CN103020568B - 基于标签id预处理的rfid防碰撞方法 - Google Patents

基于标签id预处理的rfid防碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，属于物联网中的RFID射频识别领域。该方法引入一种检测信息碰撞的时隙选择信息，对标签所选取时隙的碰撞情况进行分析并估计标签数量；然后采用散列函数对标签EPC编码进行处理生成标签的临时ID，根据标签的预处理信息可对标签进行分组。通过标签编码的预处理可使得每个时隙发送的标签的临时ID最多只相差1位数，利用曼彻斯特编码的特性，在识别过程中，当多标签只有1个碰撞位时，阅读器可以同时识别出两个标签，本发明有效利用曼彻斯特编码的特性，大大的提高了系统的识别效率。

Description

基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法
技术领域
本发明涉及一种基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，属于物联网中的RFID射频识别领域。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种新兴的自动识别技术，因为具有非接触、远距离操作、可靠性好、安全性高等优点，在仓储物流、生产制造、门禁系统、供应管理、道路自动收费等众多领域得到广泛应用。RFID系统主要由标签、阅读器和后台数据库三部分组成，其中阅读器和标签之间采用非接触工作方式交互信息。在周围有大量标签的RFID应用系统中，由于阅读器发出的查询命令会引起多个标签的同时响应，这些响应信号混叠在一起，阅读器就会无法正确识别，这种情况称为标签冲突。这些冲突的存在大大影响了RFID阅读器的标签识别效率，从而限制了整个RFID应用系统效率的提高。为了能够正确的读取标签，阅读器必须采用防碰撞算法（Anti-collisionAlgorithm），而防碰撞算法的效率也将成为影响RFID系统性能的关键因素。因此多标签防碰撞方法是RFID关键技术研究领域的一个热点，也是未来物联网应用中的一个重要研究课题。目前的防碰撞算法主要有两种：Aloha算法和二进制搜索算法。
ALOHA算法是在阅读器发现标签碰撞时，命令其作用范围内的所有标签随机延迟一段时间后再进行响应。延迟时间的长度是不确定的，一般以某种概率随机选择。最早的Aloha算法是美国夏威夷大学的研究人员在20世纪70年代提出来的，但是它的吞吐率低，当标签数量较多时，吞吐率仅能达到18.4%。为了提高吞吐率，人们提出了的多种改进方法，例如分帧时隙Aloha算法，将传输时间划分成了时隙，若干个时隙组成一帧，标签选择的随机性延迟必须是帧内的某个时隙；动态帧时隙Aloha算法，该算法能够根据未识别的标签数量动态调整时隙的数量(帧长)。
二进制搜索算法中，阅读器对标签进行逐层分组，同时缩小响应标签的范围，当响应标签数量为1时，完成对该标签的识别，然后令其沉默，再开始下一轮的逐层分组，直到成功识别范围内的所有标签。二进制搜索算法虽然能够最终能够完成整个读取的过程，但是算法的效率比较低。针对二进制搜索算法同样有很多改进方法，例如二进制后退式索引算法，使算法保持后退式二进制树形搜索算法的后退机理，实现标签的有序读取。
这两种算法虽然能解决标签的冲突问题，但交互过程过多，且随机性很强，当标签数量较多时，识别效率会严重下降。因此也有不少人提出标签分组算法，例如一种基于Aloha的分组识别算法,该算法先利用循环过程来预识别所有的标签，然后将所要识别的标签进行分组，分组结束后再利用Aloha算法识别各组中的标签。另外还有基于随机分组的算法，结合Aloha和二进制搜索的算法。
基于Aloha和二进制树的防碰撞方法目的都是缩小标签响应范围，最终使得同一时刻只有一个标签作出响应从而避免碰撞。由于阅读器和标签之间需要多次通信从而延长了单标签识别时间，降低了射频识别系统的吞吐量。例如传统的动态时隙Aloha算法和二进制搜索后退算法最大的标签识别率分别低于42.6%和50%。要进一步提高标签的识别率需要有新的机制，根据曼彻斯特编码可以判断出标签碰撞位的性质，有人提出一次识别两个标签的算法。但该方法的使用需要特定的情况，有一定局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，该方法的思路在于构建一个能发挥曼彻斯特编码的特征的标签识别环境。首先引入一种检测信息碰撞的时隙选择信息，对标签数量进行估计，然后采用散列函数生成标签临时ID，接着通过标签临时ID来对标签进行分组，每一组最多只有两个临时ID相差一位的标签，通过曼彻斯特编码的特征可以高效的识别标签。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，包括如下步骤：
