CN102163272B - 一种提高阅读器能效性能的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高阅读器能效性能的方法，该方法包括：初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量；更新帧时隙状态，并根据更新的帧时隙状态，确定不需要增加功率电平；根据当前帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值。本发明还公开了一种提高阅读器能效性能的装置，采用本发明所述的方法及装置，使RFID系统的吞吐量达到最大，从而降低了系统的能耗，延长系统的使用时间；在降低能耗的同时，保证了阅读器阅读标签的速率。

Description

一种提高阅读器能效性能的方法及装置
技术领域
本发明涉及射频识别(RFID)技术领域，特别是指一种提高阅读器能效性能的方法及装置。
背景技术
RFID系统可以由至少一个阅读器和一个标签组成，阅读器与标签通过无线的方式进行通信。近些年，随着RFID技术在物流、库存管理、零售、公共交通等众多领域的广泛的应用，如何提高RFID系统性能，比如：防冲撞、阅读速率、安全认证以及响应时间等，是目前很多科研机构广泛研究的内容。
目前，尽管对RFID系统性能的研究非常广泛，但是针对RFID阅读器，尤其是无源的便携式RFID阅读器能量消耗问题的研究却非常少，在大型仓库、集装箱码头等场景中，需要采用无源阅读器与标签进行通信，靠电池供电的无源阅读器如何尽可能多的阅读更多数量的标签，成为我们要关心和解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高阅读器能耗性能的方法及装置，使RFID系统的吞吐量达到最大，从而降低系统的能耗，延长系统的使用时间；并且在降低能耗的同时，保证阅读器阅读标签的速率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种提高阅读器能效性能的方法，该方法包括：
初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量；
更新帧时隙状态，并根据更新的帧时隙状态，确定不需要增加功率电平；
根据当前帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值。
上述方案中，所述初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量包括：初始化运算参数，并将运算参数中的当前功率电平增加递增值，将Q加1，根据当前Q值及帧时隙数量计算公式获取当前帧时隙数量。
上述方案中，所述更新帧时隙状态之前，该方法进一步包括：确定当前功率小于或等于功率最大值，更新帧时隙状态；否则，根据当前帧时隙数量，估算标签数量。
上述方案中，所述更新帧时隙状态包括：根据当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议，更新空闲时隙数、成功时隙数以及冲突时隙数。
上述方案中，所述根据更新的帧时隙状态，确定不需要增加功率电平包括：冲突时隙数等于0，或冲突时隙数大于0且成功时隙数等于0时，迭代后的迭代值大于迭代最大值，则确定不需要增加功率电平。
上述方案中，所述根据当前帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值包括：使当前帧时隙数量与标签总数相等，然后根据标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取所述标签总数对应的最佳Q值，然后设置当前的Q值为最佳Q值。
本发明还提供了一种提高阅读器能效性能的装置，该装置包括：初始化模块、调整模块、设置模块以及估算模块；
初始化模块，用于初始化运算参数，并通知调整模块；
调整模块，用于调整运算参数，获取当前帧时隙数量，并通知设置模块；
设置模块，用于更新帧时隙状态，根据帧时隙状态确定不需要增加功率电平，将当前帧时隙数量发送给估算模块；所述通知中包含当前帧时隙数量；
估算模块，用于根据帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值。
上述方案中，所述初始化模块具体用于，初始化调整模块以及设置模块中的运算参数；所述调整模块具体用于，将运算参数中的当前功率电平增加递增值，将Q加1，然后根据当前Q值以及帧时隙数量计算公式获取当前帧时隙数量。
上述方案中，所述调整模块进一步用于，将当前功率电平增加递增值，确定当前功率电平小于或等于功率电平最大值，将当前帧时隙数量发送给设置模块，否则，将当前帧时隙数量发送给估算模块。
上述方案中，所述设置模块具体用于，根据接收的当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议，更新空闲时隙数、成功时隙数以及冲撞时隙数。
上述方案中，所述设置模块具体用于，冲突时隙数为0，或者冲突时隙数大于0，且成功时隙数为0时，确定迭代后的迭代值大于迭代最大值，则确定不需要增加功率电平。
