CN103324856A - 一种rfid标签数的快速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID标签数的快速估算方法，包括：读写器根据帧长度读取标签，统计空闲、可读、碰撞时隙数，并确定最小、最大标签数搜索范围；在标签数最小、最大搜索范围，分别计算空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与统计值的绝对值距离并求和，再搜索使绝对值距离之和最小的标签数作为第1次搜索结果；在第1次搜索结果基础上，采用切比雪夫不等式估算法进行二次搜索，求出最优标签数估计值。本方法根据空闲、可读、碰撞时隙数统计信息，采用二次搜索方法可快速准确地估算RFID读写区域的标签数。

Description

一种RFID标签数的快速估算方法

技术领域

本发明涉及RFID标签数估算方法，尤其涉及一种RFID标签数的快速估算方法。

背景技术

RFID技术具有非接触式、远距离、速度快、传输信息量大等优点，通过将标签粘附于监测对象中进行唯一有效标识，可广泛应用于生产制造、智能交通、食品安全溯源、物流等领域，是物联网关键技术之一，具有巨大的潜在经济价值。

RFID系统构成主要由读写器、标签、应用系统组成。读写器发射一定频率的无线射频信号，当标签进入发射天线辐射区域后将自身电子编码等信息向读写器发射，读写器对接收的信号进行解码，将读取后的信息传输到应用中心作后续数据处理。由于标签与读写器共享同一信道，当读写器识别范围内有两个或两个以上标签同时向读写器发送信息时将产生干扰，导致读写器无法成功识别标签，称为标签碰撞。目前解决标签碰撞的方法有空分多址、频分多址、码分多址与时分多址，而时分多址简单、成本低得到广泛应用。动态帧时隙ALOHA算法是时分多址应用较广泛方法，通过识别范围标签数对帧长度动态调整，使系统保持最优工作效率，但通常识别范围内的标签数是未知的，读写器必须预先估算标签数，再调整帧长度。因此标签数估算的准确性将直接影响读写器的识别效率。

目前针对RFID标签数估算方法，主要根据读写器统计空闲、可读、碰撞时隙数E、S、C信息预测标签数。最小预测估算法根据碰撞时隙中至少存在两个或两个以上标签，估算识别范围内标签数至少为S+2C，该算法较简单，但误差随标签数增加迅速增大；泊松估算法假设空闲、可读、碰撞时隙时间相等，且系统达到最大时隙利用率，则发生碰撞时隙包含的标签平均数目为2.39，标签数为S+2.39C，该算法较简单，但实际系统空闲、可读、碰撞时隙时间相等条件难以保证，该算法误差随标签数增加迅速增大；空闲时隙估算法通过实测空闲数E代入空闲时隙概率公式求得标签估算数为ln(E/L_f)/ln(1-1/L_f)，该算法较简单，但仅利用空闲时隙信息，算法稳定性较差且误差随标签数增加快速增大且空时隙为0时无法使用；切比雪夫不等式估算法在最小、最大搜索范围内，使空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与实际统计值的平方和[C₀(L_f,n)-E]²+[C₁(L_f,n)-S]²+[C_k(L_f,n)-C]²取得最小值时的n值即为标签数估算值，该算法误差较小，但计算量较大，不适用于计算能力有限的读写器，应用范围较窄；最大似然估算法假设每个时隙的标签应答符合独立随机试验，对于一帧中出现空闲、可读、碰撞时隙数E、S、C事件，最合理的标签数估算值应使出现该事件的概率最大，表达式为该算法误差较小，但计算量大，且标签应答不符合独立随机试验条件。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种运算量小、标签估算准确的一种RFID标签数的快速估算方法。所述技术方案如下：

本发明所涉及的一种RFID标签数的快速估算方法，包括：

根据帧长度读取标签，统计一帧内空闲、可读、碰撞时隙数，并确定最小、最大标签数搜索范围；

在标签数最小、最大搜索范围，分别计算空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与统计值的绝对值距离并求和，再搜索使绝对值距离之和最小的标签数作为第1次搜索结果；

