CN104036208A - 一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法 - Google Patents

Abstract

在煤矿井下移动目标定位系统中，设计可靠的、并发识别能力好的无线通信算法，可以有效减少定位系统的漏读率，并通过对无线碰撞概率的控制，提高系统的可靠性，从而达到提高矿井移动目标定位系统性能，为煤矿生产提供安全保障的目标。本发明在此分析矿井定位系统的几种无线通信技术及其对漏读率影响的基础上，发明设计了“多发筛漏”算法，并在多发筛漏法的基础上，引入“时间片调度”算法，该算法在实现读卡器和标签双向通信的基础上，有效的降低了漏读率，可谓一举两得。

Description

一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到煤矿井下移动目标通信的防碰撞方法，即对井下人员定位系统的防碰撞方法。

背景技术

随着我国通信技术和计算机技术的发展，通过仿制以及自主研发等手段，陆续开发出基于无源射频识别、有源射频识别、Zigbee网络等技术的井下定位系统。

在分析调查多家定位系统的井下无线通信技术后，发现有以下两个方面是众多定位系统的“通病”：

(1)并发识别能力不强。所谓并发识别能力，即多个移动目标携带定位标签出现在同一地点，读卡器将其分辨出来的能力。由于无线信号碰撞，系统常常出现出现“漏读”和“误码”现象。有些定位系统标签并发漏读率甚至在30％以上，远不符合行业需求。

(2)系统功能不完善，可靠性不高，不能实现完全人员识别区域定位，易出现“多卡”、

“漏卡”或“一卡同时多位置”等现象，地面控制中心接收到信息与实际情况有误差。

选择合适井下无线通信技术，设计合适的通信协议和防碰撞算法，可以在现有硬件条件的基础上，发挥其最大性能，提高通信成功概率，减小漏读率，优化无线通信网络。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服以上技术的不足，设计了“多发筛漏”算法，并在此基础上引入“时间片调度”算法，在较多标签并发识别的时候，保证较低的漏读率。

本发明的技术解决方案是：在多发筛漏法的基础上设计标签与读卡器的握手通信，以及如何将时间片校正信息反馈给标签，并且合理的分配标签和读卡器的工作量，以及充分考虑标签节能的问题。

设计时间片调度法工作流程如下：

(1)标签采用定时发送的工作流程，标签休眠秒后发送自己的卡号，发送完成后等待读卡器回应。

(2)读卡器接收到标签的无线数据，并将当前读卡器时间片序号h、时隙是否忙碌及其它系统数据发送给标签，为标签提供时钟参考。

(3)标签发送后等待一段时间，若接收到读卡器的返回信号，提取其中读卡器的时间片序号，根据h_T＝NUM％X计算出该标签所属的时间片序号，若h_T与h相同，则休眠t_W时间后再次发送；若h_T与h不同，则调整自己的休眠时间t_W为t_W’，使标签下一次发送时间位于 自己所属于的时间片中。

(4)标签发送后等待一段时间，若没有收到读卡器的返回信号，则休眠一段随机时间(此休眠时间小于t_W)后重新发送，直到达到最大的重试次数为止。

关于时间片校正的设计是：读卡器内部维护一张时间片表，随时更新标签占用时间片的状态，当收到标签后，如果标签所属的时间片空闲，读卡器把当前时间片号码发送给标签；如果标签所属时间片忙碌，读卡器将当前时间片序号和空闲的备用时间片序号发送给标签。标签收到读卡器数据后，根据当前时间片序号，计算出自己本次休眠的时间。即读卡器“查找”，标签“调整”。

附图说明

图1示出了两个标签工作示意图；

图2示出了标签碰撞示意图；

图3示出了时间片调度示意图；

图4示出了时间片分配示意图。

具体实施方式

1.标签碰撞模型分析

矿井移动目标定位系统基于有源RFID技术的退避算法，下面分析标签碰撞现象。设标签有效侦听时间为t_L，发送时间为t_S，休眠时间为t_W。标签每次发送数据后进入睡眠状态，经历t_W时间后醒来再次发送数据，发完后再次进入睡眠状态。所以，标签的工作流程是一种周期性工作，设标签进行一次侦听、发送、休眠的过程为以工作周期，时长为T，那么有：

