物联12：AlOHA算法

       ALOHA算法是一种随机接入方法。

        其基本思想是采取标签先发言的方式，当标签进入读写器的识别区域内时就自动向读写器发送其自身的ID号，在标签发送数据的过程中，若有其他标签也在发送数据，将会发生信号重叠，从而导致冲突。读写器检测接收到的信号有无冲突，一旦发生冲突，读写器就发送命令让标签停止发送，随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突。

       根据具体实现方法不同，又可以进行细分：

• 纯ALOHA算法

        在纯ALOHA算法中，若读写器检测出信号存在相互干扰，读写器就会以向标签发出命令，令其停止向读写器传输信号；标签在接收到命令信号之后，就会停止发送信息，并会在随机时间段内进入到待命状态，只有当该时间段过去后，才会重新向读写器发送信息。各个电子标签待命时间片段长度是随机的，再次向读写器发送信号的时间也不相同，这样减少碰撞的可能性。

       当读写器成功识别某一个标签后，就会立即对该标签下达命令使之进入到休眠的状态。而其他标签则会一直对读写器所发出命令进行响应，并重复发送信息给读写器，当标签被识别后，就会一一进入到休眠状态，直到读写器识别出所有在其工作区内的标签后，算法过程才结束。

发送帧不会产生碰撞，可以分析出，即发送成功的概率P与呑吐率与数据包含量有关。具体定量关系大家可以看课本第120页。

  

• 时隙ALOHA算法

        时隙ALOHA算法把时间分成多个离散的时隙，每个时隙长度等于或稍大于一个帧，标签只能在每个时隙的开始处发送数据。这样标签要么成功发送，要么完全碰撞，避免了纯ALOHA算法中的部分碰撞冲突，碰撞周期减半，提高了信道利用率。时隙ALOHA算法需要读写器对其识别区域内的标签校准时间。时隙ALOHA算法是随机询问驱动的TDMA防冲撞算法，工作过程如图所示。

        因为标签仅仅在确定的时隙中传输数据，所以该算法的冲撞发生频率仅仅是纯ALOHA算法的一半，但其系统的数据吞吐性能却会增加一倍。

 

• 帧时隙ALOHA算法

       帧时隙算法中，时间被分成多个离散时隙，电子标签必须在时隙开始处才可以开始传输信息。读写器以一个帧为周期发送查询命令。当电子标签接收到读写器的请求命令时，每个标签通过随机挑选一个时隙发送信息给读写器。如果一个时隙只被唯一标签选中，则此时隙中标签传输的信息被读写器成功接收，标签被正确识别。如果有两个或两个以上的标签选择了同一时隙发送，则就会产生冲突，这些同时发送信息的标签就不能被读写器成功识别。整个算法的识别过程都会如此循环，一直到所有标签都被识别完成。

 

      该算法的缺点是当标签数量远大于时隙个数时，读取标签的时间会大大增加；当标签个数远小于时隙个数时，会造成时隙浪费。   一个典型的帧时隙ALOHA算法过程如图所示。

•     动态帧时隙ALOHA算法

    动态帧时隙ALOHA算法中一个帧内的时隙数目随着区域内标签数目动态改变，或增加时隙数以减少帧中的碰撞数目。步骤如下：

   （1）进入识别状态，开始识别命令中包含了初始的时隙数N。   （2）由电子标签随机选择一个时隙，同时将自己的时隙计数器复位为1。

   （3）当电子标签随机选择的时隙数与时隙计数器对应时，标签向读写器发送数据；若不相等，标签将保留自己的时隙数并等待下一个命令。

   （4）当读写器检测到的时隙数量等于命令中规定的循环长度N时，本次循环结束，读写器转入步骤（2），开始新的循环。

      该算法每帧的时隙个数N都是动态产生的，解决了帧时隙ALOHA算法中的时隙浪费的问题，适应标签数量动态变化的情形。

        动态帧时隙ALOHA算法允许根据系统的需要动态地调整帧长度，由于读写器作用范围内的标签数量是未知的，而且在识别的过程中未被识别的标签数目是改变的，因此，如何估算标签数量以及合理地调整帧长度成为动态帧时隙ALOHA算法的关键。由理论推导可知，在标签数目和帧长度接近的情况下，系统的识别效率最高，也就是说标签的值就是帧长度的最佳选择。

        在实际应用中，动态帧时隙算法是在每帧结束后，根据上一帧的反馈情况检测标签发生碰撞的次数（碰撞时隙数），电子标签被成功识别的次数（成功时隙数）和电子标签在某个时隙没有返回数据信息的次数（空闲时隙数）来估计当前未被正确识别的电子标签数目，然后选择最佳的下一帧的长度，把它的帧长度作为下一轮识别的帧长，直到读写器工作范围内的电子标签全部识别完毕。