CN103020569B

CN103020569B - 一种射频识别多标签防碰撞方法

Info

Publication number: CN103020569B
Application number: CN201210577817.6A
Authority: CN
Inventors: 吴涛; 郑勇鑫; 秦中元; 李钢; 梁彪; 邹涛
Original assignee: Sanbao Sci & Tech Co Ltd Nanjing
Current assignee: JIANGSU INTELLITRAINS Co.,Ltd.
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103020569A

Abstract

本发明提出一种射频识别多标签防碰撞方法，属于物联网中的RFID射频识别领域。本发明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；然后对所有标签EPC编码进行取模，同余数的标签分为一组，余数对应相应的时隙，每组标签在对应的时隙发送信息。每一个标签再生成一个随机数r,利用该数选择位隙，以2^r作为标签位隙号。其中时隙个数和位隙长度与估算的标签数量有关。利用曼彻斯特编码的特性，阅读器根据编码的碰撞位来识别发送的标签。由于位隙号中只有一位数置1，因此阅读器可以识别不同位隙的所有标签。本发明将标签冲突率控制在极低的程度，大大提高了多标签的识别效率。

Description

一种射频识别多标签防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种射频识别多标签防碰撞方法，属于物联网中的RFID射频识别领域。

背景技术

射频识别(RFID)技术作为一种新的自动识别技术，以其快速、实时、准确采集的特点在众多领域得到广泛应用。RFID系统主要由阅读器、标签和数据处理三部分组成，其中阅读器和标签之间采用非接触工作方式交互信息。在RFID系统中标签有 3种类型 :主动、被动和半主动。被动标签本身是无源的，其工作所需的能量是靠阅读器传输给它的，且标签之间不能交互，多个标签同时发送数据会导致阅读器读取数据冲突。防碰撞算法就是用来避免这种情况的发生、协调标签之间顺序工作的。目前主要有两种防碰撞算法 :二叉树搜索算法和 ALOHA算法。

ALOHA算法是标签在每个时隙开始时选取一个随机时间发送数据，当发送数据时没有其他标签发送，即可被阅读器识别。如果在同时有多个标签发送数据给阅读器，则这些碰撞的标签随机地等待一段时间后再次发送数据。针对ALOHA算法提出的改进方法有很多。例如动态帧时隙ALOHA算法，该算法能够根据未识别的标签数量调整时隙的数量(帧长)，使得识别吞吐量达到最大值。

二进制搜索算法中，阅读器通过要求标签不断地选择 0和 1来使标签有序地发送数据。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。

传统的动态时隙ALOHA算法和二叉树后退算法最大的标签识别率分别为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。

C. S. Kim等学者在《An efficient stochastic anti-collision algorithmusing bit-slot mechanism》一文中提出了一种利用位隙（bit-slot）来对标签进行分组，实现标签防碰撞的算法。该算法的基本思想就是在标签收到阅读器的盘存命令后，令一个128bit 的二进制数任意一比特（随机选择）为1，而其他的比特为0，在回答阅读器的提问时，标签将这个128bit的二进制数回答出来，阅读器可以根据这个128bit 的数哪一比特是1，来实现标签的分组。

发明内容

本发明提出了一种射频识别多标签防碰撞方法，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，利用位隙的思想，对标签进行预处理。每个标签在收到阅读器估计的标签的数目之后，先将标签进行取模分组，使得每组只有少量标签。将每组标签按余数对应的时隙进行发送。同时每个标签生成一个随机数，利用这个随机数选择该标签的位隙，即将该随机数对应的位置1。通过合理的随机数取值范围的选择，可以将标签的冲突率以及空时隙比例控制在很小的值，本发明的分组很好的发挥了曼彻斯特编码的特性，大大提高了系统的识别效率。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种射频识别多标签防碰撞方法，包括如下步骤：

(1) 阅读器初始化标签，使所有标签处于激活状态，阅读器利用最小错误概率方法估算出标签数量N,定义标签估算阶段的多个时隙组成第一帧;

