CN103218635A - 一种基于混合多叉树搜索的rfid防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法，有效的结合了动态二叉树搜索、动态四叉树搜索和动态八叉树搜索等优点，提出了基于改进多叉树的RFID防碰撞新方法，有效避免了动态二叉树搜索法容易出现过多的碰撞时隙，搜索效率低等问题，也避免了动态四叉树搜索增加空闲时隙等缺点，新方法同时减少了碰撞时隙和空闲时隙的数量，大幅度提高了搜索的效率和时隙的吞吐量，有一定的创新性和广泛的适用性，应用这种方法能够在RFID识别领域做到有效防止碰撞，从总时隙和吞吐量来看，具有更高的搜索效率和性能。

Description

一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法

技术领域

本发明涉及无线射频识别（RFID）技术领域，具体涉及一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法，特别是适用于解决在无线射频识别（RFID）读写器的有效通信范围内，当多个RFID标签同时与读写器进行通信时的冲突问题。

技术背景

无线射频识别技术（RFID）又称电子标签，是二十世纪八九十年代兴起的一种非接触式的自动识别通信技术,可通过无线信号识别特定目标并读写相应数据。在跟踪、物流、定位等领域已得到广泛应用,如：图书馆门禁系统，交通收费，食品安全溯源等。其中，用于解决读写器作用范围内多标签识别问题的防碰撞方法已成为该领域的重要研究点。

无线射频识别（RFID）标签的防碰撞方法主要是为了解决在读写器的有效通信区域内，当多个RFID标签同时与读写器进行通信时的冲突问题。目前，常用的防碰撞方法主要有两类，一类是基于时隙随机分配的ALOHA方法，其特点方法简单，实现方便，常用于低成本RFID系统。但由于该类方法的时隙是随机分配的，即某一标签在相当一段时间内可能无法识别，造成“Tag starvation”问题，所以又被叫作可能性方法。另一类是采用二叉树搜索的方法，方法相对复杂，识别所需时间长，一般不存在“Tag starvation”问题，又被叫做确定性方法。

现在大部分无线射频识别（RFID）系统都采用国际标准ISO/IEC1800026中的二叉数搜索(BS)，基本上都是采用曼彻斯特编码，可以有效地识别碰撞比特出现的位置。二叉数搜索原理是通过多次比较，逐渐缩小标签的搜索范围，直至锁定唯一的响应标签，通过循环操作，识别所有的RFID标签。但是在这类方法的搜索过程中会出现很多重复路径，搜索效率较低。在查询和响应的过程中，需要传递完整的EPC序列，会造成读写器和标签之间传输大量的数据。当待识别标签数量较多时，基于二叉树的搜索就会频频发生碰撞，由于每次碰撞只有两个分支，搜索效率较低。基于四叉树的搜索方法，在搜索的初期可以有效地减少碰撞，但随着搜索范围逐渐缩小和标签数量的减少，将会出现大量的空闲时隙，因此搜索效率并没有得到提高。当待识别标签数量非常多时，基于八叉树的搜索方法，在搜索初期的作用会更明显些。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，关键是能够依据搜索的深度和标签的数量，自适应地选择何种搜索叉数，这样可以有效地提高搜索的效率。为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法。

一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法，包括如下步骤：

11）读写器初始化查询堆栈S，使堆栈为空，并发出搜索命令；

12）满足查询条件的标签会进行应答，读写器根据标签的响应情况，确定当前的时隙状态；

13）读写器将会根据时隙状态，自适应地选择合适的搜索叉数和查询码，所述时隙状态包括可读时隙、或是碰撞时隙、或是空闲时隙；

14）若是空闲时隙，说明该分支下并没有可读标签的存在，在该分支内停止搜索，若是可读时隙，说明有且仅有一个标签存在，读写器完成对该标签的识别，若是碰撞时隙，将计算碰撞信息阈值μ，如果

待识别的标签数N<3，应选择二叉树搜索，根据碰撞首位信息，确定2个新的查询码，写入查询堆栈S，如果

待识别的标签数在3到5个时，应选择动态四叉树搜索,根据碰撞前两位的信息，确定4个新的查询码，写入查询堆栈S，如果

待识别的响应标签数N≥6，应选择八叉树搜索,根据碰撞前三位的信息，确定八个新的查询码，写入查询堆栈S；

15）判断堆栈S的内容是否为空，如果不是，读写器读取查询堆栈内的第一条查询码继续搜索，并返回到第二步，否则，则结束。

进一步的，所述碰撞信息阈值μ的技术公式为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{n_c}{n}=\frac{n[1-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{N-1}]}{n}=1-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{N-1}$

本发明的有益效果在于：有效的结合了动态二叉树搜索、动态四叉树搜索和动态八叉树搜索等优点，提出了基于改进多叉树的RFID防碰撞新方法，有效避免了动态二叉树搜索法容易出现过多的碰撞时隙，搜索效率低等问题，也避免了动态四叉树搜索增加空闲时隙等缺点。新方法同时减少了碰撞时隙和空闲时隙的数量，大幅度提高了搜索的效率和时隙的吞吐量，有一定的创新性和广泛的适用性。应用这种方法能够在RFID识别领域做到有效防止碰撞，从总时隙和吞吐量来看，具有更高的搜索效率和性能。

