CN103390182A - 一种有源电子标签防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电子标签防碰撞方法，其中有源电子标签包括未初始化状态、同步状态和准同步状态，该方法包括如下步骤：标签出厂设置为未初始化状态；当标签接收到读写器确认应答信号后，标签搜索读写器发出的广播信号完成首次同步并进入同步状态；标签保持同步状态T_S时间后进行适时同步处理，当搜索到广播信号后完成适时同步，否则将标签状态设置为准同步状态；标签保持准同步状态T_S时间后再次进行适时同步处理，当标签搜索到广播信号后，完成适时同步并将标签状态设置为同步状态，否则延后Ts时间后再次进行适时同步处理。本方法运算简单、节省资源、系统容量大、识别速度快、并且极低功耗，具有很强的实用性。

Description

一种有源电子标签防碰撞方法

技术领域

本发明涉及物联网RFID（无线射频识别）电子标签系统技术领域，尤其是涉及有源RFID电子标签系统的防碰撞方法。

背景技术

随着微电子，互联网与无线通信技术的巨大发展，相别于一般计算机，物品也期望通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，以实现智能化识别和管理而形成物联网。物联网技术的核心在于物与物之间广泛而普遍的互联。这是通过对物理世界的信息化和网络化，对传统上分离的物理世界和信息世界实现互联和整合。物联网是一个基于互联网，传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

物联网是一种非常复杂，形式多样的系统技术。根据信息生成，传输，处理和应用的原则，可以把物联网抽象为四层结构：感知识别层，网络构建层，管理服务层和综合应用层。

其中感知识别是联系物理世界和信息世界的纽带。感知识别层包括射频识别，无线传感器等信息自动生成设备，也包括各种智能电子产品用来人工生成信息。RFID电子标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品的识别和管理。另外无线传感器网络主要通过各种类型的传感器对物理性质，环境状态，行为模式等信息展开大规模，长期，实时的获取。网络构建层的主要作用是把下层（感知识别层）数据接入互联网，供上层服务使用。

感知识别层和网络构建层是物联网的核心，也是物联网区别于其他网络及应用的关键部分。例如，电子标签和读写器之间形成一个相对独立的无线通信子系统。本发明将重点研究于这个RFID电子标签子系统。传感器也常常被集成在电子标签中，同时无线传感网也是一个相对独立的无线通信子系统，通常也可以抽象为读写器和电子标签通信的模式，因此也可以使用本发明的方法。为描述方便起见，本发明将侧重描述在RFID电子标签系统的应用方法。

RFID电子标签可以分为两种，一种是无源标签，其内部的集成电路通过接收由读写器发出的电磁波进行驱动，向读写器发送数据，本质上是反射电磁能量，作用距离比较近；第二种为有源标签，采用电池供电，通信距离比较远，广泛地应用于传感器数据传输，定位等应用领域。目前国内外有源电子标签有两种基本工作方式：

1.标签不断地向外发送自身ID号等信息；

2.系统通过低频激励器天线发射出强的低频唤醒信号，从而使电子标签进入工作状态发送自身ID号，之后再进入休眠状态。

第二种方式由于标签中的低频检波系统是无源的，因而这种低频激活天线的发射功率必须要很大，而标签的低频检波器的体积也比较大，造成设备的体积和成本都难以接受。同时标签需要低频检波器唤醒，故反应时间偏大，数据传输速率和效率都偏小。由于低频唤醒范围较小，故使用范围也非常有限，系统工作灵活性受到很大限制，同时第二种方式在和功能和应用场合上和无源标签是有一定重合的。由于方式1较方式2有很多的优势，除了在特殊要求的场合下，当前绝大部分的有源电子标签使用的都是方式1。

我们将重点研究方式1下的有源标签。此后提及的有源电子标签系统或者电子标签系统将特指此种有源标签系统。在这种系统中，关键的技术难点是大量电子标签需要短时间内和读写器通信并被识别。由于读写器和所有标签公用一个无线信道，当两个或以上标签同时向读写器发送标识信号时，将产生冲突，导致读写器不能正常解析信号。这个难点本质上是一个多址访问（Multiple Access），或者是介质访问控制（MAC，MediaAccess Control）的问题。一般来说无线网络中解决冲突的方法有四种类型，即空间分多址（SDMA，Space Division Multiple Access）、码分多址（CDMA，Code Division MultipleAccess）、频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）和时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）。从RFID系统的通信形式，系统复杂性以及成本考虑，TDMA是最有实际应用价值，也是最常见的一类防碰撞方法。即在同一频率，读写器在不同时间分别与不同标签通信。防碰撞算法是电子标签系统的核心难点，它直接决定系统的读写速度，系统容量，碰撞发生几率，系统功耗以及实现复杂度和成本。另外，由于标签无线信号发射频繁，通常使用一次性电池，无法或难以低成本更换，有源电子标签存在耗电较快和使用寿命短的致命缺陷。

