CN103336937A - 一种基于几何分布的射频标签数目估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于几何分布的射频标签数目估计方法，包括如下步骤：A、利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号。B、标签收到所述无线信号后，确定相应的时隙回复阅读器。C、阅读器生成估计向量，并对估计向量进行分析计算，获得所述待估计标签集合中标签数目的估计值。本发明仅使用很少的时隙数目就可以得到标签数目的准确估计，满足了移动网络环境以及其他对时间敏感的场景的需要，同时，本发明在进行标签数目估计时，不必对待估计标签集合进行严格不重复的划分，即每个阅读器覆盖的标签子集合可以是部分重叠或是不重叠，均不影响最后估计精度，更加适用于实际情况。

Description

一种基于几何分布的射频标签数目估计方法

技术领域

本发明涉及射频识别技领域，尤其涉及一种基于几何分布的射频标签数目估计方法。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术在无线定位、物体追踪和动态监测等领域得到了广泛的应用。典型的射频识别系统通常包括射频阅读器（简称阅读器）、射频标签（简称标签）以及中间件和后台软件组成。阅读器通过发射射频信号将标签激活，并等待标签的回复。标签内通常含有一定的存储功能用于保存唯一标志符等数据。中间件及后台软件主要负责射频标签的管理功能，例如标签查询、认证、吊销、密钥分配等。

标签数目的估计是射频识别系统的重要功能之一。在很多应用中具有非常重要的作用，例如在智能交通领域，标签数目的估计可以追踪城市车辆的分布情况；在大型运动会和集会上，可以用于监测参与者的流量；在工业生产过程中，可以用来监测生产产品的流程控制。同时，标签数目的估计也是其他射频识别技术的基础，例如在标签身份识别应用中，准确的标签数目往往是快速身份识别的前提条件；在密钥管理的分发和更新操作中，也需要实现知道大致等待操作的标签数目。在传统的标签身份识别领域，可以逐个搜集每个标签的唯一标志符，然后通过管理软件的统计，得到准确的标签数目估计，但是这样的方法往往会带来较大的时间延迟，在大规模射频识别管理系统中扩展性不佳。

发明内容

本发明的目的在于通过一种基于几何分布的射频标签数目估计方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于几何分布的射频标签数目估计方法,其包括如下步骤：

A、利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号；

B、标签收到所述无线信号后，确定相应的时隙回复阅读器；

C、阅读器生成估计向量，并对估计向量进行分析计算，获得所述待估计标签集合中标签数目的估计值。

特别地，所述步骤A具体包括：

A1、用户向阅读器输入标签数目估计的相对误差容忍度∈和置信水平δ；

A2、计算阅读器的询问轮次m，然后开始m轮次问答，利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号。

特别地，所述步骤B之前还包括：

预先在标签中载入若干个均匀分布哈希值。

特别地，所述步骤B具体包括：

B1、标签收到所述无线信号后，随机选取一个预置的均匀分布哈希值，将其归一化至[1,2^f]区间，得到随机数RNG，其中,f为无线信号包含的时隙帧长；

B2、计算随机数RNG的几何哈希G(RNG)，并在第G(RNG)时隙回复阅读器。

特别地，所述步骤A2具体包括：

计算 $c=\sqrt{2}{\mathrm{erf}}^{-1}{\mathrm{erf}}^{-1}\left(\mathrm{\δ}\right),$ 由 $m=\max \max \{{(-\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1-\∈)})}^2,{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1+\∈)}\right)}^2\}$ 获得阅读器的询问轮次，然后开始m轮次问答，利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对待估计标签集合发射无线信号，其中，

特别地，所述步骤C具体包括：

C1、阅读器从第1个时隙到第f个时隙均检查标签是否有回复；

C2、如果某个时隙有标签回复，则将其对应估计向量索引位设置为1，否则设置为0，依此，在m轮次问答后，生成m个估计向量，并得到R₁,R₂,...,R_m，其中，R_i的定义为：对第i次问答生成的估计向量，假设二进制最左为最低位，索引位为0，最右为最高位，则从左边开始，将第一个0的索引位置设为R_i；

C3、由

计算出待估计标签集合中标签数目的估计值

本发明提供的基于几何分布的射频标签数目估计方法具有如下优点：一、仅使用很少的时隙数目就可以得到标签数目的准确估计，满足了移动网络环境以及其他对时间敏感的场景的需要。二、在进行标签数目估计时，不必对待估计标签集合进行严格不重复的划分，即每个阅读器覆盖的标签子集合可以是部分重叠或是不重叠，均不影响最后估计精度，更加适用于实际情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多阅读器询问模型示意图；