（1）阅读器初始化标签，阅读器选择一个1到256范围的数作为帧长，然后请求所有标签发送其完整编号，通过统计该帧内的空时隙、碰撞时隙和成功识别的时隙数目，利用最小错误概率方法估算出标签数量，接着用该标签数量值计算出标签需要的临时ID位数K；
（2）阅读器发送标签临时ID位数K给所有标签，标签进行预处理；
（3标签进行预处理完毕后，标签根据临时ID号进行分组,分组序列号为临时ID号的最后K-1位；
（4）标签分组序列号等于标签发送的时隙号，不同分组的标签在对应的时隙发送，阅读器判断冲突情况，对碰撞标签进行处理；若当前时隙只有两个临时ID号不同的标签，阅读器识别两个标签；
（5）以阅读器发送Query命令附加临时ID位数K作为这一帧的开始，以最后一组标签发送完毕作为这一帧的结束，这一帧共包含2K-1个时隙；在这一帧未识别的标签，将在下一帧利用二进制后退式算法进行识别，识别的顺序按照这一帧发送碰撞的标签的时隙顺序，直到标签全部识别完毕。
所述步骤（2）中标签进行预处理的方法，包含以下步骤：
（1）阅读器将估算的标签数量值和请求命令一起发送给所有标签；
（2）标签根据标签数量N计算临时ID的位数；
（3）标签采用哈希方法对标签EPC编码进行预处理:将标签EPC编码按照每K位为一个分组进行异或运算生成临时ID；
（4）标签将临时ID存储于标签寄存器中。
所述步骤（3）中标签根据临时ID号进行分组的方法如下：每个标签以临时ID的后K-1位数值作为其发送的时隙号，标签收到阅读器命令后，匹配当前的时隙号和寄存器中的后K-1位数，如果匹配相同，则该标签在当前时隙发送其临时ID号，否则不发送信息，并设置为silence状态。
本发明的有益效果如下：
本方法可以对大量标签进行分组，同时对标签进行排序，锁定同组标签的碰撞位位数，以利用曼彻斯特编码的性质一次识别两个标签。本方法可以有效提高标签的识别效率。
附图说明
图1为本方法的步骤流程图。
图2为阅读器和标签的交互协议示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明中定义时隙为从阅读器发送Query命令请求开始，直到下一次阅读器发送Query命令请求之前，其中包含了阅读器和标签的多次交互。每帧由自定义的多个时隙组成。
本发明在标签中使用一个8比特的寄存器，存储标签预处理之后的临时编号；一个计数器，记录标签发送的次序。本发明通过标签ID号进行分组，使得标签ID号和时隙具有对应关系。由于标签EPC编码长度很长，一般有64位，96位和256位，需要对应很大的时隙数。为此本方法采用标签预处理生成标签临时ID，接着通过标签ID来对标签进行分组。
本方法步骤流程如图1所示，阅读器和标签之间的交互信息如图2所示，主要步骤分为标签数目估计，标签预处理，标签信息发送以及碰撞标签识别。
1．阅读器初始化，使所有标签进入激活状态。第一帧作为试探帧，阅读器选择一个估计帧长，一般选择较大的数，例如256。阅读器向可读取距离内的所有标签发送标签预估命令-Estimate命令，标签根据最大帧长的ALOHA算法发送各自EPC编码，阅读器统计碰撞时隙，空闲时隙和成功识别时隙个数，利用概率知识估算标签数量。估算标签数量的方法有很多，本发明采用BinZHEN提出的DFSAZ算法，该算法是对低复杂度vogt估计的改进。估算标签数量N=c1+2.39ck，其中c1是单标签时隙数目，ck是多标签冲突时隙数目。
2．阅读器根据估算的标签数量N计算临时ID位数K，然后将临时ID位数K的值和请求命令Query一起发送给所有标签，作为这一帧的开始。
标签临时ID位数K的计算：k=floor(log2N)+1。
这一帧的时隙数目：L=2k-1。
假设原标签EPC编码为64位，记为ID=b1b2…b64，将ID按照每K位为一个分组进行异或运算。则临时标签记为h(ID)，计算如下：
h(ID)=b1…bk⊕bk+1…b2k⊕……⊕bpk+1…b6400…0，
其中p=floor（64/k），当64/k不是整数时，则在后面补0。标签将临时ID存储于寄存器中。
假设估计的标签数量为100，则k=floor(log2100)+1=7，p=floor（64/k）=9，临时标签h(ID)=b1…b7⊕b8…b14⊕……⊕b57…b63⊕b640000000。如果估计得到的标签数目为200，则临时ID位数为K=8，时隙数为27=128。