目前已有一些常用的算法，例如IEEE802.15.4ZIGBEE中使用的避免碰撞的载波侦听多址访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA）算法（“IEEE Standard 802.15.4-2006”，IEEE,2006），其主要缺点是需要无线收发器保持在接受状态以侦知信道空闲状态，功耗很高；基于ALOHA的防碰撞算法（刘云浩，《物联网导论》，科学出版社，北京，2011），采取标签随机接入与读写器通信的方式，如果有碰撞产生则重发，效率较低，系统容量低，难以同时识别大量标签；基于二叉树的防碰撞算法（刘云浩，《物联网导论》，科学出版社，北京，2011），算法较为复杂，计算量偏大，容量和性能一般。本发明提出了一种原创的基于适时同步且含有静默期的防碰撞方法，在各方面都优于现有常用方法。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种运算简单、节省资源、并且极低功耗的有源电子标签防碰撞方法，该方法可以提高电子标签系统读写速度，提高同时读写的标签数量（即系统容量），并杜绝碰撞现象的发生。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有源电子标签防碰撞方法，有源电子标签防碰撞采用时钟同步的方法实现，所述时钟同步的方法包括如下步骤：

（1）未初始化状态：设置出厂的有源电子标签为未初始化状态，适时同步失败累计次数R初始值为0，读写器确认应答信号标志FLAG初始值为0；未初始化状态标签仅以时间T为周期周期性上报自身ID等信息并接收读写器确认应答信号，其余时间休眠。标签每次上报后，都检查是否收到读写器确认应答信号，如果收到，置FLAG=1，否则置FLAG=0。一旦FLAG=1，即认为周围有读写器，开始做首次同步。首次同步中，标签搜索读写器发出的周期为T的广播信号，并持续大于或等于周期T的时间，以保证涵盖至少一个广播信号，首次同步比较耗能，仅在确认附近有读写器时才进行。因此标签的初始化非常方便，即将要使用标签放置于读写器旁一段时间即可与整个系统同步，对于偶尔单个的新标签甚至可以直接使用。当有源标签接收到广播信号后，完成首次同步并将标签状态设置为同步状态，进入步骤（2），否则保持未初始化状态。

（2）同步状态：由于晶振误差的存在，有源电子标签会出现时钟漂移，因此有源电子标签每隔T_S时间进行适时同步处理以保持同步状态。同步时，标签处于接收状态，功耗较大，为减少不必要的适时同步操作，先检查FLAG值是否为1以确认标签在读写器附近；并为进一步降低功耗尽量减小处于接收状态的时间。因此本发明以最近一次接收到的广播信号为基准对广播信号进行时间窗口搜索，且搜索窗口宽度W₁小于周期T；当有源电子标签搜索到广播信号后完成适时同步（由于本次同步是以最大允许的时间间隔Ts搜索最小的时间窗口，本发明将这种同步方式称为适时同步），重复执行步骤（2），如果搜索操作失败或者FLAG=0，均认为适时同步失败，将标签状态设置为准同步状态，并将适时同步失败累计数R置为1，然后进入步骤（3）。

（3）准同步状态：有源电子标签保持准同步状态T_S时间后再次进行适时同步处理，标签首先检查FLAG是否为1，如果为1以最近一次接收到的广播信号为基准对广播信号进行时间窗口搜索，且搜索窗口宽度W₂≤周期T；当有源电子标签搜索到广播信号后，完成适时同步并将标签状态设置为同步状态，置R=0，并转入步骤（2），如果搜索操作失败或者FLAG=0，均认为适时同步失败，则递增适时同步失败累计数R=R+1，重复执行步骤（3）。

