[发明专利]基于卡间通信机制的射频识别传感器网络防碰撞系统及算法

说明书

技术领域

本发明涉及射频识别无线传感网中的标签碰撞技术领域，更具体涉及基于卡间通信机制的射频识别传感器网络防碰撞系统及算法。

背景技术

传统的标签碰撞主要出现在射频识别(RFID)领域。通常的RFID系统由标签和阅读器构成。当多个标签同时在阅读器范围内需要被识别时，碰撞问题就会发生。传统的解决办法包括ALOHA算法和基于树的算法。前者较为常用，但其本身存在标签饥饿问题，同时当较大数目的标签需要同时被识别的情况下，其性能滑坡也十分明显。ALOHA算法的原理是通过分离标签的响应时间而降低标签碰撞的概率，但最初的算法系统的吞吐率并不高。在其基础上提出了帧时隙ALOHA算法(FSA)和动态帧时隙ALOHA算法(DFSA)。通过将时间分成多个帧，再将帧分成不同的时隙。在每一帧中标签随机选择一个时隙去响应阅读器，从而更进一步分离标签的响应时间而减小碰撞的概率。但在大数目标签情况下，性能下降依旧十分明显。

在射频识别传感器网络中，图1、图2分别表示了其中两种主要的网络结构，图1为智能标签网络；图2为传感阅读器网络。两种网络结构分别对应了两种不同的需求：大范围特殊事件监测以及小范围密集数据(标签)的快速收集(读取)。由于第一种网络结构标签在检测到特殊事件，如发生火灾时，其通过特定的协议用多跳的方式，将信息传递给阅读器，因此碰撞问题并不明显。而对于第二种情况而言，当系统需要对某一阅读器范围内的标签进行快速读取，同时此处的标签数目又十分大时，碰撞问题就异常突出。

传统DFSA算法及其问题

传统DFSA算法，阅读器读取标签的过程主要分为两大部分：标签数目估计部分和标签识别阶段。阅读器将时间分为多个帧，而每个帧又分为多个时隙，时隙的个数取决于需要被识别的标签数。当每一帧开始时，标签就随机选择帧中的一个时隙，在这个时间段与阅读器进行通信。

假设初始的一帧内的时隙数为L(帧长度)，总标签数为n，并且每个标签都有等概率选择帧中的每个时隙，其概率为p＝1/L。根据统计学原理，r个标签同时选中一个时隙的概率为：

经过一帧的识别后，成功识别的时隙，空闲时隙和碰撞时隙的数学期望分别为：

因此，如果标签数目和帧长度已知，我们就可以计算出成功识别的时隙，碰撞时隙和空闲时隙的数目分别为多少。而反过来，如果每一帧结束后，通过阅读器的查询可以得到以上三种不同状态时隙的时隙数[a₀，a₁，a_k]，那么标签数目也可以通过(2)，(3)和(4)估计出来。与此同时，整个系统的效率也可以通过(5)计算得到。

为了得到系统效率的最大值，我们对(5)式进行求导：

当标签数n足够大时，我们可以得到：

当我们每一轮结束后，都让下一轮的帧长度等于要参与识别过程的标签数时，系统的效率才能最大化。但对于RFID系统而言，帧长度只能取L＝2ⁱ,i＝1,2,…8中的值，因此经过每轮对未识别标签数进行估计后，动态的调整帧的长度使其最接近所估计的标签数就可以使系统效率最大化。这就是DFSA算法的基本原理和流程。

但对于DFSA算法来说，它本身存在着几个问题。首先，由于最大帧长度只能取到256，所以当标签数远大于256时，系统就无法让帧长度趋近于为识别的标签数。对于这种情况来说，随着标签数的增多，系统的整体吞吐率会下降剧烈，这也就是所谓的性能滑坡问题。与此同时，DFSA算法还存在着标签饥饿问题。当我们假设帧长度和未识别的标签数都是2时，两个标签都随机的选择两个时隙中的一个与阅读器进行通信。然而，当每一轮两个标签都选择同一个时隙时，这两个标签将长时间无法被识别，这种情况也就是所谓的标签饥饿问题。该问题是DFSA算法本身的机制不完善造成，对于整个系统的性能也有着较为严重的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何降低射频识别传感器系统中的标签碰撞率，提高系统吞吐量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了基于卡间通信机制的射频识别传感器网络防碰撞系统，包括智能标签，所述智能标签的硬件结构包括处理器与内存、ADC、传感器、接收器、调制器、功放以及天线；