Adaptive Channel Hopping AlgoAdaptive Channel Hopping Algorithm for Reader Anti-collision irithm for Reader Anti-collision i

n RFID systemsn RFID systems

RFIDRFID 系统阅读器反碰撞系统阅读器反碰撞自动跳频算法自动跳频算法

摘要摘要

• 在在 RFIDRFID 里，当频带和和信道带宽较小时，相邻的里，当频带和和信道带宽较小时，相邻的信道很容易互相干扰。特别是当阅读器数比信道信道很容易互相干扰。特别是当阅读器数比信道数多的密集阅读器环境里，阅读器之间就更容易数多的密集阅读器环境里，阅读器之间就更容易发生碰撞。本文提出一个应用在密集阅读器环境发生碰撞。本文提出一个应用在密集阅读器环境里避免阅读器碰撞的算法。首先介绍算法的操作，里避免阅读器碰撞的算法。首先介绍算法的操作，再给出算法的仿真结果。仿真结果表明我们提出再给出算法的仿真结果。仿真结果表明我们提出的算法比的算法比 LBTLBT 算法有所提高。算法有所提高。

• Keywords-RFID,anti-collision,LBT Keywords-RFID,anti-collision,LBT

11 ．引言．引言

• 一些国家里，分配到一些国家里，分配到 RFIDRFID 的带宽非常有限，如果信道数的带宽非常有限，如果信道数目比较小而阅读器数目比较大，阅读器之间就很容易发生目比较小而阅读器数目比较大，阅读器之间就很容易发生碰撞。为了解决这个问题，我们先分析现在的应用在多阅碰撞。为了解决这个问题，我们先分析现在的应用在多阅读器环境里的算法，再研究出一个算法去避免碰撞。另外读器环境里的算法，再研究出一个算法去避免碰撞。另外我们需要研究出一个仿真器，来评测算法的性能。我们需要研究出一个仿真器，来评测算法的性能。

• RFIDRFID 系统可分为三个环境：（系统可分为三个环境：（ 11 ）单阅读器模式（）单阅读器模式（ 22 ））多阅读器模式（多阅读器模式（ 33 ）密集阅读器模式，随着）密集阅读器模式，随着 RFIDRFID 越来越越来越多地应用于各种环境，在密集阅读器模式中保持高性能是多地应用于各种环境，在密集阅读器模式中保持高性能是比较重要的。本文提出来一个比较重要的。本文提出来一个 RFIDRFID 阅读器反碰撞算法，阅读器反碰撞算法，减少阅读器之间的碰撞。这个算法在密集阅读器环境中特减少阅读器之间的碰撞。这个算法在密集阅读器环境中特别有用。别有用。

22 ．相关工作．相关工作

• 我们提出的算法基本上结合了我们提出的算法基本上结合了 LBTLBT （先听后说），（先听后说）， LBTLBT是一个随机退避机制、一个随机跳频方法。为了获取信道，是一个随机退避机制、一个随机跳频方法。为了获取信道，阅读器可以执行阅读器可以执行 LBTLBT 。。 LBTLBT 是一个是一个 CSMACSMA 协议，它在通协议，它在通信之前先侦听信道的载波。如果一个阅读器在执行信之前先侦听信道的载波。如果一个阅读器在执行 LBTLBT 检检测到信道是空间的，它就可以通过与其它阅读器相竞争而测到信道是空间的，它就可以通过与其它阅读器相竞争而占据信道。如果检测到信道繁忙，则阅读器重新执行占据信道。如果检测到信道繁忙，则阅读器重新执行 LBTLBT直到信道空闲。如果两个以上的阅读器检测到同一个信道，直到信道空闲。如果两个以上的阅读器检测到同一个信道，其中的某些阅读器有可能会发生碰撞，因为它们在其中的某些阅读器有可能会发生碰撞，因为它们在 LBTLBT 之之后在同一时间尝试把数据包发送出去。为了避免阅读器碰后在同一时间尝试把数据包发送出去。为了避免阅读器碰撞，我们在撞，我们在 LBTLBT 检测到信道空闲后应用了一个随机退避机检测到信道空闲后应用了一个随机退避机制。仿真结果表明制。仿真结果表明 LBTLBT 后的随机退避显著地减少了阅读器后的随机退避显著地减少了阅读器碰撞机率。碰撞机率。