其中，在步骤（1）的未初始化状态、步骤（2）的同步状态、步骤（3）准同步状态进行过程中，有源电子标签还以时间T为周期将自身ID信息上报给读写器。

更进一步的，步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中，当有源电子标签上报自身ID信息后没有收到读写器确认应答信号，即认定发生了碰撞，将延时随机时间Te后重新上报；若标签重新上报，仍没有收到读写器确认应答信号，将不作任何处理。为了尽可能地降低功耗，本发明这里限制重新上报次数为1。本发明认为只有标签收到读写器的确认信号才为成功上报，否者就认为发生了碰撞。这意味即使标签上报信息并让读写器成功收到，但因某种原因标签未收到应答信号，也被认为产生了碰撞。如果标签不在读写器工作范围，我们并不关心是否重新上报及其成功与否，但其外在表现和普通碰撞一致，即无法收到读写器确认应答信号，本发明不作区分，并为方便处理，均认为是产生了碰撞。但由于我们设计的是杜绝碰撞的同步系统，加上静默期的存在，真正普通碰撞的概率是极小的，所以两次发送足够了。

更进一步的，为了进一步降低系统功耗，更主要的是当标签处在读写器附近的时候，应该尽量把时隙空闲出来以进一步降低可能的相互冲突。为此我们提出了静默期的概念，即当有源电子标签上报自身ID信息后收到读写器确认应答信号后，将进入静默期，不发送任何信号，静默期时间长度为静默期系数乘以周期T。

更进一步的，静默期系数为≥1的一个整数。在读写器收到标签上报ID等信息后，已获得被识别标签的所有信息，理论上不需要标签继续上报。静默期系数取值可较大，如果有的系统应用需要冗余的上报，静默期系数可以取一个较小的数。注意在静默期期间，标签不会上报信息，将不会收到确认应答信号，FLAG值将维持不变。

更进一步的，T_S时间计算公式为Ts=Tp/(2*Ct+Cr)*10⁶。

更进一步的，步骤（3）时间窗口搜索的宽度计算公式为W₁=2*Tp*Cr/(2*Ct+Cr)+T_b。

更进一步的，步骤（4）时间窗口搜索的宽度计算公式为：

W₂=Min{T,2*Tp*Cr/(2*Ct+Cr)*（R+1）+T_b}，

其中，Min为取最小值运算，Tp为保护时隙，T_b为广播时隙，Ct为有源电子标签时钟晶振的稳定度，Cr为读写器时钟晶振的稳定度，R为适时同步失败累计次数。

更进一步的，时间窗口搜索的宽度W₂≤周期T，这是因为适时同步失败后，适时同步失败累加次数R=R+1，且失败一次就会累加一次，R累加的程度不能使超过周期T，因为周期T时间内，若有源电子标签在读写器附近范围内，必然会收到一个广播信号。

更进一步的，在所有有源电子标签未达全同步的状态下，或有新标签加入的情况，标签发送的时隙有可能与广播信号有叠加，产生冲突，而使用相关检测可以可靠地捕获广播信号。因此本发明提出了相关检测的方法。广播信号设为固定的二进制序列，有源电子标签设有相同的本地二进制序列和其相关。因为接收到的广播信号和本地二进制序列具有强相关性，而接收到的其它信号与本地序列相关性较弱，当有源电子标签接收到的信号序列与本地二进制序列相关运算结果大于某个设定阈值，例如本地序列自相关运算值的一半则认为检测到广播信号；相关检测包含如下步骤：接收信号序列解调；接收信号序列与本地序列位异或运算；统计相同比特个数；与设定阈值的比较大小。

更进一步的，读写器为单个或通过主-从结构互联的多读写器结构。

有益效果：（1）本发明简洁高效，计算量小，总体功耗小，有源电子标签绝大部分时间休眠状态，偶尔处于发送状态，并以最低功耗做适时同步操作，有效降低功耗，节省电池能源。（2）本发明有源电子标签系统容量大，同步后碰撞概率和标签漏识别率理论上均为0，并且信息读写速度快，便于快速识别大量标签；另外统一了例外处理和不同状态下的适时同步处理，简化了系统状态机。（3）本发明提出了适时同步的方法，推导了适时同步的间隔，推导了适时同步的窗口大小，加大同步间隔，减小搜索窗口，降低电池消耗；同时定义一种静默期来产生空闲时隙并减少可能碰撞的几率并降低功耗。（4）本发明有源电子标签之间，以及有源电子标签和读写器之间无复杂控制，处于互盲状态，标签之间不知道其他标签信息甚至发送时隙，也不关心其他标签存在与否，但是处于有序依次通信状态，同时提出了一种可行的标签在线初始化方法，提高了有源电子标签系统的易用性。（5）本发明提出了一种广播信号相关检测的方法来可靠地捕获读写器的广播信号，提高了标签同步的可靠性。

