CN102129581A

CN102129581A - 一种自适应双模式阻塞防碰撞方法

Info

Publication number: CN102129581A
Application number: CN 201110020482
Authority: CN
Inventors: 沈海斌; 赵宇; 周祺; 李刚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: CN102129581B

Abstract

本发明公开了一种自适应双模式阻塞防碰撞方法，该方法分别记录了在一个帧内迁入标签和驻留标签的数目，并计算该帧的驻留率，在基于驻留率p_s的基础上，具有两种工作模式，通过两种模式的结合，避免了驻留标签之间的碰撞，同时也降低了驻留标签与迁入标签之间的碰撞；本方法具有识别速度快，空闲时隙少的特点，极大地提高了系统的性能。

Description

一种自适应双模式阻塞防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种射频识别（RFID）系统中标签的防碰撞方法，尤其涉及一种双模式的阻塞防碰撞方法。

背景技术

无线射频识别技术（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。自动识别技术的崛起，为计算机提供了快速、准确地进行数据采集和输入的有效手段，并且作为一种先导性的高新技术，迅速为人们所接受。该技术有着众多的应用，包括后勤补给、门禁控制、交通运输、宠物管理、图书管理和电子档案等等。

由于目前还没有真是的RFID产品标准，造成了RFID产品在不同市场和应用上的混乱和孤立。国际上与RFID技术相关的标准化机构主要由国际标准化组织（ISO）等，产业联盟主要是美国EPCglobal和日本泛在ID中心。我国RFID市场规模正在迅速扩大。在中国市场上，RFID在低频及高频的应用已经相对成熟。2004年中国RFID市场已经有超过12亿元人民币的市场规模，其中标签的市场规模就占据了9.33亿元人民币。

在RFID系统数据通信的过程中，数据传输的完整性和正确性是保证整个识别系统数据通信性能的关键技术，而完整性和正确性的降低主要在于两个原因：外界的各种干扰噪声和多个读写器与多个标签同时占用信道发送数据产生碰撞。防碰撞方法就是用来解决读写器或者标签的碰撞问题。

若某个读写器的识别范围内有多个标签，当多于一个的标签同时请求与读写器进行通信时，便产生标签碰撞。目前大多RFID系统采用时分复用的方法，使某个标签在某个时隙单独占用信道与读写器进行通信。具体来说可以归纳为两类方法，一类是基于Aloha的方法，又称为概率性方法；一类是基于树的方法，又称为确定性方法。

韩国的Kyung-Ho Seo, Won-Jun Lee, Ji-Hoon Myung等发明了一种基于自适应二叉树分割的方法（ABS），其专利号为US 20090040021A1，该方法为每个识别的标签提供一个识别序列号，若在新的一帧开始时仍停留在同一个读写器的识别范围内，则保留上一帧的识别序列号，这样可以避免这类标签（称为驻留标签）在新的一帧发生碰撞。但是这种方法的问题是会有驻留标签与新迁入的标签发生碰撞，当驻留标签数目较多时，该方法的性能会比较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自适应双模式阻塞防碰撞方法。该方法能够有效地防止驻留标签之间的碰撞，大大降低驻留标签与迁入标签之间的碰撞，同时降低了空闲时隙的数目，有效提高了识别效率。该方法能够根据驻留标签的比率灵活的在模式之间切换，有效提高了方法的性能。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种自适应双模式阻塞防碰撞方法，包括以下步骤：

（1）读写器初始化操作：读写器发送帧开始命令，清零已识别标签数目计数器PSC，并判断该帧是否是第一帧，如若是，则初始化最大识别序列号计数器TSC。估计迁入标签的数目EST，得到迁入标签最大识别序列号TSCEXT，同时清零迁入标签计数器count和驻留标签计数器stay。

（2）读写器向标签发送信息：读写器向识别范围内传输TSC、TSCXET、读写器序列号rID、模式MODE等信息到标签，同时读写器保存最大识别序列号TSCEXT到TSC。

（3）标签接收信息并进行相应操作：处于读写器识别范围内的标签在接收到帧开始命令后，进入激活状态。接收读写器发送的TSC，TSCEXT，rID，MODE等信息，并清零PSC。标签将收到的rID与储存的读写器序列哈tID进行比较，是否属于驻留标签，同时储存rID到tID。若是驻留标签，根据写入的状态位，决定是否退出同一个读写器的再次识别。若是迁入标签，则根据模式信息选择ASC值：在低驻留率模式下，ASC在0～TSCEXT之间随机产生；若在高驻留率模式下，ASC在TSC～TSCEXT之间随机产生。

