RFID系統(tǒng)中的一種改進的自適應(yīng)多叉樹標簽防碰撞算法研究

徐艷玲

摘 要：針對AMSA算法存在的不足，該章提出了IAMSA算法。仿真分析表明，該章所提出的IAMSA算法有效地較少空閑時隙，提高檢測速度以及系統(tǒng)吞吐率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) RFID 多叉樹 防碰撞算法

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0042-01

在物聯(lián)網(wǎng)中，每個物品都需要一個唯一合法的身份以便用于物品的識別，RFID是其中的關(guān)鍵。RFID系統(tǒng)中的設(shè)備標簽是電子產(chǎn)品編碼，并且該編碼具有唯一性，其可以用來標識現(xiàn)實中的物體以實現(xiàn)物體的識別與區(qū)分。RFID系統(tǒng)中的閱讀器利用標簽防碰撞算法來實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的多個電子產(chǎn)品標簽的讀取。而基于樹的防碰撞算法被廣泛地采用。但是多數(shù)基于樹的算法并沒有充分利用碰撞信息，僅僅使用了前幾位的信息。通常情況下，分支內(nèi)標簽數(shù)越多，碰撞的位數(shù)也將會越多，那么在總比特位中，碰撞位占的比例就越大。如果在識別的過程中，根據(jù)碰撞比例，能夠自適應(yīng)的選擇使用幾叉樹，就能夠提升算法的效率，減少系統(tǒng)用時。AMSA（Adaptive Multi-tree Search Anti-collision，自適應(yīng)多叉樹防碰撞）算法就是基于這一原則[1]。

雖然AMSA算法根據(jù)碰撞因子動態(tài)地選取多叉樹，但是根據(jù)碰撞因子并不能推斷出當前碰撞節(jié)點下有多少標簽。為了解決這個問題，提出了一種改進的自適應(yīng)多叉防碰撞（Improved AMSA，簡稱IAMSA）算法。IAMSA算法不僅能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索樹的叉數(shù)，而且還優(yōu)化了四叉樹的查詢前綴，使得空閑時隙數(shù)大大地減少。

1 IAMSA算法

IAMSA算法的工作流程如下：

（1）閱讀器對查詢前綴棧進行初始化即清空棧，并發(fā)送指令。

（2）每個標簽與此時閱讀器發(fā)出的查詢前綴相比較，只有相同的標簽才出響應(yīng)。

（3）如果此時做出響應(yīng)的標簽數(shù)為一時，則識別成功，轉(zhuǎn)到第六步；如果此時沒有標簽響應(yīng)，那么就不需要繼續(xù)對該分支進行搜索，轉(zhuǎn)到第六步；而如果有多個標簽做出了響應(yīng)，則發(fā)生碰撞。

（4）閱讀器計算碰撞因子。如果，使用二叉樹，接著依據(jù)碰撞比特的首位信息，確定兩個新的查詢前綴；如果≥0.75，使用四叉樹，閱讀器發(fā)送查詢碰撞位最高兩位前綴指令，而標簽則反饋一個含有碰撞位信息四位碼給閱讀器，那么閱讀器將根據(jù)反饋判斷已存在于系統(tǒng)中的前綴。

（5）新產(chǎn)生的前綴入棧，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步。

（6）前綴堆棧如果不為空，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步，如果為空，識別過程結(jié)束。將兩個有效的樣本進行交叉分析，得出的數(shù)據(jù)就是兩個樣本的交叉集合，對兩組數(shù)據(jù)進行分析比較，得出交叉以后的數(shù)據(jù)和兩組數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和不同，在不同的數(shù)據(jù)間進行交叉組合就會得出不一樣的數(shù)據(jù)，在這些不同的數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)的分析和整合，對不一樣的數(shù)據(jù)進行不同的分析，得出的結(jié)果然后再交叉分析然后得出最終結(jié)果。

2 性能分析

該文將從吞吐率與總時隙數(shù)來考察IAMSA算法的性能。從IAMSA算法的流程可以看出，其總時隙數(shù)為使用二叉樹與四叉樹兩部分所花時間之和。

如果有個待識別的標簽，并且當搜索深度為時，每個子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為，那么，當搜索深度小于時，使用無空閑時隙的四叉樹，否則采用二叉樹。。

假設(shè)從到層的四叉樹都沒有去除空閑時隙，可以得出

（1）

當采用二叉數(shù)進行搜索是，可以得出

（2）

雖然IAMSA算法使用了無空閑時隙的四叉樹，但是當碰撞被閱讀器檢測到后，其第二次發(fā)送指令仍然需要占用一個時隙，而這個指令所使用的時隙數(shù)與碰撞時隙數(shù)相等。