2.2. 相关工作相关工作• AA ．． CSMACSMA 协议协议• 在在 LBTLBT 算法里，阅读器选择一个信道，然后检查它是否被其它阅读占算法里，阅读器选择一个信道，然后检查它是否被其它阅读占

用。如果信道被占用了，阅读器再选择另外的信道。用。如果信道被占用了，阅读器再选择另外的信道。 LBTLBT 是基于是基于 CSCSMAMA （载波侦听多路存取）的，它先对信道进行侦听。当一个阅读器（载波侦听多路存取）的，它先对信道进行侦听。当一个阅读器要通过要通过 CSMACSMA 发送数据，它要先感应信道，检查信道是否被占用。如发送数据，它要先感应信道，检查信道是否被占用。如果阅读器判断到信道空闲，就把数据通过那个信道发送出去，如果判果阅读器判断到信道空闲，就把数据通过那个信道发送出去，如果判断信道被占用，阅读器就会在随机的时间后再对重新感应这个信道。断信道被占用，阅读器就会在随机的时间后再对重新感应这个信道。

• 在非坚持模式里在非坚持模式里 ,, 如果阅读器检查到信道繁忙，就会在随机时间后再如果阅读器检查到信道繁忙，就会在随机时间后再检查信道是否被占用。在检查信道是否被占用。在 11 级坚持模式，阅读器会一直检测直至信道级坚持模式，阅读器会一直检测直至信道空闲，然后立刻发送出数据。这里如果两个以上的阅读器检测同一个空闲，然后立刻发送出数据。这里如果两个以上的阅读器检测同一个信道，碰撞就经常发生。在信道，碰撞就经常发生。在 PP 级坚持模式里，当阅读器检测到信道繁级坚持模式里，当阅读器检测到信道繁忙，它同样监测信道直到信道空闲。当信道空闲时，每个阅读器由忙，它同样监测信道直到信道空闲。当信道空闲时，每个阅读器由 PP（（ 0<P<10<P<1 ）决定信道的占用可能性。当所有阅读器决定不去用这个）决定信道的占用可能性。当所有阅读器决定不去用这个信道，它们就会在一个小时延后再次检测信道被占用的可能性。当两信道，它们就会在一个小时延后再次检测信道被占用的可能性。当两个以上的阅读器监测同一个信道时个以上的阅读器监测同一个信道时 PP 级坚持模式可以减小碰撞的几率。级坚持模式可以减小碰撞的几率。

2.2. 相关工作相关工作

• BB ．随机退避机制．随机退避机制• 提出的算法通过执行基于提出的算法通过执行基于 CSMACSMA 的的 LBTLBT 算法和随机退避算法和随机退避

算法，减小了密集阅读器模式下的碰撞几率。随机退避机算法，减小了密集阅读器模式下的碰撞几率。随机退避机制防止由同时访问同一信道引起的碰撞，它在等待一个随制防止由同时访问同一信道引起的碰撞，它在等待一个随机的时隙后通过竞争将数据发出去。选择最小时隙长度的机的时隙后通过竞争将数据发出去。选择最小时隙长度的阅读器可以占用信道。在竞争中失败的阅读器在下一次竞阅读器可以占用信道。在竞争中失败的阅读器在下一次竞争中可以优先把时隙减小。图争中可以优先把时隙减小。图 11 为算法的为算法的 44个阶段，第一个阶段，第一阶段阅读器选择要使用的信道，第二阶段阅读器感应被选阶段阅读器选择要使用的信道，第二阶段阅读器感应被选择的信道，执行择的信道，执行 LBTLBT ，然后决定信道是否繁忙，第三阶段，然后决定信道是否繁忙，第三阶段决定是跳频还是停留在同一个信道里，最后阶段阅读器占决定是跳频还是停留在同一个信道里，最后阶段阅读器占用信道并最终把数据发送出去。我们将在下面章节里详细用信道并最终把数据发送出去。我们将在下面章节里详细说明这个过程。说明这个过程。