附图说明

图1为标签的状态转移图。

图2为最佳标签识别示意图。

图3为信号时隙结构图。

图4为标签时钟漂移示意图。

图5为同步状态下的适时同步搜索窗口示意图。

图6为准同步状态下的适时同步搜索窗口示意图。

图7为信号碰撞后例外处理示意图。

图8为静默期产生的空闲时隙。

图9为读写器的分层同步结构图。

图10为读写器确认应答信号标志FLAG示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种有源电子标签防碰撞方法，有源电子标签防碰撞采用时钟同步的方法实现，所述时钟同步的方法包括如下步骤：

（1）未初始化状态：设置出厂的有源电子标签为未初始化状态，适时同步失败累计次数R初始值为0，读写器确认应答信号标志FLAG初始值为0；如图10所示，FLAG大的值仅在每次上报后有所改变，每当标签上报自身ID信息后，如果收到读写器确认应答信号，FLAG=1，否则FLAG=0；未初始化状态标签仅以时间T为周期周期性上报自身ID信息和接收读写器确认应答信号，其余时间休眠，当有源电子标签接收到读写器确认应答信号后（FLAG=1时），即认为周围有读写器，做首次同步操作，有源电子标签搜索读写器发出的周期为T的广播信号，并持续大于或者周期T的时间，以保证涵盖至少一个广播信号，首次同步比较耗能，仅在确认附近有读写器时才进行。标签的初始化非常方便，即将要使用标签放置于读写器旁一段时间即可与整个系统同步，对于偶尔单个的新标签甚至可以直接使用。当标签接收到广播信号后，完成首次同步并将标签状态设置为同步状态，进入步骤（2），否则保持未初始化状态。

（2）同步状态：由于晶振误差的存在，有源电子标签会出现时钟漂移，因此有源电子标签有必要每隔T_S时间进行适时同步处理以保持在同步状态。做同步操作时，标签处于接收状态，功耗较大，为减少不必要的适时同步操作，会先检查FLAG值是否为1以确认标签在读写器附近。为进一步降低功耗，在做适时同步时，我们将尽量减小处于接收状态的时间。因此我们以最近一次接收到的广播信号为基准对广播信号进行时间窗口W1搜索，且搜索窗口宽度小于周期T；当有源电子标签搜索到广播信号后完成适时同步，并再次进入步骤（2），如果搜索操作失败或者FLAG值为0，均认为适时同步失败，将标签状态设置为准同步状态，并将适时同步失败累计数R置为1（R初始值为0），然后进入步骤（3）。

（3）准同步状态：有源电子标签保持准同步状态T_S时间后再次进行适时同步处理，标签首先检查FLAG是否为1，如果为1，以最近一次接收到的广播信号为基准对广播信号进行时间窗口W₂搜索，且搜索窗口宽度≤周期T；当有源电子标签搜索到广播信号后，完成适时同步并将标签状态设置为同步状态，R置为0，并转入步骤（3），如果搜索操作失败或者FLAG=0，均认为适时同步失败，则递增适时同步失败累计数R=R+1，再次进入步骤（3）。

下面结合实例对本发明作详细介绍：

（1）系统模型

第一步，我们描述一下系统模型，并直接推导理论上的最佳系统。我们定义一个原生时隙单位Tn由上行原生时隙和下行原生时隙组成，

Tn=Tn_up+Tn_down。          （1）

其中标签往读写器发送数据的方向遵循移动通信的惯例，约定为上行（uplink），而读写器往标签的方向，约定为下行（downlink）。一个原生时隙结构及握手协议详情如下：

Tn_up：标签发送自身ID号或其他信息，

Tn_down：读写器收到标签发送信号后，向标签发送确认应答信号。

而碰撞的产生则是因为不论是上行原生时隙或者下行原生时隙发送时间内有其它标签发送信号，或者上行原生时隙内读写器发送信号，均造成冲突。

如果有S个标签，读写器如何最佳识别这些标签，可以如下直观地推导出来。可以想象如图2，如果标签有序地一个接一个以原生时隙为单位让读写器完成识别，这些标签各自的原生时隙之间没有重叠，也没有空余间隔，读写器将在最短时间内完成所有标签的识别，或者在固定时间内完成尽可能多标签的识别，以达到最大的系统容量。如果能实现这样完美的系统，可以预料其性能和容量将是最优的。即最优的防碰撞算法，相比先前提到的CSMA/CA，ALOHA或者二叉树算法，性能或者容量将会大幅提高。

