防碰撞算法

1971-1980年
1981-1990年
RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测 试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。
RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始 出现。
1991-2000年
2001-今
RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用。
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在这个例子中，时隙的大小为3，因为BFSA的帧大小是固定的，所以 它的应用也比较简单，但是，这也造成了它的效率低下。比如说，当 标签数远大于时隙数时，每个时隙都会因为有多个标签存在而产生碰 在第一个阅读周期中，Tag 1 和 撞。当标签数远小于时隙数时，大量的帧时隙被浪费。 Tag 2 and Tag 5在时隙2中分别 Tag 4能够被识别因为在时隙3中 Tag 3在时隙1 中同时发送自己 Tag 1, 2, 3和5必需在第二个周 发送自己的识别码期中重新回应阅读器 只有它一个标签 的识别码
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• AFSA算法计算了当要求读取率为99%时需要多少 时隙，然后选择一个最小的时隙数量。正因为 AFSA能够估计标签的数量，所以它的性能相对其 它来说比较好，但是AFSA算法仍然不能将帧大小 增加到无穷大，因此在少量标签时效果比较好， 在大量标签情况下仍然不太理想。不能用于锁定 已读标签的情况。
20 – 40 12–19
128 64
32 16
1 1
1 1
6–11
...
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8
...
1
...
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• 从上图可以看出，只有当标签数和帧大小相同时 系统才能达到最大的效率。 • 下图表示系统效率和帧大小的关系：
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Figure 4. System efficiency vs. frame size
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• 如果我们对方程3进行微分，就能得到系统效率最 高时标签的数量
• 解上面的方程得：
• 如果知道n，那么最佳帧大小可以得到：
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• 如果b非常大，由泰勒级数得：
• 上述结果告诉我们，当帧大小和标签数大致相等 时系统效率达到最大。上面已经说过，当标签数 过多时我们可以进行分组以限制每次读取的标签 数。 • 下图为分组数量和系统效率之间的关系：帧大小 固定为256：
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未读标签数、帧大小、分组之间的关系
The number of unread tags
... 1417 – 2831
Frame Size
... 256
Modulo (M)
... 8
708 – 1416 355 – 707
177 – 354
256 256
256
4 2
1
82 – 176 41 – 81
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BFSA DFSA EDFSA的对比
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研究现状：
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2.1ALOHA算法
• 纯ALOHA协议(Pure ALOHA)： 当传输点有数据需要传送的时候，它会向立即向通讯频道 传送。接收点在收到数据后，会发送 ACK(Acknowledgement，即确认字符)到传输点。如果接 收的数据有错误，接收点会向传输点发送NACK。当网络 上的两个传输点同时向频道传输数据的时候，会发生冲突， 这种情况下，两个点都停止一段时间后，再次尝试传送。 • 分段(时隙)ALOHA(Slotted ALOHA)：这是对纯ALOHA协 议的一个改进。改进之处在于，它把频道在时间上分段， 每个传输点只能在一个分段的开始处进行传送。每次传送 的数据必须少于或者等于一个频道的一个时间分段。这样 很大的减少了传输频道的冲突。
RFID防碰撞算法
李帅 12720909 电路与系统
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目录
RFID的介绍 RFID防碰撞算法的研究现状 RFID防碰撞算法 总结与展望
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1.1RFID的介绍
• 射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是一种非接触式自动识别技术，其 基本原理是利用射频信号的传输特性，实现对被 识别物体的自动识别。 • 附在被识别物体表面或内部的电子标签存储着物 体的信息，当电子标签进入阅读器的适度区域时， 阅读器以无接触的方式将电子标签内的信息按照 一定的规则传输给后台计算机处理系统或电控系 统，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识 信息的功能。
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• 第一种算法利用空时隙的、碰撞时隙、和唯一时 隙的数目来确定时隙的多少，当碰撞时隙的数量 达到一定上限，阅读器自动增加时隙的数量以减 少碰撞的概率，若空时隙的数量大于一定的数目， 缺点： 动态帧时隙方法虽然能解决一些碰撞问题，但是单独的改变帧的大小并 阅读器自动减少时隙的数量以提高效率。 不能完全解决碰撞问题，因为帧大小不可能为无穷大，在上面第二种算 • 第二种算法的原理是起始的帧是固定的，一般选2 法中，如果标签数量比较少，识别的过程还比较顺利，但是当有大量的 标签时就会变得 非常耗时。因为帧大小问题从2或4开始。 或4，如果在第一帧中没有标签被识别，阅读器就 增加帧的大小，重复这个过程直到有一个标签被 识别，阅读器立刻停止当前的过程开始下一个帧 的阅读。
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增强型动态帧时隙算法(EDFSA)
• Enhanced Dynamic Framed Slotted ALOHA (EDFSA) Algorithm • 在前面几种算法中，如果标签数远大于时隙的数 量，标签碰撞的概率就会很快的增加。一般来说， 我们是通过增加帧时隙个的数量来解决这个问题， 这里系统效率被定义为唯一时隙比上目前 但局限是帧大小不可能为无穷大。EDFSA首先估 的帧大小，由估计的标签数比上帧大小来 计算。估计的标签数可由方程(1)得到。 计未读标签的个数，如果阅读器发现标签的数量 太多而会影响系统效率时，就会限制标签的数量， 具体就是把标签分为多个组，每次只允许一组作 出响应。