图2为本发明实施例提供的估计向量生成模型示意图；

图3为本发明实施例提供的基于几何分布的射频标签数目估计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1和图2所示，现结合图1和图2对本发明的理论基础进行说明。

标签数目估计系统包含了若干阅读器和待估计标签集合。阅读器之间使用时间同步技术进行控制，能够实现多阅读器指令的同步发送和回复结果同步整合。各阅读器之间可以重复覆盖不同的标签子集。标签内部存储有唯一标志符和若干均匀分布哈希值（可以是MD5/SHA-1等类型）。工作流程如图1所示，图中101为阅读器，102为标签，103为标签子集，104为估计向量，整个标签数目估计系统采用问答模式，多个阅读器101同时对阅读范围内待估计标签集合发射无线信号，标签102根据预定义规则进行回复，每个阅读器101都能形成一个估计向量104，由于阅读器101之间事先进行过时钟同步，所以所有指令的发送与接收都是同步进行的，然后各阅读器101的估计向量104在服务器进行汇总，形成综合估计向量，综合估计向量的形成非常简单，只需要按位进行与操作即可，最后对综合估计向量进行分析计算，得到待估计标签集合中标签数目的估计值。上述过程的特点在于不必对待估计标签集合进行严格不重复的划分，即每个阅读器101覆盖的标签子集103合可以是部分重叠或是不重叠，都不影响最后估计精度，更加适用于实际情况，通过这个过程可以将多个阅读器101的大范围操作等同于一个虚拟的统一阅读器的操作，以下的内容都假设存在这么一个虚拟的统一阅读器。

如图2所示，图中201为阅读器，202为标签，203为待估计标签集合，204为估计向量，针对单个阅读器201（或虚拟统一阅读器）的估计向量204生成过程：首先阅读器201发送无线信号给标签202，无线信号包含时隙帧长f，待估计标签集合203中的标签202收到所述无线信号后，随机选取一个预置的均匀分布哈希值，将其归一化至[1,2^f]区间，得到随机数RNG，然后计算几何哈希G(x)，即二进制表示最低位的0的索引位置，例如如果f=3，两个标签202通过随机取得的均匀分布哈希值，归一化到[1,8]后的值分别为5和7，假设二进制最左为最低位，索引位为0，最右为最高位，G(5)＝G(10100)＝1，G(7)＝G(11100)＝3。每个标签202选择在自己的第G(x)时隙回复阅读器201。如果某个时隙有标签201回复，则将其对应估计向量204索引位设置为1，否则设置为0，可以看出，每个时隙对应的预期标签个数符合几何分布。

假设待估标签数目为n，对一次问答生成的估计向量，假设二进制最左为最低位，索引位为0，最右为最高位，则从左边开始，将第一个0的索引位置设为R。那么R可以看作是一个随机变量，这个随机变量的期望满足

E(R)＝loglog(φn)+P(logn)+o(1)  （1）

其中，φ≌0.775，同时P(logn)，一个周期为1，幅度不超过10^-5，连续周期函数，所以公式（1）可以近似化简为

E(R)≌loglog(φn)  （2）

从而根据公式（2），可以得到假设1次问答后，对于标签数目的估计值

为

$\hat{n}=\frac{1}{\mathrm{\φ}}{2}^R=1.2897\×2^R---\left(3\right)$

从公式（3）可以看出，标签数目与R的关系为指数关系，即使用logN时隙帧的长度，可以估计的标签数目范围为[0,N]，具体说来，也就是用32位估计向量，可以估计的标签数目最多可以到40亿左右，已经可以满足绝大多数的应用需求。

同时为了进一步提高估计精度，可以采用多轮估计的方法。通过分析可以知道随机变量R的方差为

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{\σ}}_{\∞}^2+Q\left(\log n\right)+o\left(1\right)---\left(4\right)$

其中，σ_∞＝1.12，Q(logn)是一个周期为1，幅度不超过10^-5的连续周期函数，因此公式（4）可以近似化简为

${\mathrm{\σ}}_n^2\≅1.254---\left(5\right)$

假设进行m轮次的估计，那么得到平均值

为

$\hat{R}=\frac{R_1+R_2+\·\·\·+R_m}{m}$

因此，

随机变量的期望和方差可以计算得到

$E\left(\hat{R}\right)\≅\log \log \left(\mathrm{\φn}\right),\mathrm{\σ}\left(\hat{R}\right)\≅\frac{{\mathrm{\σ}}_{\∞}}{\sqrt{m}}{\mathrm{\σ}}_n^2\≅1.254---\left(6\right)$