T＝t_L+t_S+t_W+Δt

其中Δt为标签从无线发送状态转换到休眠状态所耗费的时间，即工作状态转换时间间隔。由于t_L、t_S及Δt均为毫秒级，t_W为秒级，所以工作周期与休眠时间近似相等。

实际标签的先听后发的CSMA/CA判断是一定强度的载波积累t_L时间段后，达到一定的能量值，若该值超过载波侦听的判决门限，则认为信道忙碌。此过程与侦听时间、载波信号强度、判决门限，环境噪声、无线传输多径效应等因素有关，为了建模、分析方便，这里对标签的先听后发的CSMA/CA判断做如下简化：对于标签的有效侦听时间t_L，标签必须听满t_L长时间的载波，才会认为信道忙碌。即侦听时间段内，若载波没有完全占满信道，则认为信道空闲。设有两个标签分别为C₁和C₂，它们的发送时间点处于不同相对位置时的工作状态如图1所示，横坐标为时间，纵坐标标示出了标签C1、C2的工作状态。图中灰色的横条代表监听，白色横条代表发送，时长分别为t_L和t_S，二者在一起组成一个完整的先听后发过程。C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄表示C₂标签相对于C₁标签四个不同的发射时间。

当标签C₂处在C₂₁情况，即标签C₂在t₁时刻开始侦听信道，C₁在t₀时刻开始侦听信道，C₁和C₂两个标签占用信道的时间完全错开，均侦听到信道空闲，向读卡器发送自己的ID号，读卡器能正确接收到两个标签的信息。这种情况，定义为信道空闲发送成功的情况。

当标签C₂处在C₂₂情况，即标签C₂在t₂时刻开始侦听信道，而C₁则在t₀时刻开始侦听信道，由图中可以看出，在C₁侦听信道的全部过程中，C₂一直处于发送状态，即C₁监测信道一直忙碌。此时标签C₁会退避，延时重发(重发状态未在图中表示出来)。当标签C₂处在C₂₃情况，于t₄时刻开始侦听信道，此时与上述情况恰好相反，在C₂侦听信道的全部过程中，C₁一直处于发送状态。C₂监测信道忙碌，会退避，延时重发。这种情况，定义为并发识别中的信道忙碌检测成功。

当标签C₂处在C₂₄情况，即在t₃时刻开始侦听信道，而C₁在t₀时刻侦听信道时，信道处于完全空闲状态，而标签C₂侦听到信道中有部分载波，但由于累积载波强度没有达到门限值，C₂会误认为信道空闲，发送数据。此时，C₂发送的无线信号与C₁的信号同时存在同一信道中，造成无线碰撞。而读卡器无法从混叠的信号中分辨出正确的信号，造成传输错误。标签C₁和C₂均认为信道空闲，数据发送成功，不会退避重发。

根据上述分析，在煤矿井下定位系统中标签并发识别会出现信道空闲发送成功、信道忙碌检测成功和信道忙碌检测失败三种情况。前两种情况，标签可以自己检测到状态，相应采取措施，休眠或退避重发。信道忙碌检测失败的情况，标签则无法知道自己的通信状态，读卡器也没有检测到标签信号。下面使用概率分析的方法，计算上述几种情况发生的概率。

2.两个标签退避0次碰撞概率

首先分析定位系统并发接收中最简单情况，设有两个标签C₁和C₂，二者均使用CSMA/CA侦听信道是否忙碌，但退避次数为0，即若检测到信道忙碌后便进入休眠状态，而不是退避延时重发。其碰撞模型如图2所示，C₂₁、C₂₂、C₂₃和C₂₄分别表示标签C₂四个不同的发送时间的状态。C₁’和C₂₄’表示C₁和C₂₄检测到信道忙碌而退避发送状态。

