CN112131900B - 一种基于帧时隙分组的动态帧时隙aloha防碰撞方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，包括以下步骤，初始化读写器及其参数：成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll设置为0，初始化帧长N，时隙数计数器S＝N，帧分组G＝1；对一帧进行识别，且在每一时隙识别结束后判断时隙状态，当时隙数计数器S为0时，结束该帧的识别，否则返回进行时隙识别；根据成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll判断剩余标签n数量，若仍有标签未识别，进行调整和下一帧识别；判断G值，当G＝0时结束识别，否则返回识别过程。通过本发明可以实现降低算法复杂度、减少所用帧时隙数目和提高系统吞吐率的有益效果。

Description

一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法
技术领域
本发明涉及无线通信的射频识别标签防碰撞技术领域，尤其涉及一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是以电磁波为传播介质、不需要相互接触就可以实现自动识别和数据交换的无线射频技术。一套典型完善的RFID系统包含RFID标签、RFID读写器、天线和后台管理平台。RFID读写器是以广播形式向周围标签发射信号，RFID标签则使用多路存取方式向读写器传输数据，很容易出现一个读写器工作范围内有多个标签同时响应，多个标签共用一个信道进行数据传输，标签数据出现干扰，出现标签碰撞现象。目前通常采用标签防碰撞算法来解决RFID系统出现标签碰撞问题，因此标签防碰撞算法也是RFID系统较为核心的一环。
现有的标签防碰撞算法主要分为确定性算法和非确定性算法，其中确定性算法是基于二进制树无记忆算法，读写器通过发送查询ID号命令，不断缩小响应标签群范围，因此该类算法信道利用率高，不会出现“饿死”情况，但是算法存在系统时延较长、复杂度高缺点；非确定性算法是一种概率性算法，即在每一帧时隙发生碰撞，读写器会重新选择某个时隙进行响应，该算法的实现比较简单，但存在吞吐率性能低的问题。
动态帧时隙ALOHA(Dynamic Frame Slot Aloha)算法是最常用的标签防碰撞非确定性算法，能够克服帧长固定不能调整所带来的缺点，读写器可以根据上一帧碰撞时隙、成功时隙和空闲时隙反馈进行动态进行调整下一帧长。但是由于硬件水平受限，通常读写器帧长N只能为4、8、16、32、64、128、256，而导致算法不断调整帧长而带来吞吐率性能低问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，能够减少动态帧时隙ALOHA算法调整帧长所用时隙数，从而提高RFID系统的吞吐率。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，包括以下步骤，
步骤1，初始化读写器及其参数：成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll设置为0，初始化帧长N，时隙数计数器S＝N，帧分组G＝1；
步骤2，对一帧进行识别，且在每一时隙识别结束后判断时隙状态，当时隙数计数器S为0时，结束该帧的识别，否则返回进行时隙识别；
步骤3，根据成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll判断剩余标签n数量，若仍有标签未识别，进行调整和下一帧识别；
步骤4，判断G值，当G＝0时结束识别，否则返回步骤2的识别过程。
进一步的，在本发明中：所述帧长N与标签n的关系为：
其中，读写器帧长的取值包括4、8、16、32、64、128和256，能够得到帧长N与标签n的对应关系。
进一步的，在本发明中：采用组合帧长来使其靠近标签数量，即帧长的各取值之间能够进行任意组合，并得到帧长和标签分组。
进一步的，在本发明中：步骤2还包括以下步骤，
步骤21，标签在[1，N]之间产生随机数m，当标签随机数m和帧长N的时隙数匹配相同时候才能够产生响应；
步骤22，对某一时隙识别结束后判断时隙状态，隙识别标签成功则成功时隙Ssuc++；若该时隙出现空闲，则空闲时隙sfree++，否则发生碰撞即碰撞时隙Scoll++；
步骤23，完成此时隙识别，此时S--，并判断S是否为0，若不为0，则此帧还有时隙需要识别并返回到时隙识别步骤；若为0，代表此帧识别结束G--。
进一步的，在本发明中：步骤3中的调整还包括，根据剩余标签的数量通过帧长N与标签n的关系得到对应的帧长，从而对下一时隙帧长调整。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明中采用基于帧时隙分组思想，能够根据帧长和标签分组表通过简单计算进行帧长的调整，不需要复杂运算，减少了算法复杂度；
(2)本发明的实现过程减少了RFID系统时隙数目，从而降低系统开销；
(3)本发明能够增加RFID系统吞吐率，提高了系统标签识别性能。
附图说明
图1为本发明所述基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法的整体流程示意图；
图2为基于本发明方法和传统方法下得到的吞吐率对比折线示意图；
图3为基于本发明方法和传统方法下所用时隙数目对比折线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
参照图1的示意，一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，包括以下步骤，
步骤1，初始化读写器及其参数：成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll设置为0，初始化帧长N，时隙数计数器S＝N，帧分组G＝1；
具体的，帧长N和标签数目n之间的关系为：
假设读写器设置帧长为N，读写器工作范围总共有n个标签待识别，某个时隙有没有标签选择是随机的，符合二项分布，则一个时隙内有k个标签选择需要响应概率为：
其中，p＝1/N，则一个时隙内只有一个标签响应，也即标签响应成功的概率为：
一个时隙内没有标签响应，也即出现空闲的概率为：
一个时隙内出现碰撞的概率为：
Pcoll＝1-Psuc-Pfree
则一个周期识别标签成功的个数为：
nsuc＝NPsuc
在射频识别系统中，其吞吐率S定义为：
对吞吐率S的计算式进行求微分可以得到：
求解可得：
N＝n+1≈n
可以得出，当帧长N和标签n相等时候，经过计算，射频识别系统的吞吐率S＝0.368达到最大值，也即当帧长调整到N与标签数目n相等时，吞吐率S达到最大值。
进一步的，在帧长N与2N帧长曲线出现交点时，也即：
Psuc(N)＝Psuc(2N)
可以得到帧长N与标签n的关系为：
当帧长N与2N出现交点，计算出此时S约为0.347，射频识别系统维持较高效率。
其中，读写器帧长的取值包括4、8、16、32、64、128和256，将帧长N的取值分别带入N＝n和帧长N与标签n的关系式，得到帧长N与标签n的对应关系如下表1：
表1：帧长与标签对应关系表
帧长N 标签n
4 4～5
8 8～11
16 16～22
32 32～44
64 64～88
128 128～177
256 256～354
进一步的，采用组合帧长来使其靠近标签数量，即帧长的各取值之间能够进行任意组合，并得到帧长和标签分组如下表2所示：
表2：帧长和标签分组表
帧长N 分组G 标签n
4 1 4～7
8 1 8～11
12＝8+4 2 12～15
16 1 16～22
24＝16+8 2 22～31
32 1 32～44
48＝32+16 2 45～63
64 1 64～88
96＝64+32 2 89～127
128 1 128～177
192＝128+64 2 178～255
256 1 256～354
384＝256+128 2 355～511
512＝256*2 2 512～709
768＝256*3 3 710～1023
1024＝256*4 4 1024～1419
...... ...... ......