采用相似的分析方法，可以得到四叉樹中的碰撞時隙與空閑時隙分別為：

（3）

（4）

根據(jù)IAMSA算法的工作流程，當子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為時使用二叉樹進行搜索，即原四叉樹的最后一層的搜索改用二叉樹，那么四叉樹中的碰撞時隙數(shù)與空閑時隙數(shù)就不包含把最后一層里可能出現(xiàn)的碰撞與空閑時隙數(shù)。

那么，使用算法成功地識別個標簽所需的總時隙數(shù)

（5）

3 仿真分析

下面將從總時隙數(shù)這個面來考察算法。

圖1給出了總時隙數(shù)隨標簽總數(shù)的變化情況。從圖1可以看出，隨著標簽總數(shù)的增加，算法所需的時隙數(shù)增加是最慢的，并且當標簽總數(shù)達到時，與算法相比，無空閑時隙四叉樹算法需要的時間是其1.47倍，算法需要的時間是其1.17倍。由于算法需要的時隙數(shù)最少，那么其識別標簽的速率也是最快的。而且從圖1還可看出，算法與算法的仿真曲線是跳躍式的。這是因為算法與算法都能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索叉數(shù)，根據(jù)公式（5）可知，的值跟搜索深度有關(guān)，由于是非負整數(shù)（當≤11時，；當12≤m≤47時，；當48≤m≤191時，；……），那么的值也是非連續(xù)變化的整數(shù)，因此，AMSA算法與IAMSA算法的仿真曲線是跳躍式的。

參考文獻

[1] 丁治國，古今.自適應(yīng)多叉樹防碰撞算法研究[J].自動化學報，2010，36（2）：237-241.

摘 要：針對AMSA算法存在的不足，該章提出了IAMSA算法。仿真分析表明，該章所提出的IAMSA算法有效地較少空閑時隙，提高檢測速度以及系統(tǒng)吞吐率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) RFID 多叉樹 防碰撞算法

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0042-01

在物聯(lián)網(wǎng)中，每個物品都需要一個唯一合法的身份以便用于物品的識別，RFID是其中的關(guān)鍵。RFID系統(tǒng)中的設(shè)備標簽是電子產(chǎn)品編碼，并且該編碼具有唯一性，其可以用來標識現(xiàn)實中的物體以實現(xiàn)物體的識別與區(qū)分。RFID系統(tǒng)中的閱讀器利用標簽防碰撞算法來實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的多個電子產(chǎn)品標簽的讀取。而基于樹的防碰撞算法被廣泛地采用。但是多數(shù)基于樹的算法并沒有充分利用碰撞信息，僅僅使用了前幾位的信息。通常情況下，分支內(nèi)標簽數(shù)越多，碰撞的位數(shù)也將會越多，那么在總比特位中，碰撞位占的比例就越大。如果在識別的過程中，根據(jù)碰撞比例，能夠自適應(yīng)的選擇使用幾叉樹，就能夠提升算法的效率，減少系統(tǒng)用時。AMSA（Adaptive Multi-tree Search Anti-collision，自適應(yīng)多叉樹防碰撞）算法就是基于這一原則[1]。

雖然AMSA算法根據(jù)碰撞因子動態(tài)地選取多叉樹，但是根據(jù)碰撞因子并不能推斷出當前碰撞節(jié)點下有多少標簽。為了解決這個問題，提出了一種改進的自適應(yīng)多叉防碰撞（Improved AMSA，簡稱IAMSA）算法。IAMSA算法不僅能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索樹的叉數(shù)，而且還優(yōu)化了四叉樹的查詢前綴，使得空閑時隙數(shù)大大地減少。

1 IAMSA算法

IAMSA算法的工作流程如下：

（1）閱讀器對查詢前綴棧進行初始化即清空棧，并發(fā)送指令。

（2）每個標簽與此時閱讀器發(fā)出的查詢前綴相比較，只有相同的標簽才出響應(yīng)。

（3）如果此時做出響應(yīng)的標簽數(shù)為一時，則識別成功，轉(zhuǎn)到第六步；如果此時沒有標簽響應(yīng)，那么就不需要繼續(xù)對該分支進行搜索，轉(zhuǎn)到第六步；而如果有多個標簽做出了響應(yīng)，則發(fā)生碰撞。

（4）閱讀器計算碰撞因子。如果，使用二叉樹，接著依據(jù)碰撞比特的首位信息，確定兩個新的查詢前綴；如果≥0.75，使用四叉樹，閱讀器發(fā)送查詢碰撞位最高兩位前綴指令，而標簽則反饋一個含有碰撞位信息四位碼給閱讀器，那么閱讀器將根據(jù)反饋判斷已存在于系統(tǒng)中的前綴。