当C₂的发射时间在时间点t₁和t₂之间(即图中C₂₁位置到C₂₂位置)时，C₂能够发送成功，C₁会侦听到信道忙碌，退避一段时间，在如图虚线C₁’位置发送信号；当C₂在时间点t₄和t₅之间(即图中C₂₃位置到C₂₄位置)时，C₁能够发送成功，C₂会侦听到信道忙碌退避，如图所示，C₂在C₂₄时间点侦听到信道忙碌，会延时至C₂₄’发送。如果退避后信道空闲，C₂可成功发送。上述两个时间段为信道忙碌检测成功的情况。在标签的工作周期T内，这种情况发生的概率是时间段t₁到t₂，以及t₄到t₅的长度之和比上工作周期T，设两个标签退避次数为0，发生信道忙碌检测成功的概率为P₁(2，0），其中2代表并发标签个数，0代表最大退避次数，其表达式为：

$P_1\left(\mathrm{2,0}\right)=\frac{2t_S-2t_L}{T}$

而当标签C₂在时间点t₂和t₄之间(即图中C₂₂位置到C₂₃位置)，标签C₁和C₂会因为侦听的无线信号时间不够长，将忙碌的信道认为空闲，两个标签同时发送数据，造成无线并发碰撞，即信道忙碌检测失败的情况。在标签的工作周期内，这种情况发生的概率是时间段t₂到t₄的长度比工作周期T。设两个标签退避次数为0，发生信道忙碌检测失败的概率为P₂(2，0)，其表达 式为：

$P_2\left(\mathrm{2,0}\right)=\frac{2t_L}{T}$

3.n个标签退避0次碰撞概率

将上一节的情况有两个标签扩展到多个标签。讨论多个标签并发碰撞情况，除了两个标签碰撞，还需分析多个标签在同一时刻碰撞的可能。

对于信道忙碌检测成功的情况，设n个标签中有m个同时碰撞，其概率为P_m1(n，0)，其值为：

$P_{m1}(n,0)={\left(\frac{2t_S-2t_L}{T}\right)}^{(m-1)}---\left(1\right)$

n个标签信道忙碌检测成功的概率P₁(n，0)为：

$P_1(n,0)=C_{n-1}^1\×P_{21}(n,0)+C_{n-1}^2\×P_{31}(n,0)+C_{n-1}^3\×P_{41}(n,0)+\·\·\·+C_{n-1}^{n-1}\×P_{n1}(n,0)---\left(2\right)$

将(1)式中P_m1(n，0)的值带入(2)式，得：

$P_1(n,0)=\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{\left(\frac{2t_S-2t_L}{T}\right)}^m$

对于信道忙碌检测失败的情况，设n个标签中有m个同时碰撞，其概率P_m2(n，0)为：

$P_{m2}(n,0)={\left(\frac{2t_L}{T}\right)}^{(m-1)}---\left(3\right)$

n个标签信道忙碌检测失败的概率P₂(n，0)为：

$P_2(n,0)=C_{n-1}^1\×P_{22}(n,0)+C_{n-1}^2\×P_{32}(n,0)+C_{n-1}^3\×P_{42}(n,0)+\·\·\·+C_{n-1}^{n-1}\×P_{n2}(n,0)---\left(4\right)$

将(3)式中P_m2(n，0)的值带入(4)式，得：

$P_2(n,0)=\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{\left(\frac{2t_L}{T}\right)}^m$

4.n个标签退避i次碰撞概率

如果信道忙碌检测成功时，检测到碰撞的标签会退避重发。根据退避0次的碰撞概率，当标签最大退避次数为i，可计算出，标签退避i次仍碰撞的概率为退避后又碰撞的概率P₁(n，i)为：

$P_1(n,i)=[P_1{(n,0)]}^{(i+1)}=[\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{{\left(\frac{2t_S-2t_L}{T}\right)}^m]}^{(i+1)}---\left(5\right)$

而信道忙碌检测失败的情况，由于标签没有检测到信道忙碌，会误以为发送成功，在发送数据之后，进入休眠状态，不存在退避重发。设最大退避次数为i，其碰撞概率P₂(n，i)与不退避时碰撞概率P₂(n，0)相同，即：

