CN101840489A - 一种基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，应用于单个阅读器和多个标签组成的多标签识别环境，解决了多个标签同时与阅读器通信时所产生的碰撞问题。本发明通过直接根据标签响应序列中的首位碰撞位的位置来生成新的搜索前缀，也据此将发生碰撞的标签分成两个子集，并分别进行后续识别；改变了查询树中由阅读器主导的逐位搜索方式以及二进制树方法和ALOHA方法中随机过程带来的不确定性；消除了传统方法中的空时隙或空搜索过程。理论和实验均表明本发明方法的识别效率超过了50％，降低了系统能耗。本发明方法性能不受标签编号分布的影响，适用于各种分布的多标签识别场合，以及无源被动式多标签识别系统。

Description

一种基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法
所属技术领域
本发明涉及一种应用于射频识别(RFID)系统中的防碰撞方法，尤其涉及基于树形搜索的多标签识别防碰撞方法。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种具有实时、快速、准确采集等特点的自动识别技术。RFID系统主要由阅读器(Reader)、标签(Tag)和应用系统三部分组成，阅读器和标签之间采用无线信道进行通信。标签可分为主动式标签和被动式标签两种，其中被动式标签由于结构简单，成本较低，体积较小，得到广泛应用。被动式标签属于无源设备，标签在接收到阅读器的指令后会立即响应，发送自己的标号或者数据信息。但当同一信道中有多个标签同时响应某个阅读器时，标签数据间就会相互干扰，导致阅读器无法正常读取任何一个标签数据，即发生所谓的标签冲突或碰撞。为了解决多个标签同时识别的问题，就需要设置防碰撞算法来协调阅读器和多个标签之间的通信。
标签防碰撞算法可分为ALOHA算法、树形算法两大类。在现行的国际标准ISO18000-6中，采用了ALOHA算法和Binary Tree(二进制树算法)解决碰撞；EPCClass 1 protocol中采用Query Tree(查询树算法)解决碰撞。
ALOHA算法的基本特征是，系统将标签回复的信道按时间划分为若干间隔(该间隔称为时隙)，并要求标签选择其中一个回复。在操作中，阅读器通过指令给每一个标签发送概率(或可选时隙的范围)，标签根据收到的时隙范围，随机的选择一个时隙并按时回复；若发生碰撞，再重新选择并发送，或者在随后的时隙内重新选择或发送，直到完成所有标签的识别。经典的ALOHA算法主要包括时隙ALOHA方法(S-ALOHA)和动态时隙ALOHA方法(DS-ALOHA)。
Binary Tree(二进制树，BT)算法的基本特征是，每个标签有一个随机数发生器，生成0或1；每个标签有一个计数器，当计数器的值为0时，标签回复。由阅读器发送指令使所有标签开始回复，标签收到指令后，首先由随机数发生器生成0或1，这样将要回复的标签分为两个子集；随机数为0的标签立即回复，随机数为1的标签将计数器值设为1；若没有碰撞并回复成功，则阅读器发送指令确认，并使其它标签将计数器值减1；若没有返回信息，阅读器发送指令确认，并使所有标签计数器值均减1，直到阅读器收到标签的返回信息；若标签碰撞，阅读器发送指令，使碰撞标签产生随机数进行分裂，其它标签计数器值加1；如此循环，直到完成所有标签的识别。二进制方法的改进方法——动态二进制树搜索方法(DBT)，减少了阅读器和标签数据传送中的冗余数据的传送，提高了识别的性能，在ISO 18000-6中也得到应用。
Query Tree(查询树，QT)算法的基本特征是，阅读器从查询前缀池中选择一个前缀(prefix)进行查询，初始时前缀池中包括1和0，所有标签均将收到的前缀与自己的标签编号(ID)的起始部分进行比较，如果比较结果相同则以自己的标签编号进行回复，如果比较结果不同，则标签不予回复。如果没有碰撞，则成功识别到一个标签，阅读器从前缀池中选取新的前缀继续查询；如果发生碰撞，则阅读器将将刚刚发送的前缀增加一位1或0，即prefix+“1”和prefix+“0”并放入前缀池，等待后续查询使用；如果没有回复，阅读器从前缀池中选取新的前缀继续查询；如此循环，直到前缀池为空，即完成所有标签的识别。