(2) 阅读器计算标签取模模数L，给所有标签发送查询请求命令, 定义步骤（2）为第二帧的开始，直到分组中最后一组的标签交互完毕为这一帧结束;

(3) 标签取模分组，将分组序列号存储于寄存器中；

(4) 标签计算位隙，将位隙指数存储于寄存器中；

(5) 标签信息发送，阅读器判断冲突情况，对碰撞标签进行处理；

(6) 第二帧中未识别的冲突标签将在接下来的时隙采用二进制搜索算法完成剩余标签的识别，定义这一阶段从阅读器发送请求命令开始直到全部标签识别完成为第三帧。

步骤（2）中所述阅读器给所有标签发送查询请求命令,发送请求命令为Query附加参数L=2^{floor(log2(N/2))}。

步骤（3）中所述标签取模分组的方法，包含以下步骤：

（a）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，其中包含阅读器和标签的多次交互，每帧由自定义的多个时隙组成；

（b）标签收到阅读器命令后，对标签EPC编码进行取模运算，取模数L，标签将所得余数,即分组序列号存储在寄存器中；

（c）标签取模模数L等于标签分组数，等于第二帧时隙数,标签取模后的余数等于标签发送的时隙号。

步骤（4）中所述标签计算位隙的方法，包含以下步骤：

1）标签生成随机数r，0≤r≤k-1，位隙h(ID)=2^r；即第r位数置1，其他位均置0，标签将生成的位隙指数r存储在寄存器中，定义位隙指数不超过8位，k=2^{floor(log2（N）)+1}；

2）标签检测当前的时隙号是否与寄存器中的分组序列号s相等，匹配成功的标签在该时隙发送其位隙号h(ID)。

步骤（5）中标签发生碰撞时，通过检测碰撞位，结合所述标签取模分组方法和所述标签计算位隙方法，再利用曼彻斯特编码特性，使得阅读器能识别一个时隙中发送的所有标签。

本发明的有益效果如下：

本方法利用曼彻斯特编码的性质,结合位隙和时隙对标签进行排序，有效解决多标签识别的冲突问题。

附图说明

图1为步骤流程图。

图2为阅读器标签交互示意图。

图3为多标签碰撞示意图。

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。定义估算标签数量阶段的多个时隙组成第一帧，分组发送标签阶段的多个时隙组成第二帧，剩余标签发送的多个时隙组成第三帧，本发明全部标签识别由三帧组成。本方法在标签中使用两个8位寄存器，一个用于存储位隙信息，一个用于存储分组信息。

阅读器识别标签步骤流程如图1所示，分为标签数目估计，标签分组，标签生成位隙并发送，阅读器识别标签以及碰撞标签识别。图2为阅读器和标签之间的交互协议示意图。

1．阅读器初始化，使所有标签进入激活状态。接着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Bin ZHEN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+2.39c_k，其中c₁是单标签时隙数目，c_k是多标签冲突时隙数目。

2．阅读器根据估算的标签数量N计算标签取模模数 L=2^{floor(log2(N/2))}，然后将模数L和请求命令Query一起发送给各个标签。标签收到阅读器命令后，对标签EPC编码进行取模运算，取模数L，标签将所得余数存储在寄存器中。标签取模后的余数将与标签发送的时隙相对应。通过调整模数的大小（即时隙的数量），可以控制标签识别过程中空时隙和冲突时隙的概率。记标签EPC编码为ID，标签分组时隙号s=ID mod L。

为了避免位隙位数过长，当估计的标签数量N大于256时，先对标签进行随机分组，例如当估计标签数量为300时，将标签随机分为两组。若标签数量小于256，例设为200，则时隙数L=2^{floor(log2(N/2))}=64。标签按照同余数进行分组。下表以EPC编码为16位仿真为例，取模分组后的第1到第20个时隙（对应模数0到19）标签分布情况如下（表格中为标签EPC编码，为方便起见，以10进制表示，此时16位ID的取值范围为1～65535）：

