CN103117770A - 一种rfid系统中多标签防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID系统中基于分组ALOHA的码分多址技术标签防碰撞方法，属于射频识别技术领域。本发明利用分组帧时隙ALOHA技术，先完成对标签的分组，然后在每个分组中分别采用码分多址技术，利用码分多址技术的保密性、抗干扰性和多址通信能力，对标签上的数据进行扩频传输，进而完成对标签的识别。该发明有效地减小标签之间的碰撞概率，缩短读写器操作时间，提高吞吐率,很适合应用于具有较大数量标签的RFID系统中。

Description

一种RFID系统中多标签防碰撞方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，特别涉及射频识别系统中一种基于码分多址技术的分组帧时隙ALOHA算法的多标签防碰撞方法。

背景技术

RFID作为无线通信和自动识别技术的结合产物，被人认为是最具有革命性的技术，是21世纪十大重要技术之一，RFID应用领域广泛，发展迅速，随着技术和可靠性的提高，它己经逐步成为提高物流与供应链管理水平，降低生产成本，提高公共安全管理信息化水平，增强国际竞争力的一项必不可少的技术手段和工具。

当多标签同时处于读写器的有效工作区内时，可能会发生几张标签同时发送信号的情况，产生信道争用的问题，信号互相干扰，即发生了碰撞。为了解决这些问题，就需要使用防碰撞技术，在读写器上使用并行接收技术，使读写器一个时刻里只和一组中的多个标签进行通信，通信完成后，禁止掉该组的标签，再与下一组标签进行通信。在射频识别技术的发展过程中，防碰撞技术是信号识别与处理的关键技术之一，在很大程度上决定了RFID系统的性能。

RFID标签防碰撞方法是RFID的核心技术，也是制约其发展的重要因素。随着RFID技术的不断发展、应用领域的不断扩大，无论从识别率、识别时间还是从识别效率方面对防碰撞方法的性能要求也越来越高。特别是在国家颁布了800/900MHz频段射频识别技术应用试行规定的通知后，各个机构和众多学者都对超高频RFID防碰撞算法的研究倾注了大量的心血，也取得了一定的进展，分别提出了动态帧时隙ALOHA算法、确定性二进制树型算法和随机性二进制树型算法等适合于RFID系统的防碰撞方法。

标签接到读写器指令后响应读写器，但是当多个标签同时响应读写器时，标签数据间的相互干扰会导致读写器无法正常读取任何一个标签数据，即发生所谓的标签碰撞。传统的标签防碰撞方法可分为ALOHA算法和树形算法两大类。ALOHA算法的复杂度较小，而树形算法则相对较大。这两种算法都存在各自的问题：ALOHA算法虽然复杂度及对标签的要求较低，但存在标签始终无法识别的可能，并且在标签数量庞大时算法的性能不佳，这是由于标签内部寄存器的位数有限而导致的；树形算法的优点是识别率可达100%，但是以增加算法的复杂度为代价，因此增加了读写器功耗并且减小了标签最大可识别距离。此外，这两种算法还都存在时隙浪费的现象：ALOHA算法在识别过程后期存在大量的空闲时隙浪费，这是由于帧长或分组数不能在识别过程中实时调整造成的；树形算法在识别过程前期因同时响应读写器的标签较多而导致碰撞时隙较多，而其中的查询树算法的性能受到标签识别号分布情况的影响较大。

中国专利《一种用于RFID系统中的基于分组动态帧及二叉树搜索的多标签防碰撞方法》（申请日：2008.10.24，申请号：200810218611.8）是一种将分组动态帧ALOHA算法和二叉树算法相结合的方法。此算法的吞吐量虽然比普通的分组动态帧算法的吞吐量有一些提高，但对于大数量的标签识别还远远不够。中国专利《一种RFID系统中的数据防碰撞算法》（申请日：2008.09.17，申请号：200810143233.1）是一种将普通ALOHA算法和码分多址技术相结合的算法，此算法虽然运用了码分多址技术，但是普通ALOHA算法的信息碰撞概率很大，也大大降低了该算法的吞吐量。基于对现有的一些算法的研究，本发明提出一种RFID系统中基于码分多址技术的分组帧时隙ALOHA算法的多标签防碰撞方法。

发明内容

本发明针对射频识别防碰撞方法中现有技术的缺陷，结合分组帧时隙ALOHA算法和码分多址技术，使标签识别的吞吐量有大幅度提高。

本发明提出一种RFID系统中基于码分多址技术的分组帧时隙ALOHA算法的多标签防碰撞算法。根据分组帧时隙ALOHA算法确定分组规则，完成对待识别的所有标签的分组，然后在每个分组中利用码分多址技术的保密性、抗干扰性和多址通信能力，对标签中的数据进行扩频传输，进而完成对全部标签的识别。该方法可以有效减少标签识别过程中的碰撞次数，从而减少了识别时间并且降低了功耗。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案予以实现：

