。70年代初研制成功一種使用無線廣播技術的分組交 換計算機網(wǎng)絡，也是最早最基本的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。取名Aloha，是夏威夷人表示致 意的問候語，這項研究計劃的目的是要解決夏威夷群島之間的通信問題。Aloha網(wǎng)絡可 以使分散在各島的多個用戶通過無線電信道來使用中心計算機，從而實現(xiàn)一點到多點的 數(shù)據(jù)通信。ALOHA是用來處理多用戶對單信道,在數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層的,信道分配解 決協(xié)議)，二進制搜索法，但這種基于時分的多址方式對于信道要求非常嚴格，隨著標 簽數(shù)量的擴大，性能將急劇惡化。嚴重影響數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)的功能。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種RFID系統(tǒng)中的數(shù) 據(jù)防碰撞算法，該方法將CDMA技術與ALOHA技術相結合，可以使系統(tǒng)的吞吐量得到明 顯的改善。
本發(fā)明的技術解決方案如下-
一種RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法，所述的RFID系統(tǒng)包括閱讀器、標簽和信道； 其特征在于，所述信道包括一個下行廣播信道和多個上行碼分信道；所述的上行碼分信
道的時間軸被劃分為多個時隙，所有標簽共享所述的時隙和上行信道；RFID系統(tǒng)在每
一個時隙處于以下某一狀態(tài)-
1) 空閑狀態(tài)上行的碼分信道空閑，沒有數(shù)據(jù)包傳輸；
2) 沖突狀態(tài)有兩個或兩個以上的標簽向同一上行碼分信道發(fā)送預約請求幀；發(fā) 生競爭沖突，預約請求失??；
3) 發(fā)送預約請求狀態(tài)某一碼分上行信道只有一個標簽發(fā)送預約請求幀，預約請 求成功；
4) 表示發(fā)送狀態(tài)標簽在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包； 各狀態(tài)之間的轉換關系如下
1) 若前一時隙RFID系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，在當前時隙，a)沒有一個標簽占用信道， RFID系統(tǒng)保持空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由空閑狀態(tài)轉入預約 狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由空閑狀態(tài)轉入沖突狀態(tài)；
2) 若前一時隙RFID系統(tǒng)處于沖突狀態(tài)，在當前時隙，a)沒有一個標簽占用信道， RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀 態(tài)轉入預約狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID系統(tǒng)保持沖突狀態(tài)；
3) 若前一時隙RFID系統(tǒng)處于預約狀態(tài)，在當前時隙，RFID系統(tǒng)轉入數(shù)據(jù)發(fā)送狀
態(tài)；
4) 若前一時隙RFID系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，且數(shù)據(jù)發(fā)送完成，在當前時隙，a) 沒有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信 道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入預約狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID 系統(tǒng)保持沖突狀態(tài)。
所述的RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法，包括以下步驟
1) 閱讀器通過下行廣播信道發(fā)送激活指令到標簽；所述的激活指令包含信道 信息和幀同步信息；
2) 標簽向閱讀器發(fā)送預約指令；
3) 若沖突，閱讀器向標簽發(fā)出靜默指令，標簽退出當前時隙，等待下一時隙
通信；返回步驟l);若不沖突，閱讀器向提出預約的標簽發(fā)出通信指令；進入下一步;
4) 標簽與閱讀器數(shù)據(jù)通信；
5) 閱讀器向己經(jīng)通信完畢的標簽發(fā)出退出指令，該標簽不再參加以后時隙的 通信；返回步驟l)。