1	22720	0	0	0	0	0
							2	257	16577	36481	0	0	0
3	32002	20930	10370	25282	25858	0
							4	15619	56707	0	0	0	0
5	17860	32324	0	0	0	0
							6	47301	15813	60549	0	0	0
7	12806	24774	838	0	0	0
							8	2439	0	0	0	0	0
9	43528	57224	32840	55752	7752	24712
							10	6729	52745	0	0	0	0
11	9098	0	0	0	0	0
							12	62155	63947	47819	18699	0	0
13	60300	43212	38796	0	0	0
							14	42765	3021	32589	55565	58125	25037
15	910	12494	16014	0	0	0
							16	10191	12431	25359	0	0	0
17	14800	58000	0	0	0	0
							18	2001	36369	46545	0	0	0
19	21394	24914	64210	12498	24658	0
							20	42131	41171	0	0	0	0

……

各个标签将各自取模的余数存储在8位寄存器中。

3．分组之后，每个标签生成一个位隙号，记为h(ID)，位隙号的位数为k,令k=2^floor ^{(log2（N）)+1}。由于标签数量N最大值为255，因此k最大值为256位。标签生成随机数r，0≤r≤k-1，位隙号h(ID)=2^r；即第r位数置1，其他位均置0，标签将生成的随机数r存储在8位寄存器中。

标签检测当前的时隙号是否与临时寄存器中的分组时隙号s相等，匹配成功的标签在该时隙发送其位隙号h(ID)。以其中一个标签为例，其时隙号s=31,生成随机数r=76，则该标签的位隙号h(ID)=2⁷⁶，二进制表示为:

[00000000000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000]

标签发送时检测当前时隙号是否与寄存器中存储的值31相同，如果相同再从另一寄存器获取存储值76，计算2⁷⁶作为位隙号发送。每个标签在对应的s时隙发送。

4.阅读器接收标签信息。由于每个位隙号h(ID)只有1位是置1，因此在阅读器收到的信号后，将通过碰撞位分辨出是哪个标签发送的信号。阅读器将对这些碰撞标签按碰撞位数的高低次序进行排序，要求这些标签依次发送他们的实际ID。若标签位隙值相同，但不在同一个时隙，则不影响阅读器识别。若标签位隙值相同且在同一个时隙，则视为标签冲突，阅读器不能同时识别。阅读器将会遇到四种情况：

1）空时隙。

2）有且只有1个标签被识别。阅读器进一步获取标签信息，发送QueryAdjust命令给该标签，标签收到命令后发送其EPC编码给阅读器。

3）多个标签，位隙值均不相同。这种情况占大部分，阅读器通过碰撞位识别出标签位隙号，分别发送QueryAdjust命令附带8位数的位隙指数r作为参数，标签收到命令后检测该位隙指数是否是自己，如果是则回复其EPC编码。阅读器依次获取当前时隙所有标签的进一步信息。所有成功识别的标签，阅读器发送Success命令使已经被识别的标签转为silence状态。

4)多个标签，位隙号存在相同情况。这种情况将产生实际的冲突，虽然是小概率事件，但仍有可能发生。阅读器进一步与标签交互后，无法识别冲突标签，阅读器发送Fail命令，要求不能完成识别的标签在下一帧进行重传。标签重传采用二进制搜索算法。

阅读器在一个时隙收到多个位隙的处理如图3所示。如果这些位隙各不相同，则阅读器收到的数据中会发生碰撞，在图3中以“X”表示。碰撞位的个数和标签的个数相同，然后阅读器依次识别这些标签。

下表为200个标签的仿真情况，为说明存在冲突情况的处理方法，本次仿真特意调试出具有冲突标签的情况。表中第1列为时隙数，第2到6列为标签位隙指数（0为空，用于数组对齐）。第1到20个时隙如下所示：

