时隙防碰撞算法研究和演示设计
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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• 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。
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传统的RFID防碰撞看法需要时隙的数量随着 标签的增多将随指数级的增长，EDFSA通过 估计标签的数量解决了这个问题，如果标签
数量过多就通过分组来提高标签的读取效率， 如果标签数量过少就减小帧大小。通过BFSA DFSA EDFSA的对比，当power和分组大 小为 2时,BFSA DFSA能达到36.8%，当标签数量为 1000时，EDFSA算法的效率可以达到85%到 100%，可以看出EDFSA具有更好的读取效果。
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固定帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
Frame Slotted Aloha(FSA) 将N个时隙组成一帧，一帧中包含的时隙数固定，标签随机选择N 个时隙中的一个与阅读器通信，一旦碰撞则等待下一帧，重新选择时隙重发信息。 优点：简化了时隙Aloha的随机退避机制。 缺点：当标签数远大于N时，出现“饿死现象”；
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在上图中，由于BFSA需要至少两次周期才能读 完,所以相对于其他方法来说需要更多的时隙(后 一个周期用来确定是否还有标签)。DFSA根据碰
撞概率来确定时隙个数，因此标签数越多， DFSA需要的时隙越多，大致成线性。如果初始 帧大小为128。 当数量较少时，EDFSA需要的时 隙数比DFSA多，但超过128时EDFSA效果开始 更好，这是因为EDFSA能够更快的适应帧大小。
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上图比较了在分组情况下三种算法的表现。我们可以观察到，随着标签数的增加BFSA和 DFSA需要的时隙数呈指数增加。因为大部分时隙被碰撞浪费掉了。EDFSA算法需要的 时隙数随着标签数的增加而线性的增加，这是因为EDFSA保持系统效率在34.6%和36.8之 间而不考虑未读标签的个数。从止图还可以看出，当标签数为1000时，EDFSA相对于 BFSA和DFSA的性能分别提高了100%和85%。 如果标签数更多会有更好的效果。
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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。而且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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• 纯AL OHA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 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 AL OHA): 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。
当标签数远小于N时，较多时隙空闲，产生浪费。
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动态帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
当系统待识别标签数较多时，动态增加帧长，可以降低时隙碰撞率，提高系统性 能；
当系统待识别标签数较少时，动态减少帧长，可以降低空闲时隙比率，提高时隙 利用率，提高系统性能；
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时隙防碰撞算法 研究与演示设计
为了满足RFID系统低标签成本和高识别 效率的要求，当前主要采用基于Aloha的 防碰撞算法 ；一般分为纯Aloha协议， 时隙Aloha协议，基本帧时隙Aloha算法 （BFSA），动态帧时隙Aloha算法 (DFSA)，增强型动态时隙Aloha算法 (EDFSA)。
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• 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。
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传统的RFID防碰撞看法需要时隙的数量随着 标签的增多将随指数级的增长，EDFSA通过 估计标签的数量解决了这个问题，如果标签
数量过多就通过分组来提高标签的读取效率， 如果标签数量过少就减小帧大小。通过BFSA DFSA EDFSA的对比，当power和分组大 小为 2时,BFSA DFSA能达到36.8%，当标签数量为 1000时，EDFSA算法的效率可以达到85%到 100%，可以看出EDFSA具有更好的读取效果。
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固定帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
Frame Slotted Aloha(FSA) 将N个时隙组成一帧，一帧中包含的时隙数固定，标签随机选择N 个时隙中的一个与阅读器通信，一旦碰撞则等待下一帧，重新选择时隙重发信息。 优点：简化了时隙Aloha的随机退避机制。 缺点：当标签数远大于N时，出现“饿死现象”；
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在上图中，由于BFSA需要至少两次周期才能读 完,所以相对于其他方法来说需要更多的时隙(后 一个周期用来确定是否还有标签)。DFSA根据碰
撞概率来确定时隙个数，因此标签数越多， DFSA需要的时隙越多，大致成线性。如果初始 帧大小为128。 当数量较少时，EDFSA需要的时 隙数比DFSA多，但超过128时EDFSA效果开始 更好，这是因为EDFSA能够更快的适应帧大小。
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上图比较了在分组情况下三种算法的表现。我们可以观察到，随着标签数的增加BFSA和 DFSA需要的时隙数呈指数增加。因为大部分时隙被碰撞浪费掉了。EDFSA算法需要的 时隙数随着标签数的增加而线性的增加，这是因为EDFSA保持系统效率在34.6%和36.8之 间而不考虑未读标签的个数。从止图还可以看出，当标签数为1000时，EDFSA相对于 BFSA和DFSA的性能分别提高了100%和85%。 如果标签数更多会有更好的效果。
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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。而且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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• 纯AL OHA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 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 AL OHA): 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。
当标签数远小于N时，较多时隙空闲，产生浪费。
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动态帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图
当系统待识别标签数较多时，动态增加帧长，可以降低时隙碰撞率，提高系统性 能；
当系统待识别标签数较少时，动态减少帧长，可以降低空闲时隙比率，提高时隙 利用率，提高系统性能；
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时隙防碰撞算法 研究与演示设计
为了满足RFID系统低标签成本和高识别 效率的要求，当前主要采用基于Aloha的 防碰撞算法 ；一般分为纯Aloha协议， 时隙Aloha协议，基本帧时隙Aloha算法 （BFSA），动态帧时隙Aloha算法 (DFSA)，增强型动态时隙Aloha算法 (EDFSA)。