举例说明，对于64位的标签，将ID号按照每8位转换成10进制形式，假设标签的ID为[118,176,63,240,176,238,107,208]，则经过哈希运算后新的临时标签为h(ID)=118⊕176⊕63⊕240⊕176⊕238⊕107⊕208=236,二进制为11101100,取后7位1101100作为分组号，也就是发送的时隙号，即该标签将在第108时隙发送。
3.标签预处理完后，检测当前时隙号和标签分组序列是否匹配，若匹配则标签发送信息，其余不匹配的标签设为silence状态。
下表为200个标签的仿真情况（第1到20个时隙）：
1 128 0 0
2 64 64 0
3 160 32 0
4 0 0 0
5 144 0 0
6 208 208 0
7 176 176 48
8 240 240 112
9 136 136 8
10 200 0 0
11 168 0 0
12 0 0 0
13 152 0 0
14 88 88 216
15 56 0 0
16 120 248 0
17 132 132 0
18 68 0 0
19 36 0 0
20 100 228 228
表中第一列为时隙号，每一行的其余列为该时隙的分组情况，表格中的值为标签临时ID。可以看出标签数量和分组数量的合理选择，使得每个时隙的标签数量较少。由于标签ID随机均匀分布，空时隙也比较少。
时隙1中有且只有1个标签，阅读器发送请求命令QueryAdjust得到标签EPC编码和其他相关信息。
时隙2中存在两个相同临时ID号的标签，阅读器发送请求命令QueryAdjust附加h(ID)作为参数进一步获取标签信息，阅读器收到的EPC编码发生冲突，阅读器在无法识别超过1个碰撞位的冲突时会发命令要求它们在下轮进行重传。阅读器发送Fail命令，并附带参数h(ID)和值为1的counter，表示当前时隙标签临时ID为h(ID)的标签将在下一轮的第1个时隙发送信息。标签收到命令后将计数器置1并转换为silence状态。
时隙3中有且只有两个不同临时ID的标签，阅读器先发送一条请求命令QueryAdjust附加h(ID)作为参数进一步获取标签信息，标签检测h(ID)值是否为自己的临时ID，是则进行回复，识别成功后阅读器再发送一条请求命令QueryAdjust附加h(ID)获取另一个标签信息，两个标签都识别完成后，阅读器发送Success命令，标签收到命令后转为silence状态。
时隙7有两个相同临时ID的标签和相差1位的不同ID号标签，阅读器识别出临时ID号为48的标签，不能识别临时ID号为176的两个标签，这两个标签将在下轮第3个时隙进行重传。（阅读器和标签可在一个时隙内进行多次交互。）
4.对于未识别的标签，按照上文提到的方法，在下一帧利用二进制后退搜索算法完成剩余标签的识别。例如上表中时隙2的标签，将会在下一帧的第1个时隙中采用二进制后退搜索算法识别完成。通过设置计数器的值，这两个标签在一个时隙内完成识别。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）阅读器初始化标签，阅读器选择一个1到256范围的数作为帧长，然后请求所有标签发送其完整编号，通过统计该帧内的空时隙、碰撞时隙和成功识别的时隙数目，利用最小错误概率方法估算出标签数量，接着阅读器用估算的标签数量值计算出标签需要的临时ID位数K；其中，时隙为从阅读器发送Query命令请求开始，直到下一次阅读器发送Query命令请求之前，其中包含了阅读器和标签的多次交互；
（2）阅读器发送标签临时ID位数K和请求命令一起给所有标签，标签采用哈希方法对标签EPC编码进行预处理:将标签EPC编码按照每K位为一个分组进行异或运算生成临时ID；标签将临时ID存储于标签寄存器中；
（3）标签进行预处理完毕后，标签根据临时ID进行分组,分组序列号为临时ID的最后K-1位；
（4）标签分组序列号等于标签发送的时隙号，不同分组的标签在对应的时隙发送，阅读器判断冲突情况，对碰撞标签进行处理；若当前时隙只有两个临时ID不同的标签，阅读器识别两个标签；
（5）以阅读器发送Query命令附加临时ID位数K作为这一帧的开始，以最后一组标签发送完毕作为这一帧的结束，这一帧共包含2K-1个时隙；在这一帧未识别的标签，将在下一帧利用二进制后退式算法进行识别，识别的顺序按照这一帧发送碰撞的标签的时隙顺序，直到标签全部识别完毕。
2.根据权利要求1所述的基于标签ID预处理的RFID防碰撞方法，其特征在于所述步骤（3）中标签根据临时ID进行分组的方法如下：每个标签以临时ID的后K-1位数值作为其发送的时隙号，标签收到阅读器命令后，匹配当前的时隙号和寄存器中的后K-1位数，如果匹配相同，则该标签在当前时隙发送其临时ID，否则不发送信息，并设置为silence状态。
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