$P_2(n,i)=P_2(n,0)=\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{\left(\frac{2t_L}{T}\right)}^m---\left(6\right)$

5.n个标签退避i次读卡器的漏读率

在前文中，从标签碰撞模型角度出发，分析了标签发生无线碰撞事件的概率，但是在实际系统使用中，测试人员和用户关心的往往不是标签的碰撞概率，而是是读卡器的漏读率。即n个标签并发时，读卡器能收到多少标签，有多少标签收不到。

根据对标签碰撞模型的分析，在信道忙碌检测成功的情况时，标签发生碰撞退避i次仍未发送成功，只会对退避不成功标签的工作状态造成影响，造成其漏读，而其它标签不会受影响，即一次碰撞只会造成一个标签漏读。

在信道忙碌检测失败的情况下，两个标签碰撞，由于无线信号相互干扰形成乱码，两个标签均会被漏读，即一次碰撞会造成两个标签的漏读。若m个标签同时碰撞，则一次碰撞会造成m个标签的漏读。

设有n个标签，其退避次数为i，读卡器接收标签的漏读率为Q(n，i)，根据上述分析，可以得出：

Q(n，i)＝P₁(n，i)+m×P₂(n，0)

其中，m表示多个标签在同一时刻发生信道忙碌检测失败情况的标签个数。将(5)式和(6)式的值带入上式，得出漏读率的值为：

$Q(n,i)=[\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^i\×{{\left(\frac{2t_S-2t_L}{T}\right)}^m]}^{(i+1)}+\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×m\×{\left(\frac{2t_L}{T}\right)}^m$

考虑实际系统中，标签工作周期T往往是秒级，而发送时间tS和侦听时间tL是毫秒级，T＞＞t_S，及的二次幂小于10^-5，可以忽略不计。实际物理意义为，三个标签同一时间碰撞的概率小于10^-5，即两个以上标签同时碰撞可忽略不计，上式可以简化为：

$Q(n,i)=P_1(b,i)+2{\×P}_2(n,0)=[{(n-1)\×\frac{2t_S-2t_L}{T}]}^{(i+1)}+2\×(n-1)\×\frac{2t_L}{T}$

6.时间片调度法设计

时间片调度法的设计思想与多发筛漏法不同，多发筛漏法充分利用标签发送时间的随机性，让标签尝试多次以获得一次的成功，即通过随机事件的重复尝试达到较高的成功率。而时间片调度法则希望标签每次发送数据都在相对固定的时间点或时间段，减少标签碰撞的可能性。

时间片调度法的核心是调节系统通信节奏，为标签发送时间“定时”。由于煤矿井下定位系统的通信模型是读卡器与标签之间形成点对多点的星形网络，因此使用读卡器而不是标签调节通信节奏更为合理。在时间片调度法中，标签仍然采用定时发送，工作周期为T。那么多个标签并发识别，不考虑无线碰撞的情况下，经过T时间，所有标签都将发送一遍无线数 据。将标签工作周期T用于读卡器，作为读卡器的通信周期。不考虑碰撞，经过T时间，读卡器能收到所有标签的信息。进一步将读卡器的工作周期T划分成若干个时间片，并将标签的发送时间调整至不同的时间片内，完成标签和读卡器的握手通信，即时间片调度，如图3所示。

由于标签被读卡器限定在不同的时间片内，每两个标签之间形成较为固定的时隙，标签之间的时间相对固定，减少了碰撞的可能。同时，读卡器记录下每个时间片是否有标签，即时间片“空”和“满”的状态，为下次标签进入做好准备。

设并发识别容纳的最多标签个数为N_max，标签工作周期为T，将标签工作周期划分成h个时间片，即时间片的序号为{0，2，3，……，H-1}。每个时间片的长度为τ，可以得出：