本发明接下来将详细论述如何以最低复杂度以及最低功耗让读写器和标签工作在这样一种有序的状态下。我们先继续确定几个重要的设计参数。

如果标签周期性地上报自己ID或者其他信息的，让读写器完成识别，我们需要确定一下最大上报的间隔T，即上报周期允许的最大值。而在上报的原生单位时隙以外，标签处于低功耗的休眠状态。（读写器一般插交流电供电，不需要考虑功耗问题。）上报周期（间隔）越大，标签的功耗越低，依靠电池工作的时间越长。我们需要保证移动的标签处在读写器工作范围的这段时间内，至少要完成一次上报。假定标签能与读写器通信的工作范围为L（米），标签移动速度为v(米/秒)，则最大上报间隔

Tmax=L/v          （2）

考虑到万一有碰撞发生，又不想漏掉碰撞的标签，如果假定碰撞例外的最大处理时间为Te_max，则最大间隔要修正为

Tmax=L/v–Te_max。      （3）

实际工作中T取值必须要小于Tmax，并依据可靠性要求做相应减小。一般读写器（2.4G有源）工作半径最大可达100米，而运动中的标签处在能与读写器通信的路径长度一般为几十米。一般标签的移动速度，行人为几米/秒，而车辆为二三十米/秒，所以Tmax的典型值为3、4秒到几十秒。而Tn的典型值为1到1.5毫秒，所有标签都以T为周期不断地上报ID号，如果彼此之间能如图2所示一样有序工作，则在理想状况下，系统的极限容量为

Nc=Tmax/Tn         （4）

我们计算极限容量的可能最小值，T将取3秒，Tn取1.5毫秒，则系统的极限容量Nc=2000张标签。如果Tmax取6秒，容量将成倍增加。一般1000张卡的容量对于绝大部分应用场景是足够了。

为了使各标签之间能有序地上报各自的ID号，我们利用读写器发送广播信号，让各标签同步于广播信号，作为时间基准。以共同的时间基准，各标签在预先定义好的时隙中与读写器进行通信。图3所示的是当整个系统包括读写器和标签完全处于同步状态下时隙结构图，我们在原生时隙之间加上保护时隙Tp,并定义一个单位时隙为

Tu=Tn+Tp        （5）

Tu=Tb+Tp’           （6）

而对于广播时隙Tb，因为是单向从读写器到标签，一般

Tb<Tn,           （7）

Tp’>Tp          （8）

单位时隙0安排给广播信号，单位时隙1至N-1安排给标签使用。所有N个单位时隙组成一个周期T，并按T为周期重复。在收到广播信号后，以此时刻为基准，各标签再等待Tp’后按各自分配的时隙依次和读写器通信。

对于读写器，其工作流程非常简单，即一直处于接收状态，并定时地发送广播信号，如果成功接受到某个标签的上报信息，则立即发送确认应答信号。

（2）静默期

为了进一步降低系统功耗，更主要的是当标签处在读写器附近的时候，我们应该尽量把时隙空闲出来以进一步降低可能的相互冲突。为此引入原创的静默期的思路。通常，标签以T为周期不断地上报ID号或者其他信息。在标签成功上报自身ID信息并收到读写器确认信号后，系统已获得完整的上报信息，在接下来的一段时间内，标签将不再发送任何信号，将信道完全空出来，标签进入静默期。静默期为T的整数倍，为静默期系数G乘以T,即GT。示意图8中的静默期系数G为4。后面在碰撞例外的处理中，我们还要重新讨论静默期的作用。

（3）相关检测

我们应该尽量采用相关检测的方法来一次就获取广播的同步信号。在系统所有标签未达全同步的状态下，或有新标签加入的情况，标签发送的时隙有可能与广播时隙有重合，产生冲突，对可靠搜索到广播信号造成影响，而使用相关检测可以可靠地捕获广播信号。