ALOHA算法以时隙为基础对标签进行分组识别，算法复杂度较低，但该算法存在两个主要的问题：一是，由于时隙编号由标签随机产生，致使部分标签始终无法被识别，即标签饥饿现象；二是，由于时隙数目的限制，当标签数目的增加，算法的性能急剧下降。二进制树算法和查询树算法确保了标签的完全识别，但是也增加了算法的复杂度。ALOHA算法和树形算法都不可避免的存在空时隙或空搜索的情况，即存在某些时隙或搜索状态下没有任何标签响应的情况，因此识别算法的性能和效率受到很大的影响。同时，查询树算法的性能还受到标签编号分布情况的影响。目前很多的改进算法，如回退算法，修剪枝算法，倒置搜索，估值算法等很多方法，虽然在一定程度上减少了空时隙或空搜索的情况，但同时增加了算法本身的复杂度，也增加了算法实现的困难程度。
以上方法各有优劣，可以根据情况应用于不同的环境。例如：当标签数量较少，识别时间要求较短时，可以选用ALOHA算法；当标签编号较短，且重复位叫少时，可以选用查询树算法；当标签数目较多，而对识别时间要求不高时，可以选用二进制树算法。目前所要求的是在较短的时间内完成大量标签的完全识别。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于RFID系统的基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，即碰撞树算法(Collision Tree)，记为CT算法。该方法以较低的算法复杂度，消除了传统树形算法中的空搜索或空周期，提高了标签识别效率，降低了识别时间和功耗；同时，该方法不受标签编号分布的影响，适用于各种分布的多标签识别场合。
为达到上述目的，本发明通过采取以下技术方案予以实现：
本发明的基本思想是：通过直接根据标签响应序列中的首位碰撞位的位置来生成新的搜索前缀，也据此将发生碰撞的标签分成两个子集，并分别进行后续识别。该方法改变了查询树中由阅读器主导的逐位搜索方式，以及二进制树方法和ALOHA方法中随机过程带来的不确定性，因此消除了传统方法中的空时隙或空搜索过程(在空时隙或空搜索中，没有任何标签响应阅读器的请求)。
本发明的具体方法如下：
(1)阅读器从前缀池中读取搜索前缀prefix，初始时搜索前缀为空串，发送识别请求命令。
(2)该阅读器识别域中待识别的标签，将收到的前缀prefix与自己的编号ID进行比较，如果编号的前面部分与prefix相一致，则发送各自标签编号ID中除与prefix相一致部分之外的余下部分。
(3)阅读器接收标签的响应；如果没有响应，则表明没有待识别的标签；如果收到的编号串中没有碰撞发生，则成功识别到一个标签，且该标签的编号由搜索前缀prefix与收到的编号串连接构成；如果收到的编号串中发生碰撞，记首位碰撞位为Dc，则生成两个新的搜索前缀，它们末位，即碰撞位Dc所在位的值分别设置为0或1，其余部分由搜索前缀prefix与接收到的编号串中首位碰撞位之前的部分构成，并将两个新前缀放入前缀池，等待后续搜索。
(4)重复进行上述过程，直到完成所有标签的识别。
本发明方法中的阅读器搜索流程和标签的响应流程如图1所示，图2给出了采用本发明方法进行多标签识别的基本过程和碰撞树的基本结构。
本发明至少具有如下创新或优势：
(1)直接根据首位碰撞位生成新的搜索前缀，且搜索前缀随着碰撞发生的实际位置动态增长；
(2)在根据碰撞位生成新前缀的同时，也将待识别的标签集合分为了两个子集，其中一个子集中所有标签满足碰撞位Dc的值为0，另一个子集中所有标签满足碰撞位Dc的值为1，并且两个子集均不为空；
(3)通过(1)和(2)消除了采用传统算法进行多标签识别过程中出现的空时隙或空搜索状态，有效减少了搜索次数，提高了搜索效率；理论和实验均表明本发明算法的效率超过了50％；
(4)编号与前缀相匹配的标签在响应时，只回传与前缀不相同的编号部分，减少了信息的传输量，降低了系统能耗；
(5)本算法对阅读器和标签均没有附加要求，特别是标签只需要根据收到的前缀进行决定响应，而不需要记录历史的过程，所以本发明算法简单，可用于无源被动式多标签的识别环境；
(6)由于算法直接针对碰撞进行处理，理论和实验均表明算法性能只与标签数量有关，而与标签编号的分布状况无关，所以本发明算法可应用于各种分布的多标签识别环境。
附图说明
图1是本发明方法的算法流程：(a)阅读器的识别流程，(b)标签的响应流程。
图2是采用本发明方法(CT)完成五个标签(0001、0010、0011、1110、1111)识别的一个实例：(a)标签的识别过程，(b)描述该识别过程的碰撞树。
图3是采用查询树方法(QT)完成与图2中相同五个标签识别的例子：(a)标签的识别过程，(b)描述该识别过程的查询树。
图4是采用二进制树方法(BT)完成与图2中相同五个标签识别的例子：(a)标签的识别过程，(b)描述该识别过程的二进制树。
图5是本发明方法在识别效率上的优势曲线。