本发明提出一种RFID系统中基于码分多址技术的分组帧时隙ALOHA算法的多标签防碰撞方法，其技术方案是：根据分组帧时隙ALOHA算法确定分组规则，完成对所有待识别标签的分组；然后在每个分组中，利用其码分多址技术的保密性、抗干扰性和多址通信能力，对标签中的数据进行扩频传输，完成对全部标签的识别。

一种RFID系统中多标签防碰撞方法，读写器获得识别范围内标签进入数量，调用公式： $\frac{n}{2}\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{\frac{n}{2}-1}=n\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{n-1}$ 计算每组标签数量n，根据标签数量n对识别范围内标签进行分组；在标签中预先植入具有正交性的伪随机序列，读写器随机选择一组标签发送标签识别指令，标签的扩频电路通过伪随机序列对标签数据进行模2和操作实现扩频处理得到扩频数据，在同频、同时条件下，读写器并行接收扩频数据，利用与标签中相同的扩频序列对扩频数据进行解扩处理，恢复出标签数据，选择完所有分组标签发送标签识别指令并完成标签数据的扩频和解扩处理，完成标签识别。

具体执行步骤包括：

1.在待识别的标签中预先植入扩频性良好的正交码组。将扩频码写入存储器，通过增加普通的扩频模块，使其能够对标签数据进行扩频操作。被植入的扩频码可以为m序列、Gold序列、M序列、截短序列、混沌扩频序列和多相序列。

2.读写器根据预先设置的初始分组数和初始帧长，对所有待识别的标签进行分组，每组的帧长为设置的初始帧长。当标签数小于或等于帧长时，只分一组。

3.分组完成后，读写器在所有的分组中，依次选择标签发送标签识别指令。

4.收到识别指令的标签，标签芯片中扩频模块通过植入的扩频序列对标签数据进行模2和操作实现扩频处理，利用码序列正交性或准正交性，在同频、同时的条件下，读写器并行接收，并利用与标签中相同的扩频序列对接收到的扩频数据再做一次模2和运算进行解扩，恢复出标签数据，完成标签识别。因此在分组内的各个标签在频率、时间和空间上都可以重叠，并且每个分组的不同时隙中的扩频传输可以同时进行，互不影响，因而可以在同一时刻识别出多个标签，极大提高了RFID系统吞吐量。

本发明将分组帧时隙ALOHA算法和码分多址技术相结合，实现在每个分组内可以有多个标签同时进行数据扩频传输，并且读写器采用并行接收技术进行多个标签数据的同时接收。在识别标签过程中，每个组内均为一个独立的识别过程，在分组帧长不改变的前提下，提高了标签数量庞大时的系统性能。减少了标签碰撞的发生，提高了吞吐率，缩短了标签的识别时间。本发明通过采用多标签分组和组内的扩频传输技术，大大降低了标签识别过程中发生碰撞的概率，提高了系统吞吐率，缩短了识别时间，适合应用于具有极大数量标签的RFID系统识别领域。

附图说明

图1为本发明读写器与标签的交互流程图；

图2为本发明方法执行过程示意图；

图3为本发明中读写器识别所有标签的流程图；

图4为分组帧时隙ALOHA算法的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为RFID系统中读写器与标签的交互流程图。读写器向标签发送标签数量估计指令，标签接收到指令后，向读写器发回响应结果，读写器获得识别范围内标签进入数量。读写器根据识别范围内的总标签数量，利用分组帧时隙ALOHA算法进行分组，具体为：读写器设定分组帧时隙ALOHA算法的初始分组数和帧长初始值，将此指令发送给标签,根据初始分组数和帧长对标签进行分组，分组完成后，标签返回读写器分组完成指令，并且等待识别开始指令。

在标签中预先植入具有良好正交性的伪随机序列。读写器发送标签识别指令，随机选择一组标签应答读写器。标签上的扩频电路通过预先植入标签的伪随机序列对标签识别号码进行模2和操作实现扩频处理得到扩频数据，在同频、同时条件下，读写器接收扩频数据，利用与标签中相同的伪随机序列对接收到的扩频数据再做一次模2和运算既进行解扩处理，恢复出标签数据，完成标签识别。当对所有分组的标签都进行完第一次扩频处理和解扩处理后，读写器判断是否有碰撞发生，若没有发生碰撞，则结束识别。如果发生了碰撞，读写器则向标签发出新指令，统计未被识别的标签数量，然后标签返回统计响应。读写器根据标签返回的剩余标签总数量以及分组帧时隙ALOHA算法的分组规定，设定新一轮识别过程的分组数和帧长值，重新开始新一轮的标签识别，直到最终所有标签识别完毕。

利用该技术对组内的标签进行扩频传输识别，进而完成对全部标签的识别，码分多址技术是利用码序列正交性或准正交性来区分不同标签，在同频、同时的条件下，接收端利用不同信号码型之间的差异分离出标签的识别号。此时，在分组内的各个标签在频率、时间和空间上都可以重叠。读写器采用并行接收技术，要求读写器一个时隙里只和一个分组中的多个标签进行通信，通信完成后，禁止掉该组的标签，再与下一分组中的标签进行通信。每个时隙在同一个时刻里可以有多个标签进行通信，这些标签的识别接收是利用不同的扩频码实现的。扩频码组数越多，能够同时通信的标签数也就越多。