在第1次搜索结果基础上，采用切比雪夫不等式估算法进行二次搜索，求出最优标签数估计值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过利用一帧中标签应答的空闲、可读、碰撞时隙统计信息，可较准确反应标签数，提高估算准确性；该方法通过运算量较小的绝对值距离求和算法快速搜索得到第1次结果，并采用第2次搜索提高估算准确性，显著降低了运算量、加快了搜索速度。

附图说明

图1是本发明所述一种RFID标签数的快速估算方法流程图；

图2是本发明所涉及一种RFID标签数的快速估算方法第1次搜索示意图；

图3是本发明所涉及一种RFID标签数的快速估算方法第2次搜索示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

参见图1，该方法包括以下步骤：

步骤101根据帧长度读取标签，统计空闲、可读、碰撞时隙数，并确定最小、最大标签数搜索范围；

步骤102在标签数最小、最大搜索范围，分别计算空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与统计值的绝对值距离并求和，再搜索使绝对值距离之和最小的标签数作为第1次搜索结果；

步骤103在第1次搜索结果基础上，采用切比雪夫不等式估算法进行二次搜索，求出最优标签数估计值。

参见图2，该图为基于最小绝对值距离二次搜索的RFID标签数估算方法第1次搜索示意图。首先由标签数n、帧长度L_f求得理论空闲、可读、碰撞时隙数C₀(L_f,n)、C₁(L_f,n)、C_k(L_f,n)，再与实际统计量E、S、C分别计算绝对值距离并求和，在最小、最大搜索范围找出使得该和最小的n值即为第1次搜索估计值N₀。

帧时隙ALOHA算法中，由于标签选择各个时隙概率相同，若帧长度为L_f，标签数为n，则根据二项式分布原理，同一时隙出现r个标签的概率为

$B_{n,L_f}\left(r\right)=\left(\begin{array}{c}n\\ r\end{array}\right){\left(\frac{1}{L_f}\right)}^r{(1-\frac{1}{L_f})}^{n-r}---\left(1\right)$

则空闲、可读、碰撞时隙概率P₀、P₁、P_m计算式分别为

P_m=1-P₀-P₁。由于L_f与n为线性关系，令L_f=kn(k>0)，则

从而可求得一个帧时隙周期内的平均空闲、可读、碰撞时隙数分别为 $C_0=L_f{R}_0=\mathrm{kn}{e}^{-\frac{1}{k}},$ $C_1=L_f{P}_1=n{e}^{-\frac{1}{k}},$ $C_m=L_f{P}_m=\mathrm{kn}(1-\frac{1}{k}{e}^{-\frac{1}{k}}-e^{-\frac{1}{k}}).$ 令ΔE(L_f,n)=C₀(L_f,n)-E、ΔS(L_f,n)=C₁(L_f,n)-S、ΔC(L_f,n)=C_k(L_f,n)-C，C₁+2C_k为最小预测法估计值，N_max为实际应用场合最大标签数，则一种RFID标签数的快速估算方法的第1次搜索结果N₀表达式为：

为在定义域n∈[C₁+2C_k,N_max]，找出使[|ΔE(L_f,n)|+|ΔS(L_f,n)|+|ΔC(L_f,n)|]取得最小值时的n值运算。

参见图3，该图为一种RFID标签数的快速估算方法第2次搜索示意图。N₀为第1次搜索结果，但该值可能与切比雪夫不等式估算法搜索结果的最小值N_min不相等，切比雪夫不等式估算法标签数估算值表达式为：