有益效果-
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點就在于
采用碼分多址的方法，不但可以有效的抑制上行噪聲，而且可以有效的利用上行帶
寬，非常適合于多標簽進行通信?？紤]到CDMA的優(yōu)越性能，特別適合于RFID系統(tǒng)中的 上行通信。將CDMA技術與ALOHA相結合，可以使系統(tǒng)的吞吐量得到明顯的改善。
本專利提出一種基于碼分多址的預約AL0HA(CDMA-R-AL0HA)防碰撞算法，可以進行 多標簽讀取，改善在較多標簽數(shù)目下的吞吐能力。
ALOHA防碰撞算法的基本思想是，每個標簽進入場范圍立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若規(guī)定 時間收到閱讀器應答，表示發(fā)送成功，否則表示發(fā)生沖突，標簽重發(fā)數(shù)據(jù)幀。本發(fā)明在 上述傳統(tǒng)的ALOHA算法中加入了 CDMA多信道預約的方式。通過建成一個四狀態(tài)離 散時間馬爾可夫(Markov)鏈模型，得到了歸一化的RFID系統(tǒng)吞吐量的表達式，給出 了系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，實驗表明隨著碼分信道數(shù)目的增加，標簽的吞吐量增大，標簽的 吞吐量的穩(wěn)定范圍也在增大。標簽數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率G增大時，RFID系統(tǒng)的吞吐量 Sn逐漸增加性能逐漸改善，當G-2時，系統(tǒng)吞吐量達到最大值，最大系統(tǒng)吞吐量為0. 538。 在相同的信道條件下，采用ALOHA算法的系統(tǒng)吞吐量小于本發(fā)明提出的CDMA- R -ALOHA 防碰撞算法。


圖1為算法的四態(tài)馬爾可夫模型；
圖2為碼分信道數(shù)目N對RFID系統(tǒng)標簽吞吐量的影響； 圖3為傳輸成功概率g對RFID系統(tǒng)標簽吞吐量的影響； 圖4為各算法對RFID系統(tǒng)標簽吞吐量的影響(N=2); 圖5為本方法所涉及的數(shù)據(jù)傳輸流程圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖和具體實施過程對本發(fā)明做進一步詳細說明 實施例1:
算法的具體實現(xiàn)步驟如下
1) 、根據(jù)RFID系統(tǒng)的實際應用環(huán)境，對信道進行建模假設系統(tǒng)包括一個閱讀器， 一定數(shù)目的標簽，且標簽進入某一時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率服從泊松分布，退避重發(fā)時不 影響標簽到達的泊松特性；信道是可靠的，功率控制也是理想的，忽略捕獲效應。 一個
下行廣播信道和N個上行碼分信道。(iV-2^^—l，理論上可以無窮大，實際上，取決
于實際應用和制造工藝。)上行信道的時間軸被劃分為一個個時隙，所有標簽共享這些 時隙和上行信道。而閱讀器通過下行廣播信道通知標簽，有哪些時隙和上行碼分信道空 閑，由標簽隨機的選擇時隙和碼分信道。
2) 、引進馬爾可夫鏈建立算法模型，在某一時隙中，系統(tǒng)只可能處于以下四個狀 態(tài)中(如圖1):
空閑狀態(tài)(S):在該時隙，上行的碼分信道空閑，沒有數(shù)據(jù)包傳輸。
沖突狀態(tài)(C):該時隙，有兩個或兩個以上的標簽向同一個上行碼分信道發(fā)送預 約請求幀。發(fā)生競爭沖突，預約請求失敗。
發(fā)送預約請求狀態(tài)(R):該時隙，某一碼分上行信道只有一個標簽發(fā)送預約請求 幀，預約請求成功。
發(fā)送狀態(tài)(D):標簽在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。
3) 、利用馬爾可夫模型，確定算法中四種狀態(tài)之間的相互轉換過程(見附圖l)。 各狀態(tài)轉換關系如下
(a) .若前一時隙，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)S，當前時隙，(1)沒有一個標簽占用信道，
系統(tǒng)由持續(xù)空閑狀態(tài)S. (2)只有一個標簽占用信道，系統(tǒng)由空閑狀態(tài)S轉入預約狀態(tài) R， (3)有兩個或兩個以上的標簽，占用信道，系統(tǒng)由空閑狀態(tài)S轉入沖突狀態(tài)C;
(b) .若前一時隙，系統(tǒng)處于沖突狀態(tài)，當前時隙，(1)沒有一個標簽占用信道，