$\mathrm{\τ}=\frac{T}{h}$

并且，时间片长度τ必须大于标签和读卡器的通信时间，设读卡器和标签的握手通信时间至少为，t_H那么有：

τ＞t_H

另外为了使每个标签拥有独立的时间片，在设计时间片个数H时，有：

H≥N_max

若时间片的设计不能满足上述三式，则无法实现时间片调度法。

7.时间片分配设计

在划分好时间片以后，下面需要考虑的问题是时间片分配，即第几号标签在哪个时间片内。由于在实际工程应用中，同一下井班次的矿工卡号往往是连续的。根据这一特点，可将标签卡号对一个较大的整数取余(这个整数被称为取余参数)，得到的余数与时间片号一一对应，即标签的发送时间片号码与其余数相同。这就是标签与时间片的对应关系，时间片调度过程如图3所示。

设取余参数为X，将卡号余上X得到标签的时间片因子h_T，即

h_T＝NUM％X

h_T即是该标签所属的时间片序号。设计X大小时，要充分考虑到X小于H，即保证余数的种类小于时间片总个数。那些序号大h_T的时间片称为备用时间片。于没有当读卡器发现标签所属的时间片已经被占用时，可将标签调整至空闲的备用时间片发送。

举个简单的例子，比如开采一班共有80人，其卡号是从150号一直到230号。刚进入井下时，这些标签的发射时间是随即的。将读卡器的工作周期设定为2秒，并将其划分成200个时间片，即时间片号为{0，1，2，……，199}。设取余参数为100，那么标签算出的余数为{70，71，……，99，0，1，……，30}当标签和读卡器开始工作时，读卡器将时隙信息反馈给标签，并把这些标签按余数放到对应的时间片里，即完成了时间片调度。设有三个标签，分别为100号，101号，103号。当它们首次与读卡器进行通信时，所处时间片是混乱无章的，并且还有可能出现两个标签同处于一个时间片内的情况。经过读卡器校正时间后，在第二个 工作周期，各标签位于自己的时隙。并且会把这种较为分散的分布保持下去，这样，便实现了时间片调度。所以，时间片调度法在标签首次与读卡器通信时碰撞概率是比较高的，甚至高于多发筛漏法(因为读卡器的应答帧占用了部分无线资源)。但是经过读卡器的几次校正，碰撞就会少很多。

以下给出具体碰撞概率计算过程：

(1)标签首次发送通信失败的概率

设并发识别的标签数为n，工作周期为T，标签的侦听时间、发送时间、休眠时间分别为和t_W。读卡器在接收到标签信号后，对标签发送确认信号，设其侦听时间和发送时间分别为t_LR和t_SR。

在一个工作周期内，假设不发生无线碰撞，读卡器会收到n个标签发送的无线数据，读卡器会向n个标签各返回一条数据，即读卡器会发送n条数据。所以，在读卡器与标签的双向通信过程中，可能发生标签之间的无线碰撞，也可能发生标签与读卡器之间的无线碰撞。

当标签首次进入读卡器范围时，由于标签是随机分布的，所以可以沿用上一章的结论，将无线碰撞分为信道忙碌检测成功和信道忙碌检测失败两种情况，

标签发送卡号，设其退避次数为i，发生信道忙碌检测成功事件的概率P₁’(n，i)为

${P^{\′}}_1(n,i)=[{(n-1)\×\frac{2t_S-2t_L}{T}+n\×\frac{t_{\mathrm{SR}}+t_S-t_{\mathrm{LR}}-t_L}{T}]}^{i+1}$

式中，表示标签与其它标签数据碰撞的概率，表示标签和读卡器数据碰撞的概率。

发生信道忙碌检测失败事件的概率P₂’(n，i)为：

${P_2}^{\′}(n,i)=(n-1)\×\frac{2t_L}{T}+n\×\frac{t_L+t_{\mathrm{LR}}}{T}$

式中，表示标签与其它标签数据的碰撞概率，表示标签和读卡器数据的碰撞概率。

由以上两个式子可以得出时间片调度法标签的漏读率Q’(n，i)，表示标签没有被读卡器检测到的概率，其表达式为：

$Q^{\′}(n,i)=[(n-1)\×\frac{2t_S-2t_L}{T}+n\×{\frac{t_{\mathrm{SR}}+t_S-t_{\mathrm{LR}}-t_L}{T}]}^{i+1}+2\×[(n-1)\×\frac{2t_L}{T}+n\×\frac{t_L+t_{\mathrm{LR}}}{T}]---\left(7\right)$

