基于多天线RFID的动态帧时隙ALOHA算法的设计
摘要
射频识别技术（Radio Frequency Identification）被简称为ＲＦＩＤ，是物联网的核心技术之一。它使用射频信号实现目标的自动识别。
由于该技术具有无人工操作，自动接触识别和快速识别的优点。因此在当代技术信息化中得到了快速发展。射频识别技术已广泛应用于社会，经济等领域，如物流仓库管理，智能停车场，身份识别，医疗，防伪（贵重物品防伪，票证防伪等），交通管理，动物识别（驯养动物，宠物，畜牧牲口等识别管理），航空管理等。
在多天线ＲＦＩＤ系统中，标签附着在物品的表面上，并沿着读取器信号区内的固定路径移动。由于信号区域中标签的时间是有限的，因此可能发生标签离开读取器信号区域而未被识别。如果标签基于ＲＦＩＤ静态场景识别的动态帧时隙ＡＬＯＨＡ算法，则问题在于可能发生不正确的标签号估计。这是因为原始动态帧槽ＡＬＯＨＡ算法不考虑新标签连续输入读数值。
信号区域将导致标签识别效率降低和标签丢失率增加。新标签识别算法考虑新进入标签和已移除标签对未识别标签数量的影响。仿真结果表明，该算法可以有效提高标签识别的效率，降低标签的丢失率。
关键字：动态帧时隙；ALOHA算法；标签；多天线RFID；
1 绪 论
随着互联网的快速发展，RFID技术作为互联网上的核心技术之一，已成为当前最流行的技术之一，并在社会，经济等广泛领域中逐渐成熟。并且成为未来技术开发的关键技术之一。
目前该技术的具体应用包括公交卡，门禁系统，第二代身份证，航空事业，图书馆。食品安全，无人超市等，随着RFID技术的不断发展，在一些大型应用场景要求多天线RFID系统具有更加广泛的信号覆盖范围。
如物流仓库中贴着标签的货品在固定轨道上快速移动经过阅读器信号区。由于标签的便携性和标签停留的短暂性，标签可能会离开读取器的信号区域而不被识别。此标签称为丢失标签。在动态RFID系统中，减少标签丢失是最重要的任务。
1.1 射频识别技术（RFID）的研究背景
RFID技术是当今新兴的，发展迅速，应用范围广泛的自动识别技术。它作为一种远程数据录入技术之一，已广泛的应用于各大应用场景。如高效率提高智能停车场，各大工厂及物流仓库管理的工作效率。RFID系统通常包括阅读器，电子标签和应用软件系统[1]。当系统运行时，电磁信号用于读取器和标签之间的数据交换。
当多个标签共享同一个通道时，信号会干扰空中传播。由于减少并消除了这种碰撞问题并确保了传输过程中数据的完整性，许多研究人员对这些问题进行了广泛的研究，以防止动态RFID中的防碰撞机制。在射频通信系统中，通过共享无线信道来实现读取器和标签之间的通信。
当多个标签同时响应阅读器时，免不了会发生标签冲突，关键是阅读器无法正确读取任何信息。标签冲突问题降低了阅读器的读写速度。为了避免碰撞问题，防碰撞协议是非常必要的。良好的防冲突协议可以有效地提高读取器的标签识别效率。标签识别效率也称为吞吐量，是指在单位时间（例如，时隙）内，读取器识别标签的数量。
传统的标签识别环境（静态场景）下的标签识别效率高达90％。静态场景中的常见协议类型是动态帧时隙ALOHA算法，这是一种随机算法。当帧长度等于未被识别标签的数量时，标签的识别效率最大。在RFID系统中，存在着一种叫做动态RFID系统。该系统应用用于某些特定场景，其中标签附着到物体上并在动态RFID读取器信号区域内的固定路径上快速移动。
由于多天线RFID信号的广泛覆盖，标签的识别效率得到改善。动态帧时隙算法可以根据标签的实际数量动态调整帧长度，也是最广泛使用的。因为识别速度快并且信道吞吐率可以最大化。在实际情况中，标签的数量通常是未知的，因此估计标签数量的方式是确定系统吞吐量的关键。
1.1.1 射频识别技术（RFID）的国内外发展状况
在发达的国家，RFID技术的发展是最成熟的，而且现有技术水平相对较高。尤其在英国，日本，美国，德国等发达国家都具有先进并且成熟的RFID系统。RFID标签根据不同的工作频率，可分为低频（LF），高频（HF），超高频（UHF）和超高频（SHF）。其中，低频短程RFID系统主要集中在128KHz和14.56MHz系统；高频长距离RFID系统主要集中在UHF频段（932MHz-928MHz）925MHz，2.35GHz，5.8GHz[1]。
UHF频段的远程RFID系统在北美已得到很好的发展；在发达国家，射频识别技术（RFID）已经发展成为各种行业缺一不可的核心技术之一。在标签芯片技术领域，发达国家拥有相对完整的产品开发流程。随着技术和市场的不断发展和完善，电子标签工艺技术的进步导致成本不断降低，应用开发也在积极推进。如美国，日本均出现较为成熟有源RFID系统。
从全球的角度来看，美国在RFID标准及相关软件和硬件技术的开发和应用方面处于世界前列。欧洲倡导的RFID标准也逐渐符合美国提出的全球标准。
与发达国家相比，我国的RFID技术发展相当迟缓。主要原因是中国缺乏关键的核心技术，特别是在超高频RFID领域。低频技术早在中国就已经推出。近年来逐渐走向成熟。在RFID技术发展和市场应用方面，中国起步较晚，与发达国家相比，应用相对有限。然而，与RFID技术相关的产品正在中国市场迅速扩大，其应用范围比以前更广泛。
在RFID标准方面，中国较发达的国家，RFID标准相当小。中国发布的产品标准是只有电子标签。由主要制造商独立开发的电子标签使得产品的配置参数，信息格式和规格不同。这对各个制造商之间的产品的数据交换和数据处理造成障碍，因此无法协同工作。
我国在射频识别技术领域的发展优先于其他发展中国家，其在市场上的应用率也接近世界平均基准。在我国铁路数字自动识别系统的建设中，引入了具有自主知识产权的远程自动识别系统。在近距离RFID技术应用领域，我国许多城市已经实现了在地下停车场对进出的车辆牌照的识别作为预付票证，各大高职院校电子饭卡等应用。
在RFID技术研究和产品开发方面，中国已经具有开发技术和系统集成能力。并且可以独立研发低频，高频和微型RFID电子标签功能。在RFID芯片技术领域，我国与西方发达国家有着一定的差距。即使如此，中国已经在RFID芯片开发和设计技术方面建立了成功的低频RFID系统标签。
在国内RFID领域，由于10个技术难度和高制造成本，开发RFID核心技术和研究以及编写独立于RFID的知识产权的公司并不多。中间代理工作是中国RFID技术发展的主要障碍。
目录
1 绪 论 1
1.1 射频识别技术（RFID）的研究背景 1
1.2 射频识技术（RFID）系统中的防碰撞问题 3
1.3 主要研究内容 5
1.4 论文架构 6
2 射频识别技术（RFID）的概述 7
2.1 RFID系统的工作流程及其组成 7
2.2 RFID系统的工作原理 9
2.3 RFID系统的安全性及完整性 11
2.4 RFID技术的应用发展 13
2.5 RFID系统防冲突的算法的实质 14
3 算法改进的原理 16
3.1 标签数量的估计 16
4 动态帧时隙多标签防碰撞算法改进 18
4.1 对动态帧时隙算法进一步的优化改进 21
5 仿真及其优化结果 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A： 31
参考文献
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