相关检测的思想如下，假设读写器发送的广播信号为一已知二进制序列，我们用本地与之相同序列和其相关。若相关值大于某个阈值，我们判定检测到广播信号。即使广播信号被干扰，相关值也有一定强度，而对于一般非广播信号，因与本地信号不相关，相关值将接近于零。可以将本地序列和接收信号的采样值相关，也可以将本地序列与解调后的二进制序列相关。为方便描述，我们假定使用解调后序列。一般标签的MCU（Micro Control Unit）功能和计算能力较弱，相关检测的计算必须简洁而没有复杂的乘除计算，最好也没有条件判断来有利于保持流水线不被打断。我们知道，相关运算是本地序列与接收序列相乘累加，对于二进制序列，相关运算可以转换为统计本地和接受序列相同比特的个数的运算。为此，优化过后的处理流程如下：（1）接收信号解调后序列和本地序列（均16位）进行位异或运算；（2）统计相同比特的个数，即16减去相异比特的个数：（3）如果相同比特的个数大于设定阈值，则判定接收信号为广播信号。在我们实现的系统中，我们将阈值设为本地序列自相关运算值的一半，即序列长度的一半，若序列长度为16，即为8。广播信号采用唯一的二进制序列，此序列并不在系统其他任何地方使用，理论上采用相关检测后，广播信号捕获成功概率为100%。

（4）未初始化状态

在标签首次使用时，必须让标签与整个系统同步。为了避免在标签上加上硬的初始化reset按钮让其初始化并做首次同步。我们设计了如下原创的逻辑。首先，标签生产好后，状态设置为未初始化。标签仅仅周期性发送自己ID信息，并每次发送后根据是否收到应答信号对FLAG赋值（收到置位1，未收到置为0），其余时间休眠。仅当标签收到应答确认信号后，FLAG置为1，即认为周围有读写器，开始首次同步，如成功，即将标签状态设置为同步状态。首次同步要求标签处于接受状态并维持大于或者等于周期T的时间，以保证涵盖至少一个广播信号。注意首次同步比较耗能，我们仅在确认附近有读写器时才进行。如上所述，标签的初始化非常方便。即将要使用标签放置于读写器旁一段时间即可与整个系统同步。对于偶尔单个的新标签甚至可以直接使用。

（5）适时同步

我们引入原创的适时同步的概念。即试图以最小功耗和复杂度使系统中读写器和标签处于理想同步状态，因为标签时钟的误差，导致各标签之间不能维持在规定时隙内工作。即使各标签时钟为理想的，读写器的时钟也有误差，造成各标签的工作时隙漂移。为方便起见，我们假定各标签以及读写器的时钟晶振的稳定度分别为Ct ppm(百万分之，part per million)和Cr ppm，则时钟漂移产生的最坏情形如下图4所示，即前一个标签的时钟误差造成实际时隙向后移动，而后一个标签的时钟误差造成实际时隙向前移动。虽然各原生时隙之间有保护时隙Tp，可以想见一段时间以后，前后标签的原生时隙将有重叠，造成碰撞。在最坏情况下，经过Tp/(2*Ct)*10⁶（秒），我们必须让两个标签重新同步。两个标签如果同时重新同步，则读写器时钟的误差将不起作用。实际情况下，前后两个标签可能会先后同步，考虑到读写器的时钟也有误差，重新同步的间隔时间将会提前或滞后，最差情况下，提前而为

Ts=Tp/(2*Ct+Cr)*10⁶（秒）          （9）

我们计算一下Ts的典型值，假定Tp为3毫秒，Cr和Ct的晶振稳定度均为10ppm，则Ts=100秒。一般来说Ts远大于T。所以虽然广播信号以T为周期发送，我们并不是每个周期都做同步操作而是在必要时，即适时同步。做同步时，标签处于接收状态，功耗较大，如此我们降低了标签的电池消耗。为进一步降低功耗，在做维持同步状态的适时同步时，我们将尽量减小处于接收状态的时间。如图5所示，搜索读写器广播信号时，标签处于接收状态，我们只在上一次确定的广播信号时间的附近的一个窗口搜索。在适时同步间隔内，广播信号可能的最大时间漂移量为

Tbr=Ts*Cr=Tp*Cr/(2*Ct+Cr)         （10）

搜索窗口W₁=2Tbr+Tb。取上面的典型值，Tbr为1毫秒，而W₁为2毫秒。

下面对双时钟的问题给予澄清。对于有源电子标签，经常采用双时钟的设计。在休眠期间，系统由一个低频时钟维持，而发送或者接收时，系统处于正常工作状态，由一个高频时钟驱动。因为标签处于发送和接收期所占时间比例很小，累积的时钟偏移也很小。在式（9）和（10）中，Ct应该采用低频时钟稳定度值。

