CN103020558A - 一种自适应退避机制的rfid防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法，该方法是在阅读器识别过程中，根据碰撞位情况决定选择不同的退避因子，从而进行自适应的退避机制，高效快速地识别所有标签。本发明不但能够进行自适应的退避机制，大大提高了识别效率，并且结构简单易行，搜索时间短，能耗低，非常适合于大量标签与能耗严格要求的RFID应用系统中。

Description

一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种射频识别（RFID）系统中标签防碰撞方法，具体涉及一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，缩写RFID），是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID的基本组成部分有如下三部分：标签(Tag)由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)是读取标签信息的设备；天线(Antenna)是在标签和读取器间传递射频信号。

在RFID实际应用中，很多情况下是在射频场中存在一个阅读器和多个电子标签。当阅读器同时清点多个电子标签时，就会出现标签碰撞，从而使电子标签无法将信息正确地发送给阅读器。这样，就需要采取特定的机制避免或减少碰撞。传统的解决防碰撞问题基本上有四种方法：空分多址(SDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)。目前，考虑各种方法的实现复杂度和成本价格等因素，时分多址(TDMA)算法是射频识别系统防碰撞问题的常用方法。基于TDMA的防碰撞算法主要有两种：二进制搜索算法和ALOHA算法。ALOHA算法采用无规则的时分多址，也称随机多址，但该算法随着标签数量的扩大，性能将会急剧恶化，则ALOHA算法不适宜于大规模的标签读取。二进制搜索算法的电路实现相对复杂，但算法识别率较高。这两种方法都没有与退避机制相结合。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法。该方法是在阅读器的识别过程中，根据碰撞位情况决定选择不同的退避因子，从而进行自适应的退避机制，高效快速地识别所有标签。本发明不但能够进行自适应的退避机制，大大提高了识别效率，并且结构简单易行，搜索时间短，能耗低，非常适合于大量标签与能耗严格要求的RFID应用系统中。

为达上述目的，本发明通过采取以下技术方案得以实现：

一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法，包括以下步骤：

1）阅读器初始化作用范围内所有标签并要求作用范围内所有标签响应；其中发生碰撞的位置用X表示，没有碰撞的位置记录该位接收到的数据；

2）阅读器根据接收到碰撞位情况计算出退避因子X%，并把退避因子X%发送到射频作用范围内所有标签；

3）作用范围内所有标签根据阅读器发送的识别请求命令在旧的退避因子X%基础上继续进行身份识别；或根据更新退避因子X%命令更新退避因子X%，选择自适应的退避机制，并分别在周期时间内定时；

4）作用范围内的标签在周期时间内，如果定时时间到，则回送数据给阅读器；否则进行睡眠；

5）当回送数据给阅读器发生碰撞时，则标签等待下一周期的重新识别，阅读器根据最新的碰撞位X情况，通过搜索碰撞位与临界值一一映射的关系表，决定碰撞位X情况是否达到临界值，如果达到界值，则发送更新退避因子命令；如果没有达到临界值，则发送识别请求命令，避免过于频繁更新退避因子，继续步骤7）；

6）当回送数据给阅读器不发生碰撞时，标签将接收到识别成功标志命令，标签进入身份识别成功状态.阅读器判断是否识别作用范围内所有标签，如果作用范围内所有标签识别完成则结束，否则继续步骤7；

7）返回步骤3。

上述步骤1）阅读器使用曼彻斯特编码标签碰撞数据位，记录为最原始的标签ID碰撞数据；记录的具体实现过程是：当不同标签回送的数据相应位上有不同的数值，则相应的位用X表示；当不存在碰撞，则用接收到的数值表示。

上述步骤2）的退避因子X%是碰撞位占据总数据位的百分比，即

上述步骤3）选择自适应的退避机制的具体实现过程是如下：

当上次识别成功时：C_new＝INT[C_old*8*Rand(0,X%)]；

当上次识别失败时：C_new＝INT[C_old*4*Rand(0,X%)]

其中，Rand(0,X%)表示是0到X%的随机数，INT{…}表示取整，2≤C_new、C_old≤32；D的取值关系如下： $D=\left\{\right|\begin{array}{cc}0.25& C_{\mathrm{old}}>8;\\ 0.5& 8>C_{\mathrm{old}}>4;\\ 1& 4>C_{\mathrm{old}}>1;\end{array}.$

上述步骤5）的回送数据给阅读器发生碰撞时所作的行为选择；如果阅读器反馈发送的是识别失败标志，则等待下一周期的重新识别；如果阅读器发送的是退避因子，则所有未识别的标签根据最新发送来的退避因子重新选择退避机制；即更新定时器里的时间值。