（4）符合条件的标签做出相应的响应：标签判断自己的PSC是否小于等于ASC，若是大于，则退出识别。若标签PSC值与ASC相等，则传输ID到读写器，并等待反馈信息。

（5）读写器接收到标签响应信息后进行相应操作处理并反馈给标签：读写器判断PSC是否小于等于TSC，否则该帧结束。读写器收到标签的响应信号后做出判断：若是多于一个标签响应，TSC加1，给出碰撞反馈；若只有一个标签响应，则驻留标签计数器或者迁入标签计数器加1，存储标签ID，PSC加1并给出可读反馈；若无标签响应，TSC减1并给出空闲反馈。

（6）标签接收反馈信息后进行相应操作：标签收到反馈信息后进行相应操作：当标签PSC=ASC时，若发生碰撞，ASC加上一个随机的二进制数，否则PSC加1；当标签PSC<ASC时，若发生碰撞，ASC加1，若可读，PSC加1，若空闲，则ASC减1。标签将重复进行4～6的操作，直至识别结束。

（7）重复操作直至所有标签都已识别：重复步骤4～6直至所有标签都已识别。当识别完成时，计算该帧的驻留率，并预测下一帧的识别模式。

（8）读写器传输帧结束命令到标签。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明首次提出采用双模式的阻塞方法对标签进行识别。本发明在识别过程中分别记录驻留标签和迁入标签的数目，计算该帧的驻留率，同时与历史累积所得驻留率进行均衡。通过驻留率与门限值进行比较，决定下一帧采用哪种模式。这样做的优点是能够灵活的根据驻留率的大小，调整签注标签ASC值的分布，既能避免驻留标签的碰撞，有能避免大量的空闲时隙。

2、结合迁入标签估计方法，使得迁入标签的识别序列号ASC在一个合理的范围内分布，0～TSCEXT或者TSC～TSCEXT。从而兼具ABS方法和传统阻塞方法的优势。

３、提高系统吞吐率，缩短了总识别时间。由于本发明提出的方法能够灵活选择工作模式，从而选择一种适合当前环境的工作模式，使系统工作性能最高。

总体来说，本发明结合了ABS方法和阻塞方法的优势，同时也弥补了它们的不足，并结合标签数目估计方法，提高系统性能。通过对驻留率的计算，划分为两种工作模式。在驻留率较低时，采用类似ABS方法的模式，避免驻留标签的碰撞，同时有效利用迁出标签的识别序列，降低空闲时隙；在驻留率较高时，采用阻塞方法，避免驻留标签的碰撞，也避免了驻留标签与迁入标签的碰撞。本发明识别效率高，结构简单，非常适合应用于RFID系统。

附图说明

图１是本发明读写器的操作流程图；

图２是本发明标签的操作流程图；

图3是本发明仿真所得各种方法对于驻留率的延时。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实例表述的范围。

通常，RFID系统由一个读写器和一些标签组成，每个标签携带特有的识别序列号（ID）。当标签进入读写器的识别范围时，读写器可对其进行识别。然而，由于信道共享，当多于一个的标签同时传输其ID时，便产生碰撞。在很多RFID系统中，读写器可能会对某些一直存在于其识别范围内的标签进行重复识别，这种标签称为驻留标签。驻留标签数占总识别标签数的比率称为驻留率。本发明采用双模式的阻塞方法，按驻留率高低进行划分，彻底解决驻留标签的碰撞问题，同时也大大降低驻留标签与迁入标签的碰撞几率。同时，由于在某些情形下，驻留标签可以退出识别，这样更降低了碰撞几率，提高系统识别效率。

本发明用于RFID系统的标签防碰撞方法，读写器和标签的操作分别包括如下步骤：

读写器的步骤为：

（1）读写器初始化帧，标签识别个数计数器（PSC）清零，若是第一个帧则最大识别号计数器（TSC）清零,驻留标签计数器（stay）和迁入标签计数器（newcount）分别清零，否则保持原值。估计迁入标签数目，并给出估计的迁入标签最大识别号（TSCEXT），同时清零stay与newcount。

（2）传输上一帧的TSC，TSCEXT，读写器ID号，模式（mode）等信息到标签。

（3）判断当前PSC值是否小于TSC，否则退出该帧。

（4）接收标签响应信号并给出响应判断：若有多个标签响应，给出碰撞反馈，TSC加1；若只有一个标签响应，存储标签ID，PSC加1，给出可读反馈，再判断是否新迁入的标签，若是则newcount加1，否则stay加1；若无标签响应，则TSC减1，并给出空闲反馈。