上述方案中，所述估算模块具体用于，将当前帧时隙数量等于标签总数，然后根据标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取与所述标签总数对应的最佳Q值，并将调整模块中的Q值，设置为最佳Q值。
由此可见，采用本发明所述的方法及装置，在尽量减少标签冲撞的前提下，估算标签总数，获取最佳Q值，可以使RFID系统的吞吐量达到最大，从而降低了系统的能耗，延长系统的使用时间；同时，本发明在降低能耗时，先估算标签总数，从而获取何时的时隙数，在降低能耗的同时，保证了阅读器阅读标签的速率。
附图说明
图1为被动式标签获得能量的装置原理图；
图2为物理层反应速率探测装置图；
图3为有损状态物理层波形示意图；
图4为本发明实现提高阅读器能效性能的方法流程示意图；
图5为标签总数与Q值映射关系表；
图6为功率电平与标签响应速率映射关系表；
图7为阅读器与标签通信过程中帧时隙分布示意图；
图8为本发明实现提高阅读器能效性能的装置组成示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：阅读器初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量，更新帧时隙状态，根据帧时隙状态确定功率电平不需要增加，根据当前帧时隙数量估算标签总数，并根据所述标签总数获取最佳Q值。
被动式标签获得能量的装置原理如图1所示。阅读器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波，当有标签靠近阅读器时，标签内的LC并联谐振电路会产生共振，其频率与阅读器的发射频率相同，从而使电容C充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电荷泵，将电容C内的电荷送到另一个电容C1内存储。当电容器C1充电达到一定电压时，此电容作为电源，为标签上的其他电路提供工作电压，从而使标签内的数据发射出去或接收阅读器发出的数据并保存。其中，根据充电过程，可以将标签分为三个状态，分别为闲置状态，即C1断电的状态；有损状态，介于C1断电与充满电之间的状态；以及活跃状态，即C1充满电的状态。
根据如图2所示的物理层反应速率探测装置，通过嗅探测器对标签与阅读器之间的通信进行测量时，物理层的反应速率。通过分析嗅探测器测量的物理层的波形图可以发现，在三个状态下：标签处于闲置状态时，无法与阅读器通信；标签处于有损状态时，如图3所示的有损状态的物理层波形图所示，标签以反向散射波的形式，回复阅读器的询问时，因为标签的能量不足，会导致与阅读器之间的通信中断，但是阅读器仍以正常状态的能量电平等待与标签的通信，导致阅读器的能量有损耗；在活跃状态，阅读器与标签的通信正常，能量消耗较低。
本发明提供的一种提高阅读器能效性能的方法，如图4所示，具体步骤如下：
步骤401、初始化运算参数；
阅读器以散射波的形式向标签发出询问，阅读器与标签开始通信，确定标签发生冲撞，阅读器初始化运算参数。
所述阅读器确定标签发生冲撞包括：根据阅读器与标签之间的通讯协议，若阅读器收到标签回复的代码中，包含回复失败信息，则说明标签之间有冲撞，存在冲突时隙。所述标签之间有冲撞有以下几种原因：标签在同一时隙回复阅读器的询问；或者标签处于有损状态，能量不足导致回复中断；或者标签损坏，回复信息错误。
所述初始化运算参数过程包括：阅读器将当前功率电平P设置为P＝Pmin-0.5，其中，最小功率电平Pmin以及下文中的最大功率电平Pmax由阅读器自身的功率电平范围决定，同时，将Xi初始化为0，将Q初始化为1。所述Xi为迭代值，所述Q为阅读器天线的品质因素，影响阅读器能量的传输效率与吞吐量，Q的取值范围由阅读器本身决定，所述吞吐量为阅读器成功阅读标签的概率。
步骤402、调整运算参数，获取当前帧时隙数量，然后确定当前功率电平是否大于最大功率电平，如果是，使当前功率电平为最大功率电平，然后执行步骤404，否则，执行步骤403；
所述获取当前帧时隙数量，可以根据当前Q值以及帧时隙数量计算公式获取。所述帧时隙数量计算公式为：NS＝2Q---公式(1)；
所述调整运算参数包括：在当前功率电平上增加递增值，同时将Q值加1；在当前功率电平P上增加递增值，假设的递增值为0.5，则P＝P+0.5，然后比较P与最大功率电平Pmax的大小，若P大于Pmax，根据当前Q值及公式(1)，获取当前帧时隙数量，执行步骤404，否则，执行步骤403。
步骤403、更新帧时隙状态，根据帧时隙状态，判断是否需要增加当前功率电平；如果是，执行步骤402，否则，执行步骤404；
所述更新帧时隙状态包括：根据当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议更新空闲时隙数S0、成功时隙数S1以及冲撞时隙数S2。
所述根据当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议更新S0、S1、以及S2包括：首先，阅读器接收标签的回复，根据通讯协议，若标签回复的代码中，包含回复失败信息，说明标签之间有冲撞，则接收的包含失败信息的回复的个数，即为冲突时隙数；同样的，接收的包含成功信息的回复的个数，即为成功时隙数；根据获取的当前帧时隙数量，以及冲突时隙数、成功时隙数，即可获取空闲时隙数，所述空闲时隙数S0＝NS-S1-S2。