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1.2RFID技术的发展
时间 RFID技术发展
1941-1950年
1951-1960年 1961-1970年
雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技 术的理论基础。
早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。
2013/4/22 Байду номын сангаас9/总页数
• 在每个阅读周期，阅读器估计未读标签的个数来 计算下一个周期的吞吐量和分组数。如果标签数 阅读器如何给标签分组，或者说如果通知标签确定自己的组号？ 过小，帧就自动减小以提高效率。 • 当阅读器限制标签数量时，阅读器在广播中发送 一个组数和一个随机数，标签接收到这个随机数 以后与自己的序列号相组合生成一个新的数字， 用这个数字除以标签的组数。？？？？只有具 有？？？才作出响应，当估计的未读的标签数小 于临界值时，阅读器调整帧大小而不再进行分组。 就是说广播一个帧大小和一个组1，每个阅读周期 后，阅读器估计标签的个数直到全部读出。
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Figure 3. System efficiency vs. the number of tag groups
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• 考虑到复杂性实验采用了(2,4,8…)作为分组数。 图3表示当帧大小固定为256时系统效率随标签数 增加的关系，从图3可以看出当未读标签数和帧大 小大概相同时的系统效率最高，为36.8%。如果 给定标签如何分组能使系统效率达到最高呢？ 标签数小于帧大小，就不用再分组了。 • 以1和2为例，首先确定当分组为1和2系统效率相 等的点： • 可以化为： • 因此得到n=354。
是根据这个原理来最小化估计实际标签数量 与真实标签数量之间的差距。
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• 标签数目的估计方法是用采用帧大小N和前一帧 读取的结果。方程(1)用三个数< c0,c1,ck >分别代 表空时隙，唯一时隙和碰撞时隙的个数。 • 分别表示空时隙，唯一时隙和碰撞时隙的估计值， 其中N和n代表时隙的大小和标签的个数。在 AFSA算法中，假设已读标签在其它阅读已经被读 到。
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2.2 Slotted ALOHA协议：
• 时隙ALOHA算法是指一个标签在一个时隙中将自 己的序号发给阅读器以让阅读器唯一的识别自身。 一个时隙表示标签将自身序号发给阅读器的一段 时间间隔。标签被识别的条件是在一个时隙中只 存在一个标签。目前RFID系统是使用的一种叫做 帧时隙的ALOHA算法。一帧表示阅读器请求数据 的一个间隔，一帧包含多个时隙。一个阅读周期 表示一帧中识别标签的过程。下面介绍目前存在 的ALOHA防碰撞算法和它们的性能。
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2.3帧时隙ALOHA防碰撞算法
• 基本帧时隙ALOHA算法(Basic Framed Slotted ALOHA (BFSA)) • 基本帧时隙算法使用一个固定的帧大小，帧大小 在识别的过程中不改变，基本帧时隙算法中，阅 读器给标签提供帧大小和随机数，每个标签用这 个随机数选择一个时隙将自己的信息发给阅读器。 • 图1表示基本帧时隙算法的过程：
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系统效率和标签数量的关系
( The frame size N =256 )
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 0
图2 N固定为256时系统效率和标签数量的关系
标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有 源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展， 电子标签成本不断降低。
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1.3RFID系统分类
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1.4RFID系统组成
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2、RFID防碰撞算法的研究现状
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EDFSA算法的分析
• 一般来说，在帧时隙的防碰撞算法中，随着标签 的数量增大，读取效率会随之下降，阅读器使用 一个N的帧大小和n个标签数时，r个标签同时出现 在一个时隙服从二项分布： 因此，在一个周期中标签读取数的期望如下：
其中aN,n表示有r个标签存在的时隙数（帧大小为N, 未读标签数为n）,系统效率计算如下 ：
1
基于ALOHA的不确定性算法
特点：读取标签的量较大，速度较快。 缺点：很多情况下读取率达不到100%。
2
基于二叉树 的确定性算法
特点：通过完全读取，读取率达到100% 。 缺点：标签量很多的时候读取时间过长。
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主要研究机构
• • • • 复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室 东南大学 无线电工程系 山东大学 计算机科学与技术学院 西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国 家重点实验室。 • 南京邮电大学 电子科学与工程学院 • 中国科学技术大学
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高级帧时隙算法（Advanced Framed Slotted ALOHA (AFSA) Algorithm）
• 由于前面所述的算法都是盲目的设置帧的大小， AFSA也采用空时隙，唯一时隙，和碰撞 如果能够估计标签的数量，将后取得更好的效果。 时隙来估计标签的数目 AFSA就是这样产生的。AFSA首先估计标签的个 数然后选择一个合适的帧大小。 根据Chebyshev不等式，具有随机变量X的 随机实验的结果在期望E(X)的附近，此式就 • AFSA采用下面的函数来估计标签的数目：
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动态帧时隙ALOHA算法（Dynamic Framed Slotted ALOHA (DFSA) Algorithm）
• 针对基本帧时隙ALOHA算法的缺点，有人提出了 动态帧时隙的ALOHA算法，其基本思想是根据标 签的多少动态的改变时隙的数量。
这类算法关键：
如何确定时隙的数目？ 如何确定时隙的数目？