（5）计算驻留率。若驻留率低于门限值，则选择低驻留率模式，否则选择高驻留率模式。

（6）传输反馈信号到标签，回到步骤（3），重复上述步骤直到结束。

（7）传输结束帧命令。

标签的步骤为：

（1）接收开始帧命令并接受上一帧的最大识别号（TSC），加上迁入标签后的最大识别号（TSCEXT），读写器ID号，模式（mode）等信息。

（2）PSC清零，根据读写器的ID号判断本身是否属于驻留标签，并保存读写器ID号。若为迁入标签，根据模式信息，当为低驻留率模式时，其ASC在0到TSCEXT之间随机产生，当为高驻留率时，其识别号在TSC到TSCEXT之间随机产生。若为驻留标签，则保留上一帧得到ASC值，根据具体标签内写入的状态位，决定是否继续进行识别或退出。

（3）判断标签PSC是否大于ASC，若是则退出该帧的识别。

（4）若PSC与ASC值相等，传输标签ID并接收读写器给出的反馈信息。若是碰撞，ASC加上一位随机产生的二进制数；若是可读，则PSC加1，若是空闲，则ASC减1。

（5）回到步骤（3），重复以上步骤直到识别成功，并退出该帧的识别。

读写器的步骤（1）中，所述估计的迁入标签最大识别号（TSCEXT）的值，要求先对迁入标签数目给出估计，在上一帧保留的TSC值的基础上，加上给出的估计值。读写器的步骤（5）中，所述的驻留率的计算，要先求出该帧结束时该帧的驻留率，再与历史综合所得的驻留率之间进行均衡；所述的门限值小于0.5，具体根据应用可自行设定。

标签的步骤（2）中，所述当判断为驻留标签时，根据具体应用，驻留标签是否再次进行识别的状态信息是识别之前写入标签的，标签可自主决定是否继续进行识别。退出识别的标签能够提供课有效利用的时隙，加快识别速度；所述迁入标签在低驻留率时，ASC的值是在0～TSCEXT之间随机产生，而在高驻留率时，ASC的值是在TSC～TSCEXT之间随机产生；驻留标签无论哪种模式都保持不变。

综合上述读写器和标签的操作步骤，本发明自适应双模式阻塞防碰撞方法也可以陈述为具体包括以下步骤：

1.读写器初始化操作

读写器发送帧开始命令，清零已识别标签数目计数器PSC，并判断该帧是否是第一帧，如若是，则初始化最大识别序列号计数器TSC。估计迁入标签的数目EST，得到迁入标签最大识别序列号TSCEXT，同时清零迁入标签计数器count和驻留标签计数器stay。

2.读写器向标签发送信息

读写器向识别范围内传输TSC、TSCXET、读写器序列号rID、模式MODE等信息到标签，同时读写器保存最大识别序列号TSCEXT到TSC。

3.标签接收信息并进行相应操作

处于读写器识别范围内的标签在接收到帧开始命令后，进入激活状态。接收读写器发送的TSC，TSCEXT，rID，MODE等信息，并清零PSC。标签将收到的rID与储存的读写器序列哈tID进行比较，是否属于驻留标签，同时储存rID到tID。若是驻留标签，根据写入的状态位，决定是否退出同一个读写器的再次识别。若是迁入标签，则根据模式信息选择ASC值：在低驻留率模式下，ASC在0～TSCEXT之间随机产生；若在高驻留率模式下，ASC在TSC～TSCEXT之间随机产生。

4.符合条件的标签做出相应的响应

标签判断自己的PSC是否小于等于ASC，若是大于，则退出识别。若标签PSC值与ASC相等，则传输ID到读写器，并等待反馈信息。

5.读写器接收到标签响应信息后进行相应操作处理并反馈给标签

读写器判断PSC是否小于等于TSC，否则该帧结束。读写器收到标签的响应信号后做出判断：若是多于一个标签响应，TSC加1，给出碰撞反馈；若只有一个标签响应，则驻留标签计数器或者迁入标签计数器加1，存储标签ID，PSC加1并给出可读反馈；若无标签响应，TSC减1并给出空闲反馈。

6.标签接收反馈信息后进行相应操作

标签收到反馈信息后进行相应操作：当标签PSC=ASC时，若发生碰撞，ASC加上一个随机的二进制数，否则PSC加1；当标签PSC<ASC时，若发生碰撞，ASC加1，若可读，PSC加1，若空闲，则ASC减1。标签将重复进行4～6的操作，直至识别结束。