33 ．算法．算法

• 33 ．． 11 信道选择阶段信道选择阶段• 阅读器应该选择一个用来与标签进行通信的信道。该算法阅读器应该选择一个用来与标签进行通信的信道。该算法

里，基本上阅读器在传输之后就会跳到其它信道。当信道里，基本上阅读器在传输之后就会跳到其它信道。当信道被其它阅读器占用，该阅读器就会根据机率跳转到其它信被其它阅读器占用，该阅读器就会根据机率跳转到其它信道。我们在后面解释怎样得到跳转机率。基本上由阅读器道。我们在后面解释怎样得到跳转机率。基本上由阅读器跳频选择到的信道是随机的，不过简单地随机选择信道并跳频选择到的信道是随机的，不过简单地随机选择信道并不有效。这是因为当信道占用率很高时，阅读器为了找到不有效。这是因为当信道占用率很高时，阅读器为了找到空闲的信道可能会执行大量的跳频操作。如果阅读器随机空闲的信道可能会执行大量的跳频操作。如果阅读器随机地跳频，就会对相同的信道检查多次。更有甚者，如果全地跳频，就会对相同的信道检查多次。更有甚者，如果全部信道都繁忙，则阅读器不会找到空闲的信道，而会重复部信道都繁忙，则阅读器不会找到空闲的信道，而会重复地在繁忙信道之间进行跳频。为了解决这个问题，我们设地在繁忙信道之间进行跳频。为了解决这个问题，我们设定一个跳频序列，阅读器按照这个序列进行跳频。这个跳定一个跳频序列，阅读器按照这个序列进行跳频。这个跳频序列当阅读器进行第一次跳频时就会产生。使用这个机频序列当阅读器进行第一次跳频时就会产生。使用这个机制后，可以解决阅读器重复地跳到同一信道的问题，它只制后，可以解决阅读器重复地跳到同一信道的问题，它只对所有信道只检查一次。如果阅读器在跳频序列中没有找对所有信道只检查一次。如果阅读器在跳频序列中没有找到空闲的信道，它就会停留在当前信道上，再尝试占用这到空闲的信道，它就会停留在当前信道上，再尝试占用这个信道。个信道。

3. 3. 算法算法

• 33 ．． 22 信道感应阶段信道感应阶段•在阅读器跳转到所选择的信道后，它会执在阅读器跳转到所选择的信道后，它会执

行行 LBTLBT 对信道进行感应。对信道进行感应。 LBTLBT 基于无线设基于无线设备标准，它会被执行备标准，它会被执行 5ms5ms ，因为阅读器至，因为阅读器至少需要少需要 5ms5ms 来判断信道是否繁忙。根据判来判断信道是否繁忙。根据判断方法可分为两种机制。在后面章节里解断方法可分为两种机制。在后面章节里解释这两种机制。释这两种机制。

3.3. 算法算法• 33 ．． 33 跳频及信道占用准备阶段跳频及信道占用准备阶段• 3.3.13.3.1 跳频机率的应用跳频机率的应用• 当阅读器通过感应信道判断到信道繁忙时，这步就会被采当阅读器通过感应信道判断到信道繁忙时，这步就会被采