上述步骤5）的碰撞位X是否达到临界值具体实现过程为：根据最新两次的退避因子X%值，预测网络系统的吞吐量，从而由退避因子变化率ΔX%决定是否更新退避因子X%值；当ΔX%>=0.5时，则更新退避因子X%，其中X%(k)表示本次最新退避因子，X%(k-1)表示前一次退避因子，ΔX%是退避因子变化率，且ΔX%公式表示为 $\mathrm{\ΔX}\%=\frac{|X\%\left(k\right)-X\%(k-1)|}{X\%\left(k\right)}.$

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）提出RFID防碰撞算法与退避机制相结合。本发明在识别标签时，阅读器防碰撞算法与退避机制相结，能够充分利用现有的RFID防碰撞算法的优点，又能够充分利用退避机制的优点，且算法复杂度并没有增加。该算法简单并且容易实现。

（2）RFID防碰撞算法与退避机制相结合，进一步减少多标签同时反馈时的碰撞程度，识别成功率大大提高，能够快速精准地识别所有标签。

（3）本发明充分利用退避机制，标签有进入睡眠时间，进一步降低能耗，延长网络的生命周期。

（4）本发明对标签的要求低，并不需要额外增加硬件，并不增加标签的制造的技术困难与生产成本，适宜商业化大生产。

（5）本发明适合用于多标签、功耗低的场合。由于本发明是RFID防碰撞算法与退避机制相结合，充分利用了退避机制优点，提高了搜索效率，进一步降低了标签的功耗。

总体来说，本发明不但能够充分发挥现有RFID防碰撞算法的优点，还充分利用退避机制优点，大大提高了识别效率，并且结构简单易行，搜索时间短，能耗低，非常适合于大量标签与能耗严格要求的RFID应用系统中。

附图说明

图1阅读器对所有标签识别的过程示意图。

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。

如图1所示，本发明适用于多标签的高效的一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法包括步骤：

（1）阅读器首先初始化作用范围内所有标签，并进行一次请求命令，要求进入作用范围内的所有标签响应。阅读器使用曼彻斯特编码，能够准确发现碰撞的比特位置。其中发生碰撞的位置用X表示，没有碰撞的位置记录该位接收到的数据，并将这最原始的标签ID碰撞数据记录在阅读器的寄存器中以及发送给所有标签。

其中使用曼彻斯特编码的标签ID碰撞数据记录的具体实现过程是：当不同标签回送的数据相应位上有不同的数值（同时出现1、0的碰撞）,造成阅读器不能够分辨出，则相应的位用X表示；当不存在碰撞，则用接收到的数值表示。如当有三个标签1001 1101、1011 1100、1000 1111,则此时阅读器的碰撞位数据记录为10XX11XX。

（2）阅读器根据接收到的碰撞数据计算出退避因子，即X表示的位占据总数据位的百分比X％，并把退避因子发送回作用范围内所有标签。

退避因子公式可由下式计算得出。如10XX 11XX的退避因子是50％。

（3）作用范围内所有标签根据阅读器发送的退避因子或命令，选择自适应的退避机制。

选择自适应的退避机制的具体实现过程是如下：

当上次识别成功时：C_new＝INT[C_old*8*Rand(0,X%)]；

当上次识别失败时：C_new＝INT[C_old*4*Rand(0,X%)]；

其中，Rand(0,X%)表示是0到X％的随机数，INT{…}表示取整，C_min=2，C_max=32，C_min≤C_new，C_old≤C_max；且D的取值关系如下：

$D=\left\{\right|\begin{array}{cc}0.25& C_{\mathrm{old}}>8;\\ 0.5& 8>C_{\mathrm{old}}>4;\\ 1& 4>C_{\mathrm{old}}>1;\end{array}$

动态C_new调整的方法，当发生冲突时，窗口宽度C_new扩大一倍，C_new最大值不能超过C_max。当发送成功时，窗口宽度C_new适当减少，且C_new最小值不能小于C_min。因为C_new是动态调整的，这样节点选择相同退避时间的概率就会降低，从而达到减小冲突的目的。

（4）标签在周期时间内，如果定时时间到，则回送数据给阅读器；如果时间未到，则进行睡眠，降低能耗。这能够使非本标签识别时间内，标签能够进行睡眠，不但能够不干扰别的标签进行识别，且能够进一步减少能耗。

