时隙ALOHA

计算机术语

时隙ALOHA（简称SA）是射频识别(RFID)系统中常用的防碰撞算法。1972年，Roberts提出了时隙Aloha，它是对纯Aloha的一种改进，其基本思想是把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。该方法避免用户发送数据的随意性，减少了数据冲突，提高了信道的利用率，并且其吞吐量可以增加到纯Aloha的一倍。

重要参数

（1）G：表示系统的输入负载，即 T 时间内所有标签 N 向阅读器发送的总的数据包量。

（2）S：表示系统的吞吐率，也称为识别效率，即所有标签成功传送的、有效的总的数据包量，也就是在时间 T 内标签与阅读器成功通信的平均次数，因此吞吐率S 等于 G 与成功传送概率的乘积。对于 RFID 系统内标签与阅读器来说，S=1 表示每个标签的数据都被成功传送给阅读器，没有发生标签碰撞的情况；S=0 表示数据在传送过程中发生了碰撞，阅读器没有接收到任何数据信息，也可能是无数据传输的情况。由此可以看出，在 RFID 系统中，系统的吞吐率与信道的利用率和标签成功传输的机率成正比关系，与数据错误传输的机率成反比关系。

纯ALOHA算法

纯 ALOHA 算法（PA）是 ALOHA 类算法中最基础、最易实现的一种随机性标签防碰撞算法，也就是说该算法对标签的识别是基于随机概率的，所以不能保证所有标签都能被识别出来，所以这类算法应用领域比较少，只应用在一些标签数量较少且简单的只读标签中。

PA 算法的工作原理是基于“标签先发言机制”的方法，也就是说标签进入阅读器产生的磁场区域后，通过天线接收到电磁波而被激活，激活后的标签主动向阅读器发送消息，这个主动发送不受时间的先后限制。如果标签未能被阅读器所成功接收，也就是说此时时间信道内有多个标签在传输数据，由于信道的限制和某些因素产生了数据间的碰撞，一旦此情况发生，阅读器会发送一指令命令所有标签延迟发送数据。由于标签发送数据时间的随机性和延迟时间的随机性，使得信道内标签的数据呈现三种形式，即完成碰撞、部分碰撞和成功识别。如下图1所示为纯 ALOHA 算法的碰撞原理图。阅读器识别范围内有三个标签，当标签 1 和标签 2 发生碰撞后，阅读器命令他们随机延迟一段时间后再发送消息，直到阅读器检测出只有一个标签3与其通信，则成功识别出该标签。

时隙ALOHA 算法

时隙 ALOHA 算法（SA）是在 PA 算法的基础上考虑了时间因素，以此限制条件将其分成若干个具有一定时间间隔的时隙段的改进方法。在 PA 算法中，由于标签选择时间的随机性，使得标签的碰撞周期为 2T，标签之间的碰撞还有部分碰撞的情况，所以为了减少碰撞周期，避免部分碰撞情况的发生，SA 算法由此应运而生。SA 算法增加了时隙的概念，将传输时间离散化，标签随机的选择某一时隙进行数据的传送，如图 2 所示。当标签进入阅读器的识别范围后，标签自身携带的随机数发生器产生一随机数，标签按此随机数选择时隙，若查询时的时隙数与标签选择的时隙相匹配时标签即响应，并立即发送自身的数据信息；若时隙内有碰撞时，阅读器将终止标签继续发送信息并令标签等待下一次查询。在 SA 算法中，标签只能选择在每个时隙的开始阶段发送数据，而不是随机的选择时间发送数据，所以需要一个同步机制来控制标签，这个同步时钟的控制由阅读器来完成，并且每个时隙的长度要满足标签成功传输完一数据包所需的时间。

由图2可以看出，在 SA 算法中，由于同步时钟的控制，标签只能在时隙开始的时间点发送数据信息，并且标签在单独的每个时隙内进行数据传输，所以只有在同一时隙的同一时间点发送数据的标签才会发生碰撞，即标签之间的碰撞只有完全碰撞，而没有部分碰撞情况，所以标签的冲突周期由 PA 算法的 2T 减少为 T。

SA 算法的系统效率为：。

对上式求导后可得，当G=1时，S可取得最大值，，比 PA 算法的吞吐率提高了一倍。图3为利用 MATLAB 软件对 PA 和 SA 算法进行仿真后，吞吐率与输入负载的对比关系图。

SA 算法虽然避免了部分碰撞情况的发生，提高了系统的识别效率，但是由于进行数据传输所需的时隙数是固定的，不能随意进行动态调整，当标签数量多时，时隙数不够用，导致时隙内标签的碰撞率急剧上升，也急剧的降低了系统的识别效率和信道利用率；当标签数量少时，如有的时隙内没有标签在传输数据，则会产生许多空时隙，造成时隙的浪费。

基本工作流程

时隙 ALOHA 算法的基本工作流程如下：

1）读写器先发送 Query 指令规定帧长（时隙的个数）；

2）标签在帧长范围内随机地选择一个时隙响应读写器的指令并返回信息包，仅有一个标签返回信息包的时隙称为成功时隙，没有标签返回信息包的时隙称为空时隙，有 2 个或更多个标签返回信息包的时隙称为碰撞时隙，发生碰撞的标签会在下一帧继续尝试；

3）算法先根据前一帧的反馈（即观测值：碰撞时隙数量，空时隙数量和成功时隙数量），采用一定的标签估算方法来估算场区内的标签数量 n，并且据此选择一个合适的帧长度；

4）读写器以为下一轮识别的帧长，直到读写器工作场区内的标签被全部识别完毕。

时隙ALOHA方案

在通信系统的媒质访问控制协议中,带宽一定，通常有两种时隙ALOHA方案可供选择。一种方案是在特定的时隙中，各个用户随机选择扩频码，在码分信道间竞争接入，这就是时隙ALOHA DS/CDMA(简称S-ALOHA-DS/CDMA)接入方案。另一种方案是把信道在频域上分为多个窄带子信道，这些子信道既可以采用传统的频分复用方法(整个频带划分为互不重叠的子信道)，也可以采用正交频分复用(各子载波有重叠，但保持正交)；对于后者，在特定的时隙中，各个用户在子信道间竞争传输分组，这就是多载波时隙ALOHA(简称MC-S-ALOHA)方案。

在S-ALOHA-DS/CDMA中，若每个发送用户有唯一的扩频码字，不同的发送方使用不同的扩频码来以时隙ALOHA方式发送信息，则称为基于发送方的扩频传输协议(T-SSA)，它的特点是没有码字选择的冲突；若系统中的码字总数受限于接收方的解调器总数，各个发送方在码集中竞争码字传送分组，则称为基于接收方的扩频传输协议(R-SSA)，它的特点是可以节省码字数，减少码字的同步时间,但有可能出现码字竞争冲突。在MC-S-ALOHA中，假设有N个窄带时隙ALOHA并行正交子信道，这些子信道的带宽之和等于CDMA系统的带宽。忽略热噪声的影响及载波间的干扰，则可以在时隙ALOHA方案中不采用纠错编码。

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