设读卡器接收到的标签个数为n’，则有：

n′＝[1-Q′(n，i)]×n

所以读卡器处理的标签不是n个，而是n’个。并且有n’小于n。但由于在标签并发识别时，碰撞的标签只占极少数。一次并发识别，只有1、2个标签丢失，概率甚至不到百分之一，所以在下面的计算中，令n’与n相等，以简化计算复杂程度。

读卡器向标签发送数据时，读卡器不会与自己本身发生碰撞，只会和标签发生无线碰撞， 但读卡器发送数据要占用一定时间的信道。读卡器向标签发送数据时采用的退避算法，设退避次数为i’，与标签碰撞的概率为Q”(n，i’)，其表达式如下：

$Q^{\′\′}(n,i^{\′})=[n\×{\frac{t_{\mathrm{SR}}+t_S-t_{\mathrm{LR}}-t_L}{T-(n-1)\×t_S}]}^{i^{\′}+1}+n\×\frac{t_L+t_{\mathrm{LR}}}{T-(n-1)\×t_S}---\left(8\right)$

其中，T-(n-1)×t_S表示在工作周期T内，读卡器发送数据占去了(n-1)×t_S时长，留下T-(n-1)×t_S时长供读卡器此次发送数据及标签使用。

综上所述，时间片调度法中，标签向读卡器发送数据，并接收到读卡器的返回数据为握手通信成功，它要求两次通信都成功，若标两次通信中有一次失败，握手通信就不能成功。设标签重试次数j＝0时，设握手通信失败的概率为Q₀ ^T(n，i，i’)，则有：

$Q_0^T(n,i,i^{\′})=1-[1-Q^{\′}(n,i)]\×[1-Q^{\′\′}(n,i^{\′})]$

将(7)式和(8)式带入上式，得：

$Q_0^T(n,i,i^{\′})=1-\{1-[{(n-1)\×\frac{2t_S-2t_L}{T}+n\frac{t_{\mathrm{SR}}+t_S-t_{\mathrm{LR}}-t_L}{T}]}^{i+1}-2\×[(n-1)\×\frac{2t_L}{T}+n\×\frac{t_L+t_{\mathrm{LR}}}{T}]\}$ 当标签

$\×\{1-[n\×{\frac{t_{\mathrm{SR}}+t_S-t_{\mathrm{LR}}-t_L}{T-(n-1)\×t_S}]}^{i^{\′}+1}-n\×\frac{t_L+t_{\mathrm{LR}}}{T-(n-1)\×t_S}\}$

重试次数j大于0时，设握手通信失败的概率为Q_j ^T(n，i，i’），则有：

$Q_j^T(n,i,i^{\′})=[Q_0^T{(n,i,i^{\′})]}^{j+1}$

即标签首次发送，重试次数为j，通信成功的标签个数为个，通信失败的标签个数为

(2)标签第k个工作周期握手通信失败的概率

从上面的结果可以看出，由于标签是首次进入读卡器区域，所以标签所在时隙较为混乱，其漏读率和握手通信失败的概率较多发筛漏法没有改观。但是由于读卡器的时间片调节算法，使标签的发送时间有秩序的散开，所以每个工作周期内，无线碰撞的标签个数会逐渐减少，而不是像多发筛漏法中保持恒定。这就是时间片调度法的优越之处。

在时间片调度法中，将已经与读卡器握手通信成功的标签为“稳定标签”，没有与读卡器通信成功的标签为“不稳定标签”。由于稳定标签发送数据的时间相对固定，不会与其它稳定标签发生碰撞，只有可能和不稳定标签发生碰撞，设在第二个工作周期内，标签通信不成功的概率为[Q_j ^T(n，i，i’)]₂，可以得出：