7.重复操作直至所有标签都已识别

重复步骤4～6直至所有标签都已识别。当识别完成时，计算该帧的驻留率，并预测下一帧的识别模式。这部分可参考如下伪代码：

“……

12 传输TSC，TSCEXT，RID, MODE等信号到标签

……

33

//计算驻留率，并在历史驻留率与本帧驻留率间均衡

34 if p_s<Threshhold then

//与阈值进行比较进行模式选择

35 MODE=lowstayratio

36 else then

37 MODE=highstayratio

38 end if

……”。

8.读写器传输帧结束命令到标签。

实施例

假设现有N=100个标签，并在第i帧识别50个标签。则第i+1帧时，50个标签中可能有一部分驻留，有一部分迁出，同时另外50个未识别的标签中有一部分将迁入该读写器的识别范围。现假设迁入率为0.5，即有25个标签迁入。

不论ABS方法还是SRB方法，都源于二叉树方法BT方法。对于BT方法来说，不论迁入、驻留标签数目多少，识别方式都是一样的，则需要识别的总时隙数为：

（1）

上式中Ti代表第i帧，D代表delay，即所需时隙数，n为需要识别的标签数目。则同样的，ABS方法所需的时隙数为

（2）

在第i帧识别n个标签的前提下，其中

为估算的迁入标签数目，SRB方法所需的时隙数为

（3）

由于本方法在低驻留率时，ASC的值是在0～TSCEXT之间分布，ＤＭＢ即本算的简称，因此其延时为

　　（4）

在驻留率较高时，本方法所需延时与ＳＲＢ相同。

现在考虑在上例中，迁入标签数为２５，而驻留标签数目未定。因此，在驻留率为变量的情形下，各方法所需的延时信息如图3所示。

在本实例中，在驻留率为变量的情形下，本发明的平均性能是最好的。在驻留率较高时，而在标签能够自主退出时，本发明的优势会更加明显。

本发明采用了双模式阻塞方法，降低了驻留标签与迁入标签的碰撞，同时也降低了空闲时隙的比例，较大程度的提高了系统的性能。本发明实现较易，且能够灵活调整工作模式，非常适合应用于ＲＦＩＤ系统中。

Claims

1.一种自适应双模式阻塞防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）读写器初始化操作：读写器发送帧开始命令，清零已识别标签数目计数器PSC，并判断该帧是否是第一帧，如若是，则初始化最大识别序列号计数器TSC；估计迁入标签的数目EST，得到迁入标签最大识别序列号TSCEXT，同时清零迁入标签计数器count和驻留标签计数器stay；

（2）读写器向标签发送信息：读写器向识别范围内传输TSC、TSCXET、读写器序列号rID、模式MODE等信息到标签，同时读写器保存最大识别序列号TSCEXT到TSC；

（3）标签接收信息并进行相应操作：处于读写器识别范围内的标签在接收到帧开始命令后，进入激活状态；接收读写器发送的TSC，TSCEXT，rID，MODE等信息，并清零PSC；标签将收到的rID与储存的读写器序列哈tID进行比较，是否属于驻留标签，同时储存rID到tID；若是驻留标签，根据写入的状态位，决定是否退出同一个读写器的再次识别；若是迁入标签，则根据模式信息选择ASC值：在低驻留率模式下，ASC在0～TSCEXT之间随机产生；若在高驻留率模式下，ASC在TSC～TSCEXT之间随机产生；

（4）符合条件的标签做出相应的响应：标签判断自己的PSC是否小于等于ASC，若是大于，则退出识别；若标签PSC值与ASC相等，则传输ID到读写器，并等待反馈信息；

（5）读写器接收到标签响应信息后进行相应操作处理并反馈给标签：读写器判断PSC是否小于等于TSC，否则该帧结束；读写器收到标签的响应信号后做出判断：若是多于一个标签响应，TSC加1，给出碰撞反馈；若只有一个标签响应，则驻留标签计数器或者迁入标签计数器加1，存储标签ID，PSC加1并给出可读反馈；若无标签响应，TSC减1并给出空闲反馈；

（6）标签接收反馈信息后进行相应操作：标签收到反馈信息后进行相应操作：当标签PSC=ASC时，若发生碰撞，ASC加上一个随机的二进制数，否则PSC加1；当标签PSC<ASC时，若发生碰撞，ASC加1，若可读，PSC加1，若空闲，则ASC减1；标签将重复进行4～6的操作，直至识别结束；

（7）重复操作直至所有标签都已识别：重复步骤4～6直至所有标签都已识别；当识别完成时，计算该帧的驻留率，并预测下一帧的识别模式；

（8）读写器传输帧结束命令到标签。