步骤2，对一帧进行识别，且在每一时隙识别结束后判断时隙状态，当时隙数计数器S为0时，结束该帧的识别，否则返回进行时隙识别；
具体的，该过程还包括以下步骤，
步骤21，标签在[1，N]之间产生随机数m，当标签随机数m和帧长N的时隙数匹配相同时候才能够产生响应；
步骤22，对某一时隙识别结束后判断时隙状态，隙识别标签成功则成功时隙Ssuc++；若该时隙出现空闲，则空闲时隙Sfree++，否则发生碰撞即碰撞时隙Scoll++；
步骤23，完成此时隙识别，此时S--，并判断S是否为0，若不为0，则此帧还有时隙需要识别并返回到时隙识别步骤；若为0，代表此帧识别结束G--。
步骤3，根据成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll判断剩余标签n数量，若仍有标签未识别，进行调整和下一帧识别；
具体的，根据剩余标签的数量通过帧长N与标签n的关系得到对应的帧长，从而对下一时隙帧长调整。本实施例中通过帧长和标签分组表能够迅速进行查找不需要复杂计算，并且根据表进行参数设置Ssuc＝Sfree＝Scoll＝0、帧第1帧长N0、帧分组G等值，若没有未识别标签，则进入下一步。
步骤4，判断G值，根据上表2，当G＝0时结束识别，否则返回步骤2的识别过程。
为了对本发明提出的基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法在应用中的效果进行验证，进行如下的对比实验：
通过MATLAB软件进行仿真，分别采用本发明算法和传统动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，从而验证其性能，本实验中的仿真参数说明如下表3所示：
表3仿真参数说明
符号 含义
Ssuc 成功时隙
Sfree 空闲时隙
Scoll 碰撞时隙
G 帧分组数
L 帧长
N 标签数
S 吞吐率
算法最大帧长设置为256，标签数目0-1500之间，统计系统吞吐率、系统时隙数目，仿真次数200后取平均值，得到的两种方法下系统的吞吐率对比折线图如下图2所示，系统所用时隙数目对比折线图如下图3所示。
可以看出，随着标签数目n的增加，相对于传统方法，采用本发明提出的方法能够使系统的吞吐率S维持在34％-36％之间，即保持较高的吞吐率，而传统方法下得到的吞吐率则有一个非常明显的下降；另外，相比于传统方法，采用本发明所提出的方法在相同标签数目的情况下，所用帧时隙数目更少，减少了约39％，且标签数目越多，两种方法下所用帧时隙数目的差异也越大，可以看出在更多标签数目的情况下，采用本发明的方法能够更好的减小所用帧时隙数目。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，初始化读写器及其参数：成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll设置为0，初始化帧长N，时隙数计数器S＝N，帧分组G；
步骤2，对一帧进行识别，且在每一时隙识别结束后判断时隙状态，当时隙数计数器S为0时，结束该帧的识别，否则返回进行时隙识别；
步骤2还包括以下步骤，
步骤21，标签在[1，N]之间产生随机数m，当标签随机数m和帧长N的时隙数匹配相同时候才能够产生响应；
步骤22，对某一时隙识别结束后判断时隙状态，隙识别标签成功则成功时隙Ssuc++；若该时隙出现空闲，则空闲时隙Sfree++，否则发生碰撞即碰撞时隙Scoll++；
步骤23，完成此时隙识别，此时S--，并判断S是否为0，若不为0，则此帧还有时隙需要识别并返回到时隙识别步骤；若为0，代表此帧识别结束G--；
步骤3，根据成功时隙Ssuc、空闲时隙Sfree和碰撞时隙Scoll判断剩余标签n数量，若仍有标签未识别，进行调整和下一帧识别；
步骤3中的调整还包括，根据剩余标签的数量通过帧长N与标签n的关系得到对应的帧长，从而对下一时隙帧长调整；
步骤4，判断G值，当G＝0时结束识别，否则返回步骤2的识别过程。
2.如权利要求1所述的基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，其特征在于：所述帧长N与标签n的关系为：
其中，读写器帧长的取值包括4、8、16、32、64、128和256，能够得到帧长N与标签n的对应关系。
3.如权利要求1或2所述的基于帧时隙分组的动态帧时隙ALOHA防碰撞方法，其特征在于：采用组合帧长来使其靠近标签数量，即帧长的各取值之间能够进行任意组合，并得到帧长和标签分组。
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