所述根据帧时隙状态，判断是否需要增加当前功率电平包括：判断S2是否为0，若S2大于0，说明标签此时发生了冲撞，进一步判断S1是否大于0，若S1大于0，说明此时既有冲突时隙，也有成功时隙，为减少冲突时隙发生的概率，需要提高当前功率电平，将Xi清零，然后执行步骤402；若S1等于0，说明当前有冲突时隙，但是没有成功时隙，没有标签与阅读器正常通信，情况反常，判断迭代后的迭代值是否大于迭代最大值，若大于迭代最大值，说明功率电平已经增大到一定程度，但是反常情况仍然存在，如果继续增大功率电平，将导致系统的能耗太大，为保证系统的吞吐量，尽量的降低能耗，保留当前的冲突时隙的存在，执行步骤404；若迭代值小于或等于迭代最大值，说明冲突时隙还有减小的空间，执行步骤402，所述迭代最大值Xbound，根据阅读器的区别错误率设定，区别错误率的概率极限，即为Xbound，所述区别错误率为阅读器错误读取标签的概率，可根据实际测量获取；所述判断迭代后的迭代值是否大于迭代最大值包括：将Xi＝Xi+1，然后判断Xi与Xbound的大小，若Xi小于或等于Xbound，则迭代后的迭代值小于或等于迭代最大值，否则，迭代后的迭代值大于迭代最大值。
若S2等于0，说明当前没有发生冲撞，将Xi清零，然后执行步骤404。
步骤404、估算标签总数，并根据所述标签总数获取最佳Q值。
所述估算标签总数，也就是参与通信的标签总数包括：读取当前帧时隙数量NS，根据吞吐量计算公式可以得知，在NS与标签总数相同的情况下，系统可达到最大的吞吐量，因此，标签总数即为当前帧时隙数量，根据标签总数，读取标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取标签总数对应的最佳Q值，将当前的Q值设置为获取的最佳Q值，即可获取最大吞吐量，从而使得当前阅读器的能耗最低。所述标签总数与最佳Q值的映射关系表可根据经验测量获取，如图5所示的，阅读器与标签的传输速率为10kbp时，标签总数与最佳Q值的映射关系表；所述吞吐量为阅读器成功阅读标签的概率，根据吞吐量计算公式：Throughtput＝S1/(S0*T0+S1*T1+S2*T2)----公式(2)，然后根据 ----公式(3)，----公式(4)，S2＝NS-S0-S1----公式(5)，将公式(3)、公式(4)、公式(5)以及公式(1)，带入公式(2)，同时使NS＝NT，即可获取最大吞吐量，其中，所述T0、T1以及T2分别为空闲时隙长度、成功时隙长度以及冲突时隙长度，可以通过测量获取。
根据实际测量的结果可以得知，当功率电平达到一定数值后，标签的响应速率保持在100％，如图6所述的标签响应速率与功率电平映射关系表，所述标签响应速率与功率电平映射关系可根据经验获取，其中，当功率电平达到临界点，如图7中的17dBm，标签的响应速率为100％，再提高功率电平，标签的响应速率保持不变，对于阅读器的能量是一种浪费，根据测量结果可知，阅读器的功率电平在临界点时，系统的吞吐量为最大，因此，可以看出，本发明的方案，获取最佳Q值，使系统达到最大吞吐量，并使系统保持吞吐量最大时的功率电平，可以使阅读器的能耗达到最低。
对于冲突时隙、成功时隙以及空闲时隙的描述如图7所示，假设系统中有5个标签，阅读器向标签发出命令，5个标签接收到命令后都以反向散射波的形式回复阅读器的询问。由于标签的回复是随机的，可以选择在任何时隙做出回应，所以不同的标签有可能在同一时隙回复阅读器的询问，这样会造成冲撞，此时的时隙就是冲突时隙，如图中的TS0、TS2、TS4、TS6。标签在冲突时隙回复阅读器的询问，由于发送了冲撞，阅读器无法正确阅读标签，标签无法被阅读器识别。没有被阅读器识别的标签会不断地选择新的时隙回复阅读器的询问，若某一时刻，在一个时隙中只有一个标签做出回应，那么就能成功回复阅读器的询问，该时隙就是成功时隙，如图中的TS1、TS5、TS7、TS8、TS9。被标签识别的标签就暂时处于休眠状态，不会再抢占时隙。同时，也有可能同一个时隙没有任何标签回复阅读器的响应，那么这个时隙就是空闲时隙，如图中的FS3。
基于以上方法，本发明还提供了一种提高阅读器能效性能的装置，如图8所示，该装置包括：初始化模块801、调整模块802、设置模块803以及估算模块804；
初始化模块801，用于初始化运算参数，在初始化完成后通知调整模块802；所述初始化运算参数包括：将调整模块802中的当前功率电平P设置为P＝Pmin-0.5，将Q初始化为1，将设置模块803中的Xi初始化为0；
调整模块802，用于调整运算参数，获取当前帧时隙数量，确定当前功率电平小于或等于功率电平最大值，通知设置模块803，否则，使当前功率电平为最大功率电平，通知估算模块804；所述调整运算参数包括：将当前功率电平增加递增值，将当前Q值加1；所述通知中包含当前帧时隙数量；
设置模块803，用于更新帧时隙状态，根据帧时隙状态，确定需要增加功率电平，通知调整模块802；确定不需要增加功率电平，将当前帧时隙数量发送给估算模块804；