系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài).(2)只有一個標簽占用信道，系統(tǒng)由沖突狀態(tài)S轉入預 約狀態(tài)R, (3)有兩個或兩個以上的標簽，占用信道，系統(tǒng)由持續(xù)沖突狀態(tài)C;
(c) .若前一時隙，系統(tǒng)處于預約，當前時隙，系統(tǒng)轉入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)；
(d) .若前一時隙，系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)D,且數(shù)據(jù)發(fā)送完成，當前時隙，(1) 沒有一個標簽占用信道，系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài).(2)只有一個標簽占用信道， 系統(tǒng)由沖突狀態(tài)S轉入預約狀態(tài)R， (3)有兩個或兩個以上的標簽，占用信道，系統(tǒng)由 持續(xù)沖突狀態(tài)C。
通過分析，可知該馬爾可夫鏈是有限個狀態(tài)，不可約的，它是遍歷的，存在平衡 解。令其狀態(tài)矢量為(S， C， R， D)，穩(wěn)態(tài)概率矢量是n-(;r。，A，;r2,;r3;),設p。是某一時
隙沒有幀到達概率，p,是某一時隙只有一個幀到達的概率，分析有
其中G為網(wǎng)絡負載，等于一個時隙內總共發(fā)送的平均幀的數(shù)目。 轉移矩陣i/
其中，g為數(shù)據(jù)幀在一個時隙中發(fā)送結束的概率，m。=A， A-A， /w3=l-g 。
<formula>formula see original document page 8</formula>根據(jù)方程組
5>
可求出穩(wěn)態(tài)概率;z"，，故系統(tǒng)在某一時隙能成功解擴的標
簽的均值S (即系統(tǒng)在碼分的條件下的歸一化吞吐量)為:
S = ;r，=
gm2
，其中m, =Ge—
g + m2
4)、對不同環(huán)境下算法的性能進行分析，假設碼分信道數(shù)用N表示，系統(tǒng)中總負 載用G表示，標簽數(shù)據(jù)的成功傳輸概率用g表示，貝U:
當系統(tǒng)中存在一個碼分信道(N4)時，標簽的均值S, s = ~^~，其中m2-Ge-G;
g + m2
當系統(tǒng)中存在多個碼分信道(N〉l)時，則由隨機分解定理可知:
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說明書第6/8頁
單個碼分信道的吞吐量為<formula>formula see original document page 9</formula>.其中<formula>formula see original document page 9</formula>g + m2 N
系統(tǒng)總的吞吐量為<formula>formula see original document page 9</formula>.其中<formula>formula see original document page 9</formula>
5) 、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。當G=N時，RFID系統(tǒng)的標簽吞吐量Sw取最大值，
<formula>formula see original document page 9</formula>.當G〈N時，系統(tǒng)的吞吐量SN隨著系統(tǒng)負載G的增大而增加。當G>N ge + 1
時系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定，吞吐量成下降趨勢。因此在理論上，當N取較大值時，即可滿足 系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，G〈N。但在實際應用時，標簽的數(shù)量可能遠遠大于信道數(shù)目，因而會 有不同標簽選擇同一個碼分信道，從而產(chǎn)生競爭沖突。
6) 、分析對算法性能影響較大的參數(shù)，并給出最佳的實現(xiàn)狀態(tài) 當其他因素不變，碼分信道數(shù)目N增加時，標簽的吞吐量增大，標簽的吞吐量的
穩(wěn)定范圍也在增大。當G:N時，標簽的吞吐量達到最大。