从而得到新的标签数量估计值

为

$\hat{n}=1.2987\×2^{\hat{R}}$

本发明的基本思想为，用户指定一个相对误差容忍度0＜∈＜1，置信水平0＜δ＜1，一般来说，∈越接近于0，δ越接近于1，表示结果越精确。阅读器根据用户的输入对标签集合进行多次问答过程，然后通过统计估计向量中R得其平均值，标签数目的估计值

满足：

如图3所示，图3为本发明实施例提供的基于几何分布的射频标签数目估计方法流程图。

本实施例中基于几何分布的射频标签数目估计方法包括如下步骤：

步骤S301、利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号。

用户向阅读器输入标签数目估计的相对误差容忍度∈和置信水平δ；计算 $c=\sqrt{2}{\mathrm{erf}}^{-1}{\mathrm{erf}}^{-1}\left(\mathrm{\δ}\right),$ 由 $m=\max \max \{{(-\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1-\∈)})}^2,{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1+\∈)}\right)}^2\}$ 获得阅读器的询问轮次，然后开始m轮次问答，利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对待估计标签集合发射无线信号，其中，

步骤S302、标签收到所述无线信号后，确定相应的时隙回复阅读器。

预先在标签中载入若干个均匀分布哈希值，标签收到所述无线信号后，随机选取一个预置的均匀分布哈希值，将其归一化至[1,2^f]区间，得到随机数RNG，其中,f为无线信号包含的时隙帧长；计算随机数RNG的几何哈希G(RNG)，并在第G(RNG)时隙回复阅读器。

步骤S303、阅读器生成估计向量，并对估计向量进行分析计算，获得所述待估计标签集合中标签数目的估计值。

阅读器从第1个时隙到第f个时隙均检查标签是否有回复；如果某个时隙有标签回复，则将其对应估计向量索引位设置为1，否则设置为0，依此，在m轮次问答后，生成m个估计向量，并得到R₁,R₂,...,R_m，其中，R_i的定义为：对第i次问答生成的估计向量，假设二进制最左为最低位，索引位为0，最右为最高位，则从左边开始，将第一个0的索引位置设为R_i；由

计算出待估计标签集合中标签数目的估计值

本发明的技术方案具有如下优点：一、仅使用很少的时隙数目就可以得到标签数目的准确估计，满足了移动网络环境以及其他对时间敏感的场景的需要。二、在进行标签数目估计时，不必对待估计标签集合进行严格不重复的划分，即每个阅读器覆盖的标签子集合可以是部分重叠或是不重叠，均不影响最后估计精度，更加适用于实际情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号；

B、标签收到所述无线信号后，确定相应的时隙回复阅读器；

C、阅读器生成估计向量，并对估计向量进行分析计算，获得所述待估计标签集合中标签数目的估计值。

2.根据权利要求1所述的基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、用户向阅读器输入标签数目估计的相对误差容忍度∈和置信水平δ；

A2、计算阅读器的询问轮次m，然后开始m轮次问答，利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对阅读范围内的待估计标签集合发射无线信号。

3.根据权利要求2所述的基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤B之前还包括：

预先在标签中载入若干个均匀分布哈希值。

4.根据权利要求3所述的基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、标签收到所述无线信号后，随机选取一个预置的均匀分布哈希值，将其归一化至[1,2^f]区间，得到随机数RNG，其中,f为无线信号包含的时隙帧长；

B2、计算随机数RNG的几何哈希G(RNG)，并在第G(RNG)时隙回复阅读器。

5.根据权利要求4所述的基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括：

计算 $c=\sqrt{2}{\mathrm{erf}}^{-1}{\mathrm{erf}}^{-1}\left(\mathrm{\δ}\right),$ 由 $m=\max \max \{{(-\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1-\∈)})}^2,{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{n}c}{\log \log (1+\∈)}\right)}^2\}$ 获得阅读器的询问轮次，然后开始m轮次问答，利用时间同步技术控制若干个阅读器同时对待估计标签集合发射无线信号，其中，

6.根据权利要求5所述的基于几何分布的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

C1、阅读器从第1个时隙到第f个时隙均检查标签是否有回复；

C2、如果某个时隙有标签回复，则将其对应估计向量索引位设置为1，否则设置为0，依此，在m轮次问答后，生成m个估计向量，并得到R₁,R₂,...,R_m，其中，R_i的定义为：对第i次问答生成的估计向量，假设二进制最左为最低位，索引位为0，最右为最高位，则从左边开始，将第一个0的索引位置设为R_i；

C3、由

计算出待估计标签集合中标签数目的估计值

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