（6）准同步状态

在同步状态，即使采用了相关检测，适时同步也有例外没有成功，标签将进入准同步状态，并延时Ts时间后重新适时同步。我们简化了状态机，不管标签处于同步或者准同步状态，也不管前一次适时同步成功与否，我们均以Ts为周期进行同步尝试。如果适时同步成功，将置R=0，返回同步状态。

我们要注意的是不管是首次同步还是适时同步，其前提条件都是要确认该标签在读写器附近，这是通过检查FLAG值是否为1知悉的。适时同步失败累计数增加一次，广播信号的模糊性就增大Tbr，必须把准同步状态下适时同步的搜索窗口宽度递增Tbr，我们定义

Tsc=（R+1）*Tbr        （11）

W₂=Min{T,2Tbr*(R+1)+T_b}          （12）

标签将在提前Tsc和滞后Tsc的窗口W₂搜索广播信号，如图6所示。未搜索到广播信号，或者不在读写器附近而未做同步操作，将对R的值递增，但W₂最大值不超过T，因为周期T内，可以保证含有一个广播信号。

W₁只是当R=0时的W₂的一个特例，在实际系统实现中，我们可以不区分同步状态和准同步状态，统一以Ts为间隔，以W₂为窗口搜索广播信号，程序将非常简洁高效。

（7）碰撞例外处理

我们提出的防碰撞算法在系统完全同步后，理论上将没有任何碰撞。如果标签未能同步，或因为某种其他原因，也有碰撞的可能。只有上行和下行信号均没有受到干扰时，才没有碰撞的现象。实际上我们认为只有标签收到读写器的确认信号，才为没有碰撞，否者就认为发生了碰撞。不过如果标签不在读写器工作范围，也不会收到确认信号。实际上这两种情况的表现一致，我们并不作区分，均认为是产生了碰撞。（为了在运行时间实时判定是否在读写器附近，惟一可靠的办法只有实时监听读写器发送的广播信号，而这需要标签经常处于接受状态，将消耗电能。我们不使用监听方式，所以实际上也无法区分这两种情况。）

我们提出按如下方法处理碰撞例外，发生碰撞后，标签将延时一个随机数时间Te重新上报信息（Te的最大值即Te_max小于T，即重发必须再下次正常周期性发送前完成），如图7所示。当有源电子标签重新上报，仍没有收到读写器确认应答信号，将不作任何处理。为了降低功耗，这里我们限制重传次数为1，如上所述，分两种情况讨论。

第一种情况，标签不在读写器工作范围。这种情况无所谓碰撞，我们在T周期内进行两次发送，因无应答信号，均判定为发生碰撞。（一次在其规定时隙正常发送，一次随机延时后重发）。这种情况下，我们是可以停止发送以节能，但这需要我们在每个周期T内在一定搜索窗口去试图接收广播信道以实时判定在不在读写器工作范围。一般标签所用的芯片的接收和发射功耗大致相同，所以每个周期两次简单发送的策略的耗电，与每个周期都耗电去搜寻广播信号的策略相比的话将相当或少得多。同时，这种策略逻辑上非常简单并与普通碰撞例外处理一致，易于实现。并且，如果去搜寻广播信号，以此来不发上报信号和重传信号，也有可能造成标签的漏读取，因为广播信号也有未被成功检测的可能性。

第二种情况，标签处于读写器工作范围。因为静默期的缘故，即使所有标签处于读写器工作范围，平均下来，约G/(G+1)的时隙是空闲的。如果G取4的话，80%的时隙是空闲时隙。实际工作中，不可能所有标签均在读写器工作范围，这意味这空闲时隙的比例会更高。如图8所示。因为有静默期存在，一个标签发送的时隙周围很有可能是空闲时隙，并且我们是一个同步的系统，碰撞例外的几率是极其低的（理论上碰撞概率为0，为描述方便，假设碰撞的概率=P1,为一个很小的值）。因为大量时隙是空闲的，等待随机时间后重发碰撞的概率也是很低的（假设重发碰撞的概率为P2，当G取4的时候，P2≤0.2）。如果两次发送均产生碰撞，将造成标签的漏读取，其概率为P1*P2，两个很小的数的乘积，将为极小的一个值。