$N_{\min }=\underset{n}{\mathrm{Arg}\min }|\left(\begin{array}{c}E\\ S\\ C\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{C}_0(L_f,n)\\ C_1(L_f,n)\\ C_k(L_f,n)\end{array}\right)|=\underset{n}{\mathrm{Arg}\min }\sqrt{\mathrm{\ΔE}{(L_f,n)}^2+\mathrm{\ΔS}{(L_f,n)}^2+\mathrm{\ΔC}{(L_f,n)}^2}---\left(3\right)$

根据第1次搜索结果值N₀，若满足①C₀(L_f,n)>E、C₁(L_f,n)>S、C_k(L_f,n)>C；②C₀(L_f,n)<E、C₁(L_f,n)<S、C_k(L_f,n)<C；③Δ|E-S|=Δ|C-S|；④Δ|E-C|=Δ|S-C|；⑤Δ|S-E|=Δ|C-E|；⑥E=S=C，则根据单调性原理有N₀=N_min，即ΔN=0此时不再进行二次搜索；

若上述条件不满足，ΔN≠0，则采用切比雪夫不等式进行第2次搜索，图3为凹函数，若N₀<N_min、第2次搜索的最小改变量为Δn，则搜索的终止条件为ΔE(L_f,N₀+in)²+ΔS(L_f,N₀+in)²+ΔC(L_f,N₀+in)²≤ΔE[(L_f,N₀+(i+1)n)]²+ΔS[(L_f,N₀+(i+1)n)]²+ΔC[(L_f,N₀+(i+1)n)]²，此时N_min=N₀+iΔn；同理若N₀>N_min，则搜索终止条件为ΔE(L_f,N₀+in)²+ΔS(L_f,N₀+in)²+ΔC(L_f,N₀+in)²≤ΔE[(L_f,N₀+in-n)]²+ΔS[(L_f,N₀+in-n)]²+ΔC[(L_f,N₀+in-n)]²，此时N_min=N₀+iΔn。

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 (4)

1.一种RFID标签数的快速估算方法，其特征在于，该方法包括：

(1)根据帧长度读取标签，统计空闲、可读、碰撞时隙数，并确定最小、最大标签数搜索范围；

(2)在标签数最小、最大搜索范围，分别计算空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与统计值的绝对值距离并求和，再搜索使绝对值距离之和最小的标签数作为第1次搜索结果；

(3)在第1次搜索结果基础上，采用切比雪夫不等式估算法进行二次搜索，求出最优标签数估计值。

2.根据权利要求1所述的一种RFID标签数的快速估算方法，其特征在于，所述帧长度为L_f，空闲时隙指无标签应答时隙，可读时隙为有且仅有一个标签应答，碰撞时隙指有多个标签同时应答而产生相互干扰，读写器无法正常读写标签数据的时隙；所述一个帧的实际空闲、可读、碰撞时隙统计量分别为E、S、C；所述最小、最大标签数搜索范围为[N_min～N_max]，N_min根据碰撞时隙至少有两个标签应答条件设置为N_min=S+2C，N_max根据实际应用场合最大标签数设置；

3.根据权利要求1所述的一种RFID标签数的快速估算方法，其特征在于，所述空闲、可读、碰撞时隙数的理论值根据帧长度L_f与标签数n计算，其值分别表示为C₀(L_f,n)、C₁(L_f,n)、C_k(L_f,n)，所述绝对值之和为|C₀(L_f,n)-E|+|C₁(L_f,n)-S|+|C_k(L_f,n)-C|，所述第1次搜索结果是指在最小、最大搜索范围内，使|C₀(L_f,n)-E|+|C₁(L_f,n)-S|+|C_k(L_f,n)-C|取得最小值时的n值。

4.根据权利要求1所述的一种RFID标签数的快速估算方法，其特征在于，所述切比雪夫不等式估算法为在最小、最大搜索范围内，使空闲、可读、碰撞时隙数的理论值与实际统计值的平方和[C₀(L_f,n)-E]²+[C₁(L_f,n)-S]²+[C_k(L_f,n)-C]²取得最小值时的n值即为标签数估算值。

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