$[Q_j^T{(n,i,i^{\′})]}_2=\{[Q_j^T{{(n.i.i^{\′})]}^{j+1}\}}^2=[Q_j^T{(n.i.i^{\′})]}^{2j+2}$

依此类推，第k个工作周期，标签通信不成功的概率[Q_j ^T(n，i，i’）]_k为

$[Q_j^T{(n,i,i^{\′})]}_k=\{[Q_j^T{{(n,i,i^{\′})]}^{j+1}\}}^k$

随着标签进入读卡器辐射范围时间的延长，握手通信失败的概率逐渐减少。其原因是标签的发送时间被读卡器规范到各个时间片中，稳定标签个数逐渐增加，不稳定标签个数逐渐减少。持续一段时间后，可以基本消除无线碰撞的现象。

Claims (2)

1. 一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法，在有源RFID技术和CSMA/CA先听后发退避算法实现定位系统的无线通信的基础上，发明设计了“多发筛漏法”算法并引入时间片调度算法，以减小漏读率。

   1.多发筛漏算法设计

   实际通信中标签至少需要数秒钟才能通过读卡器的覆盖范围，若标签休眠时间较短，那么可以在读卡器的覆盖范围内发送多次标签号。在标签的多次发送中，只要有一次被读卡器正确读到，便可认为是通信成功。所以，在标签能耗满足要求的前提下，适当地减少休眠时间，增加标签发射次数，有助于读卡器筛除漏读标签，减少漏读率。将这种连续尝试多次发送，以确保至少一次被成功接收到的方法，称为“多发筛漏法”。以n个标签退避i次的碰撞概率为例介绍。

   在通信过程中，当信道忙碌检测成功时，检测到碰撞的标签会退避重发。当标签最大退避次数为i，可计算出，标签退避i次仍碰撞的概率为退避后又碰撞的概率p₁(n，i)为：

   $P_1(n,i)=[P_1{(n,0)]}^{(i+1)}=[\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{{\left(\frac{2t_S-2t_L}{T}\right)}^m]}^{(i+1)}---(4-9)$

   而信道忙碌检测失败的情况，由于标签没有检测到信道忙碌，会误以为发送成功，在发送数据之后，进入休眠状态，不存在退避重发。设最大退避次数为i，其碰撞概率P₂(n，i)与不退避时碰撞概率P₂(n，0)相同，即：

   $P_2(n,i)=P_2(n,0)=\underset{m=1}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n-1}^m\×{\left(\frac{2t_L}{T}\right)}^m---(4-10)$ 。
2. 2.时间片调度算法设计

   时间片调度法希望标签每次发送数据都在相对固定的时间点或时间段，减少标签碰撞的可能性，它的核心是调节系统通信节奏，为标签发送时间“定时”。由于煤矿井下定位系统的通信模型是读卡器与标签之间形成点对多点的星形网络，因此使用读卡器而不是标签调节通信节奏更为合理。在时间片调度法中，标签采用定时发送，多个标签并发识别，在不考虑无线碰撞的情况下，经过一个周期所有标签都将发送一遍无线数据。将标签工作周期作为读卡器的通信周期，不考虑碰撞，一个周期内读卡器能收到所有标签的信息。如果将读卡器的工作周期划分成若干个时间片，并将多个标签的发送时间调整至不同的时间片内，完成标签和读卡器的握手通信，即时间片调度。

   在划分好时间片以后，下面需要考虑的问题是时间片分配，即第几号标签在哪个时间片内。由于在实际工程应用中，标签的编号往往是连续的，所以可将标签卡号对一个较大的整数取余(这个整数被称为取余参数)，得到的余数与时间片号一一对应，即标签的发送时间片号码与其余数相同。这就是标签与时间片的对应关系。

   设取余参数为X，将卡号余上X得到标签的时间片因子h_T，即

   h_T＝NUM％X

   h_T即是该标签所属的时间片序号。设计X大小时，要充分考虑到X小于H，即保证余数的种类小于时间片总个数。那些序号大h_T的时间片称为备用时间片。于没有当读卡器发现标签所属的时间片已经被占用时，可将标签调整至空闲的备用时间片发送。