附图2为本发明执行过程示意图。

将所有待识别的标签按照分组帧时隙ALOHA算法的分组规则进行分组，组内的信息进行传输时，在时隙中采用码分多址技术对数据进行扩频传输，然后读写器进行标签数据解扩，完成对标签信息的识别。

附图3为读写器识别所有标签的流程图。

当标签进入读写器范围时，读写器会对标签进行识别。

步骤一：读写器对标签数量进行判决，当标签数量大于354时，读写器会发送命令对标签进行分组，然后用帧长度为256bit的识别帧对每组标签进行一轮识别；

步骤二：一轮识别后重新统计总的未识别标签数量，继续判决标签数是否大于354，如果标签数大于354，重复步骤一；

步骤三：当标签数小于354时，根据标签数决定进行识别的帧长度，并对未识别标签进行一轮识别；

步骤四：一轮识别后重新统计总的未识别标签数量，还有未识别标签时重复步骤三；

步骤五：当标签全部被识别时，阅读器停止识别。

附图4为本发明的分组规则图。

本实施例分组算法以基于最大帧时隙数为256的动态帧时隙ALOHA算法为例进一步说明。首先定义：

(1)为达到最大系统效率，通过获取最后一个阅读帧的结果(0或是1)来决定对分组标签进行响应，以确定新循环帧的大小。

(2)在确定未识别标签数量后，得到分组仿真图4，并由图4得知，当1组和2组的系统效率相同时，单组标签数量可以达到最优化，由此根据公式1得出每组的标签数量n＝354，以该n值作为标签分组的初始分组数。当系统内标签数量比较小时，则以分组阿罗华系统最大帧时隙数（如最大帧时隙数256）为动态帧时隙阿罗华ALOHA算法时隙数。

当标签数量超过354时，调用公式：

$\frac{n}{2}\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{\frac{n}{2}-1}=n\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{n-1}$ (公式1)

限制系统内响应的标签数量。

（a）标签数量不足354个时，根据表1，标签初始分组数设置为1。当标签数量在1至11个之间时，初始帧长设置为8；当标签数量在12至19个之间时，初始帧长设置为16；依照分组规定可知，当标签数量在177至354个之间时，初始帧长设置为256。

（b）标签数量大于354小于1416个时，将标签进行分组，根据标签数量来决定初始分组数。由表1可知当标签数量在708至1416个之间时，初始分组数设置为4，初始帧长设置为256。

（c）当标签数量大于1416个时，根据附表1进行分组。用当前标签总数量除以1416，得到商，取小于等于商的最大整数，用这个整数乘以4再加1，得到的这个数值就是需要设置的初始分组数，帧长根据附表1可知，设置为256。比如当标签数量是1500个时，1500/1416=1.1，知道可以分成1*4+1=5组。

表1：分组帧时隙ALOHA算法的分组规则

Claims (5)

1.一种RFID系统中多标签防碰撞方法，其特征在于，读写器获得识别范围内标签进入数量，调用公式： $\frac{n}{2}\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{\frac{n}{2}-1}=n\left(\frac{1}{256}\right){(1-\frac{1}{256})}^{n-1}$ 计算每组标签数量n，根据标签数量n对识别范围内标签进行分组；在标签中预先植入具有正交性的伪随机序列，读写器随机选择一组标签发送标签识别码，标签的扩频电路通过伪随机序列对标签数据进行模2和操作实现扩频处理得到扩频数据，在同频、同时读写器并行接收扩频数据，利用与标签中相同的扩频序列对扩频数据进行解扩处理，恢复出标签数据，选择完所有分组标签发送标签识别码，完成标签识别。

2.根据权利要求1的多标签防碰撞方法，其特征在于，扩频正交码可以选用以下的任一种，包括：m序列，Gold序列，M序列，截短序列，混沌扩频序列，正交序列和多相序列。

3.根据权利要求1的多标签防碰撞方法，其特征在于，读写器设定分组帧时隙ALOHA算法的初始分组数和帧长初始值，读写器根据预先设置的初始分组数和初始帧长，对所有待识别的标签进行分组，每组的帧长为设置的初始帧长。

4.根据权利要求1的多标签防碰撞方法，其特征在于，所述扩频处理具体为，利用码序列正交性或准正交性区分不同标签，在同频、同时的条件下，接收端利用不同信号码型之间的差异分离出标签的识别号，在分组内的各个标签在频率、时间和空间上重叠。

5.根据权利要求1的多标签防碰撞方法，其特征在于，当分组算法以基于最大帧时隙数为256的动态帧时隙ALOHA算法时，标签数量不足354个时，标签初始分组数设置为1；当标签数量在1至11个之间时，初始帧长设置为8；当标签数量在12至19个之间时，初始帧长设置为16；当标签数量在177至354个之间时，初始帧长设置为256。

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