附图说明

图1为本发明的搜索流程框图；

图2为动态二叉树搜索流程图；

图3为动态四叉树搜索流程。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

任何一个RFID标签都有一个能唯一确定的EPC电子产品代码，读写器通过获取标签的电子产品代码来确认RFID。当在读写器作用的范围内存在有多个未识别的RFID标签时，每个RFID都会响应读写器的读取命令，发送自己的电子产品代码，在这种情况下，就不可避免的会产生一些相互干扰的情况。而这里防干扰的方法就是要提出相应的策略，使得读写器能够逐一对RFID标签做到快速读取并准确识别。在RFID系统中，采用曼彻斯特(Manchester)编码，读写器可以识别所有碰撞位的信息。目前，大多数的搜索方法仅仅利用了碰撞位的首位信息（二叉树搜索）或者是利用了碰撞位的前两位信息（动态四叉树搜索），其余碰撞位信息并没充分且有效的利用。当分支内标签的数量越多时，出现碰撞的位数越多，碰撞位占总比特位的概率越大。

碰撞阈值确定

定义碰撞阈值，碰撞阈值μ为在碰撞时隙内碰撞比特nc占总标签响应比特n的比值：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{n_c}{n}---\left(1\right)$

RFID系统内有N个待识别标签，标签响应长度是n比特，则任意一位比特不发生碰撞的概率是可以得到

$\mathrm{\&mu;}=\frac{n_c}{n}=\frac{n[1-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{N-1}]}{n}=1-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{N-1}---\left(2\right)$

标签数量N越大，碰撞阈值μ越高。也就是说碰撞阈值与待识别标签数量N有着直接的关联。若系统采用的叉数为L,那么，搜索深度为1时，标签的识别概率表达式：

在深度为k时，识别概率表达式：p(k)=p(1)[1-p(1)]^k-1，则一般搜索深度的均值表达式：

$E\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{kp}\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{kp}\left(1\right){[1-p\left(1\right)]}^{k-1}$

$=p\left(1\right)\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}k{[1-p\left(1\right)]}^{k-1}---\left(3\right)$

一般平均时隙数表达式：

$T=E\left(k\right)L=\frac{L}{{(1-\frac{1}{L})}^{N-1}}---\left(4\right)$

N<3时，二叉树优于四叉树和八叉树；当6>N≥3时，T_8-ary<T_4-ary<T_2-ary,即四叉树优于二叉树搜索和八叉树；当N≥6时，八叉树优于四叉树和二叉树。这样，碰撞阈值应选择：

${\mathrm{\&mu;}}_1=\frac{3}{4},$ ${\mathrm{\&mu;}}_2=\frac{31}{32}---\left(5\right)$

由于新方法是根据碰撞阈值自适应地选择搜索叉数，所以被称为自适应混合多叉数搜索防碰撞方法。

如图1所示，方法的一般性描述如下：

第一步，读写器初始化查询堆栈S，使堆栈为空，并发出搜索命令。

第二步，满足查询条件的标签会进行应答。读写器根据标签的响应情况，确定当前的时隙状态。

第三步，读写器将会根据时隙状态（可读时隙、或是碰撞时隙、或是空闲时隙），自适应地选择合适的搜索叉数和查询码。

1)若是空闲时隙，说明该分支下并没有可读标签的存在，在该分支内停止搜索。2)若是可读时隙，说明有且仅有一个标签存在，读写器完成对该标签的识别。3)若是碰撞时隙，将计算碰撞信息阈值μ，如果

待识别的标签数N<3，应选择二叉树搜索，根据碰撞首位信息，确定2个新的查询码，写入查询堆栈S。如果

待识别的标签数在3到5个时，应选择动态四叉树搜索,根据碰撞前两位的信息，确定4个新的查询码，写入查询堆栈S。如果

待识别的响应标签数N≥6，应选择八叉树搜索,根据碰撞前三位的信息，确定八个新的查询码，写入查询堆栈S。

第四步，判断堆栈S的内容是否为空，如果不是，读写器读取查询堆栈内的第一条查询码继续搜索，并返回到第二步。否则，方法结束。

如图2所示，图中圆圈代表碰撞时隙，三角代笔空闲时隙，矩形代表可读时隙，查询树算法的基本思想是将碰撞的标签分成两个子集0和1，先查询子集0，如果没有碰撞，则正确识别标签，如果碰撞则再分裂，把子集分成00和01两个子集，以此类推，直至识别出子集0中的所以标签，再按步骤查询子集1。

如果μ≥3/4，说明待识别的标签数较多，应选择动态四叉树搜索,根据碰撞前两位的信息，确定四个新的查询码，将其写入查询堆栈S。如图3所示，图中圆圈代表碰撞时隙，三角代笔空闲时隙，矩形代表可读时隙，当RFID标签比较多时，动态四叉树搜索方法可以减少碰撞时隙的数量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：11）读写器初始化查询堆栈S，使堆栈为空，并发出搜索命令； 

12）满足查询条件的标签会进行应答，读写器根据标签的响应情况，确定当前的时隙状态； 

13）读写器将会根据时隙状态，自适应地选择合适的搜索叉数和查询码，所述时隙状态包括可读时隙、或是碰撞时隙、或是空闲时隙； 

14）若是空闲时隙，说明该分支下并没有可读标签的存在，在该分支内停止搜索，若是可读时隙，说明有且仅有一个标签存在，读写器完成对该标签的识别，若是碰撞时隙，将计算碰撞信息阈值μ，如果

待识别的标签数N<3，应选择二叉树搜索，根据碰撞首位信息，确定2个新的查询码，写入查询堆栈S，如果

待识别的标签数在3到5个时，应选择动态四叉树搜索,根据碰撞前两位的信息，确定4个新的查询码，写入查询堆栈S，如果

待识别的响应标签数N≥6，应选择八叉树搜索,根据碰撞前三位的信息，确定八个新的查询码，写入查询堆栈S； 

15）判断堆栈S的内容是否为空，如果不是，读写器读取查询堆栈内的第一条查询码继续搜索，并返回到第二步，否则，则结束。 

2.根据权利要求1所述的一种基于混合多叉树搜索的RFID防碰撞方法，其特征在于，所述碰撞信息阈值μ的技术公式为： 

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