當其他因素不變，標簽數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕蔳增大時，RFID系統(tǒng)的吞吐量性能逐 漸改善。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的ALOHA算法中加入了 CDMA多信道預約的方式。通過建成一個 四狀態(tài)離散時間Markov鏈模型，得到了歸一化的RFID系統(tǒng)吞吐量的表達式，給出了 系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，實驗表明隨著碼分信道數(shù)目的增加，標簽的吞吐量增大，標簽的吞 吐量的穩(wěn)定范圍也在增大。標簽數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率G增大時，RFID系統(tǒng)的吞吐量Sn 逐漸增加性能逐漸改善，當G:2時，系統(tǒng)吞吐量達到最大值，最大系統(tǒng)吞吐量為0.538。 在相同的信道條件下，采用ALOHA算法的系統(tǒng)吞吐量小于本發(fā)明提出的CDMA- R -ALOHA 防碰撞算法。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的ALOHA算法中加入了 CDMA多信道預約的方法，建模成一個四狀態(tài) 離散時間的馬爾可夫鏈，其具體的實現(xiàn)過程如下
1) 、信道建模。假設信道為頻率平坦型信道，并且信道包括一個下行廣播信道和N 個上行碼分信道。上行信道的時間軸被劃分為一個個時隙，所有標簽共享這些時隙和上 行信道。
2) 、標簽發(fā)送數(shù)據(jù)分布情況?？紤]系統(tǒng)中包括一個閱讀器和多個標簽的情況，標
9
簽進入某一時隙進行發(fā)送的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)泊松分布的形式，并且標簽退避重發(fā)后不影響其泊 松分布的形式。
3) 、算法建模。算法實現(xiàn)的前提是基于以上的信道模型。采用馬爾可夫建模過程， 確定信道可能處于四種離散的工作狀態(tài)空閑狀態(tài)；沖突狀態(tài)；發(fā)送預約請求狀態(tài)；發(fā) 送狀態(tài)。
4) 、確定四種工作狀態(tài)之間的相互轉換關系，參見附圖l,圖中箭頭的起始端表示 前一時隙的信道狀態(tài)，箭頭的指向端表示下一個時隙信道所處的狀態(tài)。
圖中字母所代表的含義如下
S表示空閑狀態(tài)在該時隙，上行的碼分信道空閑，沒有數(shù)據(jù)包傳輸。
C表示沖突狀態(tài)該時隙，有兩個或兩個以上的標簽向同上行碼分信道發(fā)送預約 請求幀。發(fā)生競爭沖突，預約請求失敗。
R表示發(fā)送預約請求該時隙，某一碼分上行信道只有一個標簽發(fā)送預約請求幀， 預約請求成功。
D表示發(fā)送狀態(tài)標簽在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。
5) 、算法的測試。假設N表示系統(tǒng)的上行信道的子信道個數(shù)，G表示系統(tǒng)中總的負
載量，其大小由系統(tǒng)的標簽個數(shù)和成功傳送數(shù)據(jù)的幾率g共同決定。測試時對這些數(shù)據(jù) 進行具體化處理。
a) 、測試N對RFID系統(tǒng)吞吐量的影響，測試時假設g-0.5，分別對N為不同取值 情況下的吞吐量進行測試，這里分別對N分別取1, 3， 5時進行了系統(tǒng)的吞吐量測試；
b) 、測試g對RFID系統(tǒng)吞吐量的影響，測試時假設N=2，逐漸增大g，查看吞吐 量的變化趨勢c) 、測試相同信道環(huán)境下，ALOHA算法、基于碼分多址的時隙ALOHA算法 (CDMA-S-ALOHA) 以及基于碼分多址的預約ALOHA算法(CDMA-R-ALOHA)對系統(tǒng)吞吐量
的影響。測試時取N等于2， g等于0.5。
6) 、算法測試結果的分析。
a) 、信道數(shù)N對系統(tǒng)吞吐量的測試結果如附圖2所示。從圖中可以看出隨著碼分 信道數(shù)目的增加，標簽的吞吐量增大，標簽的吞吐量的穩(wěn)定范圍也在增大。當Gi時， 標簽的吞吐量達到最大。
b) 、標簽數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率g對系統(tǒng)吞吐量的影響測試結果如附圖3所示。從
圖中可以看出，當g增大時，RFID系統(tǒng)的吞吐量性能逐漸改善，同時當G增加時，系 統(tǒng)吞吐量Sn逐漸增加。當G-2時，系統(tǒng)吞吐量達到最大值，最大系統(tǒng)吞吐量為0. 538。
c)、在相同的信道條件下，不同算法對系統(tǒng)吞吐量的影響的測試結果如附圖4所 示。采用AL0HA算法和采用基于CDMA-R-AL0HA防碰撞算法的系統(tǒng)吞吐量都小于 CDMA-S-ALOHA防碰撞算法。這是因為基于CDMA-R-ALOHA防碰撞算法的數(shù)據(jù)傳輸占用了 部分碼分信道，申請幀可用的碼分信道數(shù)目小于基于CDMA-S-ALOHA防碰撞算法。但基 于CDMA-R-ALOHA算法系統(tǒng)的吞吐量要大于基于AL0HA算法的系統(tǒng)的吞吐量。