图6是本发明方法在识别速度上的优势曲线。
图7是本发明方法应用的典型场景，即单个阅读器对多个标签同时识别的环境。
图8是采用曼彻斯特编码区分碰撞位的原理图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1给出了本发明方法的算法流程。算法采用堆栈结构作为前缀池，算法实现简单。待识别的标签只需要接收命令，将命令中的前缀与自身编号的前端部分进行比较，如果一致，就发送自身编号的余下部分；如果不一致，则不做任何操作。也就是说，标签的响应和处理与过往的识别状态无关，因此该方法可以应用于无源被动式标签的识别。
图2给出了本发明方法的一个识别过程实例和碰撞树的基本结构。由于是根据碰撞直接决定生成新的搜索前缀，并据此对待识别标签进行分组，所以整个识别过程中没有空时隙或空搜索的状态。由本发明方法的目的和算法识别过程的特点，碰撞树为满二叉树，每一个中间节点至少与两个标签相对应，每一个叶子节点仅对应一个识别到的标签，碰撞树中没有空节点，如图2(b)所示。由满二叉树的性质，对于N个标签，碰撞树的叶节点也为N，碰撞树的节点总数为2N-1，所以完成N个标签的识别，总共只需要2N-1次搜索过程，而单标签识别的平均搜索次数为(2-1/N)次。所以本发明方法的识别效率(识别标签数与完成这些标签识别的搜索次数之比)超过了50％.
图2、图3、图4给出了分别采用本发明算法(CT)、查询树算法(QT)和二进制树算法(BT)识别5个标签(0001、0010、0011、1110、1111)的识别过程，以及相应的碰撞树、查询树和二进制树结构。对比图2、图3、图4可以发现，本发明算法消除了空搜索周期和空闲节点，减少了搜索次数，提高了识别效率。
图5、图6分别给出了在标签编号均匀分布环境下，与传统经典防碰撞方法相比较，本发明方法在识别效率(识别标签数与完成这些标签识别的搜索次数之比)和识别速度(单位时间内平均识别标签的数量)上的优势。其中：BT为二进制树算法，DBT为动态二进制树算法，QT为查询树算法，S-ALOHA为时隙ALOHA算法，DS-ALOHA为动态时隙ALOHA算法，CT为本发明的碰撞树算法。需要说明的是，在S-ALOHA和DS-ALOHA算法的每次实验中，时隙数的取值与标签数目相等。
本发明的具体实施方式
本发明提供了一种基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，具体应用于单个阅读器和多个标签组成的多标签识别环境中，如图7所示，解决多个标签同时发送信息所引发的标签碰撞问题。本发明方法对于标签的特点和标签编号的分布没有特殊要求，可进行无源被动式标签的识别和防碰撞处理。本发明算法中标签编号采用曼彻斯特编码(Manchester Coding)进行传送，因为根据曼彻斯特编码，阅读器能够正确区分出正确的二进制位和发生碰撞的二进制位，如图8所示。
下面以6个标签的识别过程为例，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
记这6个标签及其编号分别为：T1：00000100，T2：11001101，T3：01101111，T4：00001100，T5：11000011，T6：10011011，采用堆栈作为前缀池，存储后续搜索需要用到的前缀，根据图1所示的算法流程，本发明的具体实施过程步骤如下：
步骤1(1)阅读器以空串为前缀参数，即prefix＝NULL，发查询命令；(2)6个标签均产生响应，各自发送自身的编号(ID)；(3)阅读器收到的信号串为“XXXXXXXX”，其中X表示其所在位发生碰撞，发生碰撞，阅读器根据前缀生成规则生成两个新前缀：“1”和“0”，并依次压入堆栈(前缀池)；(4)此时堆栈中的值(前缀)，自栈顶开始依次为：“0”、“1”.
步骤2(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“0”，prefix＝“0”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T1、T3、T4产生响应，各自发送自身编号的余下部分，即第2位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“XX0X1XX”，发生碰撞，阅读器根据前缀生成规则生成两个新前缀：“01”、“00”，并依次压入堆栈；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“00”、“01”、“1”.