估算模块804，用于根据帧时隙数量估算标签总数，并根据标签总数获取最佳Q值，将当前Q值设置为最佳Q值。
所述设置模块803具体用于，读取当前帧时隙数量，然后根据帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议，更新空闲时隙数、成功时隙数以及冲撞时隙数；所述根据帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议包括：阅读器接收标签的回复，根据通讯协议，若标签回复的代码中，包含回复失败信息，说明标签之间有冲撞，则接收的包含失败信息的回复的个数，即为冲突时隙数；同样的，接收的包含成功信息的回复的个数，即为成功时隙数；根据获取的当前帧时隙数量，以及冲突时隙数、成功时隙数，即可获取空闲时隙数。
所述设置模块803具体用于，冲突时隙数为0，或者冲突时隙数大于0，且成功时隙数为0时，确定迭代后的迭代值大于迭代最大值，则确定不需要增加功率电平；
冲突时隙数大于0，且成功时隙数大于0，或者，冲突时隙数大于0，且成功时隙数为0时，确定迭代后的迭代值小于或等于迭代最大值，则确定需要增加功率电平。
所述估算模块804具体用于，将当前帧时隙数量等于标签总数，然后根据标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取与所述标签总数对应的最佳Q值，并将调整模块中的Q值，设置为最佳Q值。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高阅读器能效性能的方法，其特征在于，该方法包括：
初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量；其中，所述初始化并调整运算参数，获取当前帧时隙数量包括：初始化运算参数，并将运算参数中的当前功率电平增加递增值，将Q加1，根据当前Q值及帧时隙数量计算公式获取当前帧时隙数量；
更新帧时隙状态，并根据更新的帧时隙状态，确定不需要增加功率电平；其中，更新帧时隙状态之前，确定当前功率小于或等于功率最大值，更新帧时隙状态；否则，根据当前帧时隙数量，估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值；其中，所述根据更新的帧时隙状态，确定不需要增加功率电平包括：冲突时隙数等于0，或冲突时隙数大于0且成功时隙数等于0时，迭代后的迭代值大于迭代最大值，则确定不需要增加功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述更新帧时隙状态包括：
根据当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议，更新空闲时隙数、成功时隙数以及冲突时隙数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据当前帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值包括：
使当前帧时隙数量与标签总数相等，然后根据标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取所述标签总数对应的最佳Q值，然后设置当前的Q值为最佳Q值。
4.一种提高阅读器能效性能的装置，其特征在于，该装置包括：初始化模块、调整模块、设置模块以及估算模块；
初始化模块，用于初始化运算参数，并通知调整模块；
调整模块，用于调整运算参数，获取当前帧时隙数量，并通知设置模块；所述通知中包含当前帧时隙数量；
设置模块，用于更新帧时隙状态，根据帧时隙状态确定不需要增加功率电平，将当前帧时隙数量发送给估算模块；
估算模块，用于根据帧时隙数量估算标签数量，并根据标签数量获取最佳Q值；其中，
所述初始化模块具体用于，初始化调整模块以及设置模块中的运算参数；
所述调整模块具体用于，将运算参数中的当前功率电平增加递增值，将Q加1，然后根据当前Q值以及帧时隙数量计算公式获取当前帧时隙数量；
其中，所述调整模块进一步用于，将当前功率电平增加递增值，确定当前功率电平小于或等于功率电平最大值，将当前帧时隙数量发送给设置模块，否则，将当前帧时隙数量发送给估算模块；
所述设置模块具体用于，冲突时隙数为0，或者冲突时隙数大于0且成功时隙数为0时，确定迭代后的迭代值大于迭代最大值，则确定不需要增加功率电平。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述设置模块具体用于，根据接收的当前帧时隙数量以及阅读器与标签的通讯协议，更新空闲时隙数、成功时隙数以及冲撞时隙数。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，
所述估算模块具体用于，将当前帧时隙数量等于标签总数，然后根据标签总数与最佳Q值的映射关系表，获取与所述标签总数对应的最佳Q值，并将调整模块中的Q值，设置为最佳Q值。
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