（5）新產(chǎn)生的前綴入棧，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步。

（6）前綴堆棧如果不為空，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步，如果為空，識別過程結(jié)束。將兩個有效的樣本進行交叉分析，得出的數(shù)據(jù)就是兩個樣本的交叉集合，對兩組數(shù)據(jù)進行分析比較，得出交叉以后的數(shù)據(jù)和兩組數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和不同，在不同的數(shù)據(jù)間進行交叉組合就會得出不一樣的數(shù)據(jù)，在這些不同的數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)的分析和整合，對不一樣的數(shù)據(jù)進行不同的分析，得出的結(jié)果然后再交叉分析然后得出最終結(jié)果。

2 性能分析

該文將從吞吐率與總時隙數(shù)來考察IAMSA算法的性能。從IAMSA算法的流程可以看出，其總時隙數(shù)為使用二叉樹與四叉樹兩部分所花時間之和。

如果有個待識別的標簽，并且當搜索深度為時，每個子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為，那么，當搜索深度小于時，使用無空閑時隙的四叉樹，否則采用二叉樹。。

假設(shè)從到層的四叉樹都沒有去除空閑時隙，可以得出

（1）

當采用二叉數(shù)進行搜索是，可以得出

（2）

雖然IAMSA算法使用了無空閑時隙的四叉樹，但是當碰撞被閱讀器檢測到后，其第二次發(fā)送指令仍然需要占用一個時隙，而這個指令所使用的時隙數(shù)與碰撞時隙數(shù)相等。

采用相似的分析方法，可以得到四叉樹中的碰撞時隙與空閑時隙分別為：

（3）

（4）

根據(jù)IAMSA算法的工作流程，當子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為時使用二叉樹進行搜索，即原四叉樹的最后一層的搜索改用二叉樹，那么四叉樹中的碰撞時隙數(shù)與空閑時隙數(shù)就不包含把最后一層里可能出現(xiàn)的碰撞與空閑時隙數(shù)。

那么，使用算法成功地識別個標簽所需的總時隙數(shù)

（5）

3 仿真分析

下面將從總時隙數(shù)這個面來考察算法。

圖1給出了總時隙數(shù)隨標簽總數(shù)的變化情況。從圖1可以看出，隨著標簽總數(shù)的增加，算法所需的時隙數(shù)增加是最慢的，并且當標簽總數(shù)達到時，與算法相比，無空閑時隙四叉樹算法需要的時間是其1.47倍，算法需要的時間是其1.17倍。由于算法需要的時隙數(shù)最少，那么其識別標簽的速率也是最快的。而且從圖1還可看出，算法與算法的仿真曲線是跳躍式的。這是因為算法與算法都能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索叉數(shù)，根據(jù)公式（5）可知，的值跟搜索深度有關(guān)，由于是非負整數(shù)（當≤11時，；當12≤m≤47時，；當48≤m≤191時，；……），那么的值也是非連續(xù)變化的整數(shù)，因此，AMSA算法與IAMSA算法的仿真曲線是跳躍式的。

參考文獻

[1] 丁治國，古今.自適應(yīng)多叉樹防碰撞算法研究[J].自動化學報，2010，36（2）：237-241.

摘 要：針對AMSA算法存在的不足，該章提出了IAMSA算法。仿真分析表明，該章所提出的IAMSA算法有效地較少空閑時隙，提高檢測速度以及系統(tǒng)吞吐率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) RFID 多叉樹 防碰撞算法

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0042-01

在物聯(lián)網(wǎng)中，每個物品都需要一個唯一合法的身份以便用于物品的識別，RFID是其中的關(guān)鍵。RFID系統(tǒng)中的設(shè)備標簽是電子產(chǎn)品編碼，并且該編碼具有唯一性，其可以用來標識現(xiàn)實中的物體以實現(xiàn)物體的識別與區(qū)分。RFID系統(tǒng)中的閱讀器利用標簽防碰撞算法來實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的多個電子產(chǎn)品標簽的讀取。而基于樹的防碰撞算法被廣泛地采用。但是多數(shù)基于樹的算法并沒有充分利用碰撞信息，僅僅使用了前幾位的信息。通常情況下，分支內(nèi)標簽數(shù)越多，碰撞的位數(shù)也將會越多，那么在總比特位中，碰撞位占的比例就越大。如果在識別的過程中，根據(jù)碰撞比例，能夠自適應(yīng)的選擇使用幾叉樹，就能夠提升算法的效率，減少系統(tǒng)用時。AMSA（Adaptive Multi-tree Search Anti-collision，自適應(yīng)多叉樹防碰撞）算法就是基于這一原則[1]。