（5）标签在定时时间到而回送数据给阅读器发生碰撞时，则等待下一周期的重新识别，直到完成身份识别。继续步骤（7）。

（6）标签在定时时间到而回送数据给阅读器不发生碰撞，标签将接收到识别成功标志命令，标签进入身份识别成功状态.阅读器判断是否识别作用范围内所有标签，如果作用范围内所有标签识别完成则结束，否则继续步骤（3）；

（7）阅读器根据最新的碰撞位X情况，通过搜索碰撞位与临界值一一映射的关系表，决定碰撞位X情况是否达到临界值，如果达到界值，则发送更新退避因子命令；如果没有达到临界值，则发送识别请求命令，避免过于频繁更新退避因子.决定碰撞位X情况是否达到临界值具体实现过程为：根据最新两次的退避因子X%值，预测网络系统的吞吐量，从而由退避因子变化率ΔX%决定是否更新退避因子X%值；当ΔX%>=0.5时，则更新退避因子X%，其中X%(k)表示本次最新退避因子，X%(k-1)表示前一次退避因子，ΔX%是退避因子变化率，且ΔX%公式表示为 $\mathrm{\ΔX}\%=\frac{|X\%\left(k\right)-X\%(k-1)|}{X\%\left(k\right)};$

（8）阅读器根据步骤（7），决定发送识别请求命令或是发送更新退避因子命令。

（9）步骤（3）、（4）、（5）、（6）、（7）反复循环进行，直到所有的标签识别完毕。

Claims (6)

1.一种自适应退避机制的RFID防碰撞方法，其特征在于包括以下步骤：

1）阅读器初始化作用范围内所有标签并要求作用范围内所有标签响应；其中发生碰撞的位置用X表示，没有碰撞的位置记录该位接收到的数据；

2）阅读器根据接收到碰撞位情况计算出退避因子X%，并把退避因子X%发送到射频作用范围内所有标签；

3）作用范围内所有标签根据阅读器发送的识别请求命令在旧的退避因子X%基础上继续进行身份识别；或根据更新退避因子X%命令更新退避因子X%，选择自适应的退避机制，并分别在周期时间内定时；

4）作用范围内的标签在周期时间内，如果定时时间到，则回送数据给阅读器；否则进行睡眠；

5）当回送数据给阅读器发生碰撞时，则标签等待下一周期的重新识别，阅读器根据最新的碰撞位X情况，通过搜索碰撞位与临界值一一映射的关系表，决定碰撞位X情况是否达到临界值，如果达到界值，则发送更新退避因子命令；如果没有达到临界值，则发送识别请求命令，避免过于频繁更新退避因子，继续步骤7）；

6）当回送数据给阅读器不发生碰撞时，标签将接收到识别成功标志命令，标签进入身份识别成功状态.阅读器判断是否识别作用范围内所有标签，如果作用范围内所有标签识别完成则结束，否则继续步骤7；

7）返回步骤3。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤1）阅读器使用曼彻斯特编码标签碰撞数据位，记录为最原始的标签ID碰撞数据；记录的具体实现过程是：当不同标签回送的数据相应位上有不同的数值，则相应的位用X表示；当不存在碰撞，则用接收到的数值表示。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤2）的退避因子X%是碰撞位占据总数据位的百分比，即

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤3）选择自适应的退避机制的具体实现过程是如下：

当上次识别成功时：C_new＝INT[C_old*8*Rand(0,X%)]；

当上次识别失败时：C_new＝INT[C_old*4*Rand(0,X%)]；

其中，Rand(0,X%)表示是0到X%的随机数，INT{…}表示取整，2≤C_new、C_old≤32；D的取值关系如下： $D=\left\{\right|\begin{array}{cc}0.25& C_{\mathrm{old}}>8;\\ 0.5& 8>C_{\mathrm{old}}>4;\\ 1& 4>C_{\mathrm{old}}>1;\end{array}.$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤5）的回送数据给阅读器发生碰撞时所作的行为选择；如果阅读器反馈发送的是识别失败标志，则等待下一周期的重新识别；如果阅读器发送的是退避因子，则所有未识别的标签根据最新发送来的退避因子重新选择退避机制；即更新定时器里的时间值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤5）的碰撞位X是否达到临界值具体实现过程为：根据最新两次的退避因子X%值，预测网络系统的吞吐量，从而由退避因子变化率ΔX%决定是否更新退避因子X%值；当ΔX%>=0.5时，则更新退避因子X%，其中X%(k)表示本次最新退避因子，X%(k-1)表示前一次退避因子，ΔX%是退避因子变化率，且ΔX%公式表示为

$\mathrm{\ΔX}\%=\frac{|X\%\left(k\right)-X\%(k-1)|}{X\%\left(k\right)}.$

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