1	102	0	0	0	0
						2	122	40	17	0	0
3	56	0	0	0	0
						4	108	0	0	0	0
5	2	4	0	0	0
						6	0	0	0	0	0
7	125	0	0	0	0
						8	60	104	24	12	0
9	58	0	0	0	0
						10	26	17	0	0	0
11	125	17	0	0	0
						12	100	69	91	0	0
13	2	0	0	0	0
						14	28	0	0	0	0
15	12	0	0	0	0
						16	76	0	0	0	0
17	117	93	107	30	113
						18	42	122	60	0	0
19	115	0	0	0	0
						20	4	45	0	0	0

……

41

52

123

0

……

由表中可以看出由于标签数量和时隙数量的合理选择，每个时隙的标签数量和空时隙都比较少。

时隙1中有且只有1个标签，阅读器发送请求命令QueryAdjust，要求标签发送EPC编码和其他相关信息。阅读器通过多次交互识别出该标签。

时隙2中三个不同位隙号的标签，阅读器识别出碰撞位为第122，40和17位，阅读器先发送请求命令QueryAdjust附加122作为参数给标签，当前时隙活动的三个标签收到命令后检测是否和寄存器中存储的r值相同，相同则回复EPC编码等信息，另外两个标签转为wait状态。接着阅读起以同样步骤发送（QueryAdjust，40），（QueryAdjust，17）两条命令完成三个标签的识别。

时隙41中出现位隙号同为2⁵²的两个标签，阅读器在接收EPC编码时发生标签冲突，阅读器不能同时识别出这两个标签，在识别出位隙号为2¹²³的标签后，阅读器会要求位隙号为2⁵²的两个标签在下一帧进行重传。按照时隙的定义，上文提到的阅读器和一个标签的多次交互在一个时隙内进行。

5.用二叉树后退式搜索算法识别剩余标签

对于这一帧中发生碰撞且没有识别的标签，由于标签数量非常少，而且标签之间具有大量相同的位，因此剩余标签很适合采用传统的二叉树后退式搜索算法。对未识别标签采用二叉树后退式搜索算法。

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

1.一种射频识别多标签防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 阅读器初始化标签，使所有标签处于激活状态，阅读器利用最小错误概率方法估算出标签数量N,将标签估算阶段的多个时隙组成第一帧;

(2) 阅读器计算标签取模模数L，给所有标签发送查询请求命令，从发送查询请求命令开始直到最后一组的标签交互完毕为第二帧;

(3) 标签取模分组方法如下：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，其中包含阅读器和标签的多次交互，每帧由自定义的多个时隙组成；标签收到阅读器命令后，对标签ID进行取模运算，取模数L，标签将所得余数,即分组序列号存储在寄存器中；标签取模模数L等于标签分组数，等于第二帧时隙数,标签取模后的余数等于标签发送的时隙号；

(4) 标签计算位隙方法如下：标签生成随机数r，0≤r≤k-1，然后计算位隙h(ID)=2^r；即第r位数置1，其他位均置0，标签将r存储在寄存器中， k=2^{floor(log2（N）)+1}；

(5) 标签在对应的时隙发送其位隙h(ID)，阅读器判断冲突情况，对碰撞标签进行处理；

(6)若发生冲突，即存在未识别的标签，阅读器将重新发送请求命令采用二进制搜索算法完成剩余标签的识别，从阅读器重新发送请求命令开始到全部标签识别完成为第三帧。

2.根据权利要求1所述的一种射频识别多标签防碰撞方法，其特征在于步骤（2）中所述阅读器给所有标签发送查询请求命令,发送请求命令为Query附加参数L=2^{floor(log2(N/2))}。

3.根据权利要求1所述的一种射频识别多标签防碰撞方法，其特征在于，步骤（5）中标签发生碰撞时，通过检测碰撞位，结合所述标签取模分组方法和所述标签计算位隙方法，再利用曼彻斯特编码特性，使得阅读器能识别一个时隙中发送的所有标签。