用。有两种方法。用。有两种方法。• 第一种方法是阅读器等待当前信道直至信道空闲。这种情第一种方法是阅读器等待当前信道直至信道空闲。这种情况下，这个阅读器必须等待占用信道的阅读器完成传输，况下，这个阅读器必须等待占用信道的阅读器完成传输，如果此时其它信道空闲的机率比较大的话，单独等待一个如果此时其它信道空闲的机率比较大的话，单独等待一个信道没有效率，而且在等待后再与其它阅读器竞争失败的信道没有效率，而且在等待后再与其它阅读器竞争失败的话，等待时间就会变得很长。因此让阅读器不分情况地等话，等待时间就会变得很长。因此让阅读器不分情况地等待是没效率的。待是没效率的。

• 第二种方法，阅读器可以跳频。阅读器之所以随机地跳转第二种方法，阅读器可以跳频。阅读器之所以随机地跳转到其它信道，是因为它不知道其它信道的信息。如果其它到其它信道，是因为它不知道其它信道的信息。如果其它信道的空闲机率较大的话，跳转到其它信道是一个好的选信道的空闲机率较大的话，跳转到其它信道是一个好的选择；但如果跳频消耗的时间较多而其它信道空闲的机率不择；但如果跳频消耗的时间较多而其它信道空闲的机率不大，阅读器就很难找到空闲的信道，就会在一直跳频。因大，阅读器就很难找到空闲的信道，就会在一直跳频。因此，不分情况的跳频也是没效率的。此，不分情况的跳频也是没效率的。

3.3. 算法算法• 如上所述，不分情况的等待和跳频都不是有效的如上所述，不分情况的等待和跳频都不是有效的

方法，如果我们根据情况来选择其中的方法，就方法，如果我们根据情况来选择其中的方法，就会执行得更好。这就是我们为什么计算信道繁忙会执行得更好。这就是我们为什么计算信道繁忙时的跳频机率的原因。为了计算跳频机率，我们时的跳频机率的原因。为了计算跳频机率，我们需要知道每个信道的阅读器密度。需要知道每个信道的阅读器密度。

• 当信道阅读器密度大于当信道阅读器密度大于 11 ，我们称之为密集模式。，我们称之为密集模式。此模式下阅读器通过竞争占用信道的成功机率相此模式下阅读器通过竞争占用信道的成功机率相对比较低，就算阅读器进行跳频，空闲信息还是对比较低，就算阅读器进行跳频，空闲信息还是比较少。在这种情况下，等待当前信道比跳频要比较少。在这种情况下，等待当前信道比跳频要好。因此在密集模式里我们设跳频机率为低。好。因此在密集模式里我们设跳频机率为低。

3.3. 算法算法• 因此用信道密度来动态决定跳频机率是有好处的。在本文中，我们用因此用信道密度来动态决定跳频机率是有好处的。在本文中，我们用

两个参数来估计信道的密度。一个是退避竞争成功率两个参数来估计信道的密度。一个是退避竞争成功率 ,, 用用 CLP(i,n)CLP(i,n)表表示，另一个是信道占用率示，另一个是信道占用率 ,, 用用 UU（（ i,ni,n ）表示。本文中）表示。本文中 HPHP （跳频机（跳频机率）与这两个参数的关系如下式所示。图率）与这两个参数的关系如下式所示。图 22 是算法应用的例子。是算法应用的例子。

3.3. 算法算法• 3.3.23.3.2使用信道使用信道• 当阅读器判断到信道空闲时，执行一个随机退避当阅读器判断到信道空闲时，执行一个随机退避

算法。每个阅读器用退避机制来防止在同一时间算法。每个阅读器用退避机制来防止在同一时间内进入信道而产生的碰撞。但如果没有那么多阅内进入信道而产生的碰撞。但如果没有那么多阅读器进行竞争，或者退避窗口长度太大，这又是读器进行竞争，或者退避窗口长度太大，这又是没有效率的。因此需要根据信道占用率来动态决没有效率的。因此需要根据信道占用率来动态决定退避窗口的长度，然后再执行退避算法。定退避窗口的长度，然后再执行退避算法。 BWSBWS（退避窗口长度）如下式所示（退避窗口长度）如下式所示