另外，本方法所涉及的數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖5所示。
權利要求
1.一種RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法，所述的RFID系統(tǒng)包括閱讀器、標簽和信道；其特征在于，所述信道包括一個下行廣播信道和多個上行碼分信道；所述的上行碼分信道的時間軸被劃分為多個時隙，所有標簽共享所述的時隙和上行信道；RFID系統(tǒng)在每一個時隙處于以下某一狀態(tài)1)空閑狀態(tài)上行的碼分信道空閑，沒有數(shù)據(jù)包傳輸；2)沖突狀態(tài)有兩個或兩個以上的標簽向同一上行碼分信道發(fā)送預約請求幀；發(fā)生競爭沖突，預約請求失??；3)發(fā)送預約請求狀態(tài)某一碼分上行信道只有一個標簽發(fā)送預約請求幀，預約請求成功；4)表示發(fā)送狀態(tài)標簽在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包；各狀態(tài)之間的轉換關系如下1)若前一時隙RFID系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，在當前時隙，a)沒有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)保持空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由空閑狀態(tài)轉入預約狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由空閑狀態(tài)轉入沖突狀態(tài)；2)若前一時隙RFID系統(tǒng)處于沖突狀態(tài)，在當前時隙，a)沒有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入預約狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID系統(tǒng)保持沖突狀態(tài)；3)若前一時隙RFID系統(tǒng)處于預約狀態(tài)，在當前時隙，RFID系統(tǒng)轉入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)；4)若前一時隙RFID系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，且數(shù)據(jù)發(fā)送完成，在當前時隙，a)沒有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入空閑狀態(tài)；b)只有一個標簽占用信道，RFID系統(tǒng)由沖突狀態(tài)轉入預約狀態(tài)；c)有兩個或兩個以上的標簽占用信道，RFID系統(tǒng)保持沖突狀態(tài)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法，其特征在于，包 括以下步驟1) 閱讀器通過下行廣播信道發(fā)送激活指令到標簽;所述的激活指令包含信 道信息和幀同步信息；2) 標簽向閱讀器發(fā)送預約指令； 3) 若沖突，閱讀器向標簽發(fā)出靜默指令，標簽退出當前時隙，等待下一時 隙通信；返回步驟1);若不沖突，閱讀器向提出預約的標簽發(fā)出通信指令；進入下一 步；4) 標簽與閱讀器數(shù)據(jù)通信；5) 閱讀器向己經(jīng)通信完畢的標簽發(fā)出退出指令，該標簽不再參加以后時隙 的通信；返回步驟l)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防碰撞算法。本發(fā)明引進馬爾可夫鏈建模，提出了一種基于碼分多址的預約ALOHA的防碰撞算法。該發(fā)明包括以下幾個部分1)信道建模假設信道為頻率平坦型信道，并且信道包括一個下行廣播信道和N個上行碼分信道。2)算法建模在上述信道建?；A上，采用馬爾可夫建模過程，確定信道可能處于四種離散的工作狀態(tài)空閑、沖突、發(fā)送預約請求與發(fā)送狀態(tài)并確定四種工作狀態(tài)之間的相互轉換關系；3)算法的測試。實驗表明在相同的信道條件下，采用本發(fā)明提出的CDMA-R-ALOHA防碰撞算法的系統(tǒng)吞吐量大于ALOHA算法。
文檔編號G06K7/00GK101359361SQ20081014323
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權日2008年9月17日
發(fā)明者何怡剛, 侯周國, 劉拓晟, 兵 李, 李慶國, 袁莉芬, 黃立宏 申請人:湖南大學