步骤3(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“00”，prefix＝“00”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T1、T4产生响应，各自发送自身编号的余下部分，即第3位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“00X100”，发生碰撞，阅读器根据前缀生成规则生成两个新前缀：“00001”、“00000”，并依次压入堆栈；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“00000”、“00001”、“01”、“1”.
步骤4(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“00000”，prefix＝“00000”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T1产生响应，发送自身编号的余下部分，即第6位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“100”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“00000100”，即标签T1；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“00001”、“01”、“1”.
步骤5(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“00001”，prefix＝“00001”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T4产生响应，发送自身编号的余下部分，即第6位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“100”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“00001100”，即标签T4；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“01”、“1”.
步骤6(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“01”，prefix＝“01”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T3产生响应，发送自身编号的余下部分，即第3位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“101111”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“01101111”，即标签T3；
(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“1”.
步骤7(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“1”，prefix＝“1”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T2、T5、T6产生响应，各自发送自身编号的余下部分，即第2位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“X0XXXX1”，发生碰撞，阅读器根据前缀生成规则生成两个新前缀：“01”、“00”，并依次压入堆栈；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“10”、“11”.
步骤8(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“10”，prefix＝“10”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T6产生响应，发送自身编号的余下部分，即第3位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“011011”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“10011011”，即标签T6；
(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“11”.
步骤9(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“11”，prefix＝“11”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T2、T5产生响应，各自发送自身编号的余下部分，即第3位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“00XXX1”，发生碰撞，阅读器根据前缀生成规则生成两个新前缀：“11001”、“11000”，并依次压入堆栈；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“11000”、“11001”.
步骤10(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“11000”，prefix＝“11000”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T5产生响应，发送自身编号的余下部分，即第6位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“011”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“11000011”，即标签T5；(4)此时堆栈中的值，自栈顶开始依次为：“11001”.
步骤11(1)阅读从堆栈(前缀池)中弹出一个前缀：“11001”，prefix＝“11001”，发查询命令；(2)编号与该前缀相匹配的标签T2产生响应，发送自身编号的余下部分，即第6位至第8位；(3)阅读器收到信号串为“101”，没有发生碰撞，成功识别到一个标签，其编号为“11001101”，即标签T2；(4)此时堆栈为空，表明已经完成全部标签的识别。

Claims (6)

1.一种基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，应用于射频识别系统中单个阅读器和多个标签组成的多标签识别系统中，解决多个标签同时与阅读器通信时所产生的碰撞问题，采用如下工作步骤：
(1)阅读器从前缀池中读取搜索前缀prefix，初始时搜索前缀为空串，发送识别请求命令；
(2)该阅读器识别域中待识别的标签，将收到的前缀prefix与自己的编号ID进行比较，如果编号ID的前面部分与prefix相一致，则发送各自标签编号ID中除与prefix相一致部分之外的余下部分；
(3)阅读器接收标签的响应；如果没有响应，则表明没有待识别的标签；如果收到的编号串中没有碰撞发生，则成功识别到一个标签，且该标签的编号由搜索前缀prefix与收到的编号串连接构成；如果收到的编号串中发生碰撞，记首位碰撞位为Dc，则生成两个新的搜索前缀，它们末位，即碰撞位Dc所在位的值分别设置为0或1，其余部分由搜索前缀prefix与接收到的编号串中首位碰撞位之前的部分构成，并将两个新前缀放入前缀池，等待后续搜索；
(4)重复进行上述过程，直到完成所有标签的识别。
2.根据权利要求1所述之基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，其特征在于，根据首位碰撞位生成新的搜索前缀，且搜索前缀随着碰撞发生的实际位置动态增长。
3.根据权利要求1所述之基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，其特征在于，发生碰撞的标签根据首位碰撞位Dc的值被分为两个组，一个组中标签满足Dc＝0，另一个组中标签满足Dc＝1.
4.根据权利要求1所述之基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，其特征在于，响应标签只发送各自编号ID中除与prefix相一致部分之外的余下部分。
5.根据权利要求1所述之基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，其特征在于，所述碰撞树为满二叉树，且每一个叶子节点对应一个识别到的标签，每一个中间节点对应一次碰撞发生。
6.根据权利要求5所述之基于碰撞树的多标签识别防碰撞方法，其特征在于，碰撞树中每一个中间节点至少与两个标签相对应，每一个叶子节点仅与一个标签相对应，碰撞树中没有空节点。
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