44．仿真．仿真• 11 ）参数）参数•我们通过仿真比较该算法与基本我们通过仿真比较该算法与基本 LBTLBT 算法算法

的的性能。参数设置如表的的性能。参数设置如表 11 所示。所示。

4.4. 仿真仿真• 22 ）我们比较通过计算吞吐量和等待时间来比较）我们比较通过计算吞吐量和等待时间来比较

这两种算法的性能。所有阅读器的信道命令时间这两种算法的性能。所有阅读器的信道命令时间用用 GG表示。表示。

• --吞吐量吞吐量• 如图如图 33 、图、图 44所示，当所示，当 GG 增大时，吞吐量线性增增大时，吞吐量线性增

大，但当阅读器数据为大，但当阅读器数据为 44时，因为阅读器的碰撞时，因为阅读器的碰撞和有些信道没被利用，基本的和有些信道没被利用，基本的 LBTLBT 算法的吞吐量算法的吞吐量没有超过没有超过 59%59%。当阅读器增加到。当阅读器增加到 88个时，吞吐量个时，吞吐量增大到增大到 80%80%。而我们提出的算法，不管阅读器有。而我们提出的算法，不管阅读器有多少，吞吐量可以增大到多少，吞吐量可以增大到 80%80%，没有达到，没有达到 90%90%是因为感应开销、跳频开销和一些阅读器的碰撞。是因为感应开销、跳频开销和一些阅读器的碰撞。尽管如此，我们的算法还表现出更好的吞吐量性尽管如此，我们的算法还表现出更好的吞吐量性能，特别是当阅读器数目不是很大时。能，特别是当阅读器数目不是很大时。

4.4. 仿真仿真• --等待时间等待时间• 图图 55至图至图 88为当为当 GG为为 0.4 and 0.70.4 and 0.7时等待时间的积时等待时间的积累分布。当累分布。当 GG为为 0.40.4时，用我们的算法，时，用我们的算法， 33秒内的秒内的比率小于比率小于 95%95%，用基本算法，，用基本算法， 1515 秒内的比率大于秒内的比率大于98%98%。当。当 GG为为 0.70.7时，等待时间要比时，等待时间要比 GG为为 0.40.4的要的要高，因为信道命令时间导致阅读器的竞争，此时我高，因为信道命令时间导致阅读器的竞争，此时我们的算法比基本们的算法比基本 LBTLBT 算法用的等待时间要少。算法用的等待时间要少。

• 因此以上仿真结果表示我们的算法比基本因此以上仿真结果表示我们的算法比基本 LBTLBT 算法算法所用的等待时间明显小得多。当所用的等待时间明显小得多。当 GG为其它值时，我为其它值时，我们会得到相似的结果。们会得到相似的结果。

5.5. 结论结论• 我们提出一个适用于密集模式和稀疏模式的我们提出一个适用于密集模式和稀疏模式的 RFIDRFID

反碰撞算法。。在仿真中，当有反碰撞算法。。在仿真中，当有 44阅读器阅读器 44信道信道时，该算法和时，该算法和 LBTLBT 算法的吞吐量分别为算法的吞吐量分别为 80%80%和和 559%9% ；当有；当有 88阅读器阅读器 44信道时，吞吐量分别为信道时，吞吐量分别为 8888%%和和 80%80%。当。当 GG为为 0.70.7时，时， LBTLBT 算法等待时间算法等待时间大于大于 1010 秒而我们的算法小于秒而我们的算法小于 33秒。秒。

• 因此，该算法与现在的因此，该算法与现在的 LBTLBT 算法相比，显示出更算法相比，显示出更好的性能。但这只是前期工作得出的结果，我们好的性能。但这只是前期工作得出的结果，我们需要进一步研究来得出更好的结果。需要进一步研究来得出更好的结果。