雖然AMSA算法根據(jù)碰撞因子動態(tài)地選取多叉樹，但是根據(jù)碰撞因子并不能推斷出當前碰撞節(jié)點下有多少標簽。為了解決這個問題，提出了一種改進的自適應(yīng)多叉防碰撞（Improved AMSA，簡稱IAMSA）算法。IAMSA算法不僅能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索樹的叉數(shù)，而且還優(yōu)化了四叉樹的查詢前綴，使得空閑時隙數(shù)大大地減少。

1 IAMSA算法

IAMSA算法的工作流程如下：

（1）閱讀器對查詢前綴棧進行初始化即清空棧，并發(fā)送指令。

（2）每個標簽與此時閱讀器發(fā)出的查詢前綴相比較，只有相同的標簽才出響應(yīng)。

（3）如果此時做出響應(yīng)的標簽數(shù)為一時，則識別成功，轉(zhuǎn)到第六步；如果此時沒有標簽響應(yīng)，那么就不需要繼續(xù)對該分支進行搜索，轉(zhuǎn)到第六步；而如果有多個標簽做出了響應(yīng)，則發(fā)生碰撞。

（4）閱讀器計算碰撞因子。如果，使用二叉樹，接著依據(jù)碰撞比特的首位信息，確定兩個新的查詢前綴；如果≥0.75，使用四叉樹，閱讀器發(fā)送查詢碰撞位最高兩位前綴指令，而標簽則反饋一個含有碰撞位信息四位碼給閱讀器，那么閱讀器將根據(jù)反饋判斷已存在于系統(tǒng)中的前綴。

（5）新產(chǎn)生的前綴入棧，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步。

（6）前綴堆棧如果不為空，棧首前綴被取出并發(fā)給標簽，接著轉(zhuǎn)到第二步，如果為空，識別過程結(jié)束。將兩個有效的樣本進行交叉分析，得出的數(shù)據(jù)就是兩個樣本的交叉集合，對兩組數(shù)據(jù)進行分析比較，得出交叉以后的數(shù)據(jù)和兩組數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和不同，在不同的數(shù)據(jù)間進行交叉組合就會得出不一樣的數(shù)據(jù)，在這些不同的數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)的分析和整合，對不一樣的數(shù)據(jù)進行不同的分析，得出的結(jié)果然后再交叉分析然后得出最終結(jié)果。

2 性能分析

該文將從吞吐率與總時隙數(shù)來考察IAMSA算法的性能。從IAMSA算法的流程可以看出，其總時隙數(shù)為使用二叉樹與四叉樹兩部分所花時間之和。

如果有個待識別的標簽，并且當搜索深度為時，每個子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為，那么，當搜索深度小于時，使用無空閑時隙的四叉樹，否則采用二叉樹。。

假設(shè)從到層的四叉樹都沒有去除空閑時隙，可以得出

（1）

當采用二叉數(shù)進行搜索是，可以得出

（2）

雖然IAMSA算法使用了無空閑時隙的四叉樹，但是當碰撞被閱讀器檢測到后，其第二次發(fā)送指令仍然需要占用一個時隙，而這個指令所使用的時隙數(shù)與碰撞時隙數(shù)相等。

采用相似的分析方法，可以得到四叉樹中的碰撞時隙與空閑時隙分別為：

（3）

（4）

根據(jù)IAMSA算法的工作流程，當子節(jié)點上的平均標簽數(shù)為時使用二叉樹進行搜索，即原四叉樹的最后一層的搜索改用二叉樹，那么四叉樹中的碰撞時隙數(shù)與空閑時隙數(shù)就不包含把最后一層里可能出現(xiàn)的碰撞與空閑時隙數(shù)。

那么，使用算法成功地識別個標簽所需的總時隙數(shù)

（5）

3 仿真分析

下面將從總時隙數(shù)這個面來考察算法。

圖1給出了總時隙數(shù)隨標簽總數(shù)的變化情況。從圖1可以看出，隨著標簽總數(shù)的增加，算法所需的時隙數(shù)增加是最慢的，并且當標簽總數(shù)達到時，與算法相比，無空閑時隙四叉樹算法需要的時間是其1.47倍，算法需要的時間是其1.17倍。由于算法需要的時隙數(shù)最少，那么其識別標簽的速率也是最快的。而且從圖1還可看出，算法與算法的仿真曲線是跳躍式的。這是因為算法與算法都能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索叉數(shù)，根據(jù)公式（5）可知，的值跟搜索深度有關(guān)，由于是非負整數(shù)（當≤11時，；當12≤m≤47時，；當48≤m≤191時，；……），那么的值也是非連續(xù)變化的整數(shù)，因此，AMSA算法與IAMSA算法的仿真曲線是跳躍式的。

參考文獻

[1] 丁治國，古今.自適應(yīng)多叉樹防碰撞算法研究[J].自動化學報，2010，36（2）：237-241.