强调一下，我们的方法本质上是依靠让所有标签同步起来有序发送来防止碰撞，而不是用例外处理来防止碰撞。

（8）多读写器情形

以上我们描述的是单读写器的情形，这里略微描述一下多读写器的情形。若有多个读写器，标签的工作机制维持不变，读写器同样也是维持不变，也用同样的时隙结构。也就是标签在不同读写器附近时，也在相同时隙与相应读写器通信，如图9所示。

为此我们需要将多个读写器依次同步起来。我们可以设其中一个为主（Master）读写器，其余为从（Slave）读写器。唯一额外的工作就是，每个周期从读写器（Slave）都检测一下读写器的广播信号，与之做下同步。而读写器一般均采用交流电供电，所以不用考虑功耗问题，并且可以适当加大主读写器的广播信号的发射功率。不同读写器使用不同的广播序列。图9描述的是多层同步架构（这里是2层），每个周期，第一层从读写器（Slave_L1）与主读写器同步，而第二层从读写器（Slave_L2）与主读写器相距较远，将与相应的第一层从读写器（Slave_L1）同步。因为读写器之间的同步非常频繁，每个周期都进行一次，所有读写器之间我们都认为是精确同步的。因为采用了相关检测，标签将接受序列与本地存放的各个读写器序列分别做相关，并选相关值最大者与之做同步操作，所以实际上每个标签是与其最近的读写器，也是广播信号最强的读写器做适时同步的。

（9）实际系统验证

本说明书描述的防碰撞方法在实际系统中实现并得以验证。我们采用Nordic的24L01系列芯片,设计参数如下，Tn=1.2毫秒，Tp=1.8毫秒，T=3秒，N=1000。实际测试中1000张标签，在3秒内全部读取完毕，并能长时间稳定工作，没有任何碰撞。实际上我们提出防碰撞方法的实际参数均按最差情形计算，有很大设计余量。在测试中，我们压缩Tp的长度，系统可以稳定工作在1200张标签的情况下。业内的有源标签产品，性能最好产品可以同时读取200张卡，经我们实测，实际容量要约为140张左右，需要10多秒的时间完成读取，并且碰撞频繁。

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来说，在不脱离本发明原理的前提下，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的保护范围。

Claims (9)

1.一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述的有源电子标签防碰撞采用时钟同步的方法实现，所述时钟同步的方法包括如下步骤：

（1）未初始化状态：将有源电子标签出厂设置为未初始化状态，读写器确认应答信号标志FLAG初始值为0，适时同步失败累计次数R初始值为0；标签以时间T为周期上报自身ID信息，且每次上报后检查是否收到读写器确认应答信号，若收到，置FLAG=1，否则置FLAG=0并保持未初始化状态；当FLAG=1时，标签以时间T为搜索窗口宽度搜索读写器发出的广播信号，若标签搜索成功，完成首次时钟同步，并将标签状态设置为同步状态，进入步骤（2）；若标签搜索不成功，标签保持未初始化状态；

（2）同步状态：有源电子标签保持同步状态T_S时间后，检查FLAG值，当FLAG=1时，以上一次收到的广播信号时间为基准对广播信号进行时间窗口搜索，且搜索宽度为W₁，若搜索成功，则完成适时同步操作，重复执行步骤（2）；若搜索不成功，即适时同步不成功，置适时同步失败累计次数R=1，进入步骤（3）的准同步状态；当FLAG=0时，适时同步同样不成功，置适时同步失败累计次数R=1，进入步骤（3）；

（3）准同步状态：有源电子标签保持准同步状态T_S时间后，检查FLAG值，当FLAG=1时，以上一次收到的广播信号时间为基准对广播信号进行时间窗口搜索，且搜索宽度为W₂，若搜索成功，完成适时同步操作，将标签状态设置为同步状态，置适时同步失败累计次数R=0，跳转入步骤（2）；搜索不成功，置适时同步失败累计次数R=R+1，重复执行步骤（3）；当FLAG=0时，适时同步同样不成功，置适时同步失败累计次数R=R+1，重复步骤（3）；

其中，在步骤（1）的未初始化状态、步骤（2）的同步状态、步骤（3）准同步状态进行过程中，有源电子标签还以时间T为周期将自身ID信息上报给读写器。

2.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：该方法还包括：所述步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）中，当有源电子标签上报自身ID信息后没有收到读写器确认应答信号，将延时一个随机数时间Te后重新上报，且随机数时间Te小于周期T；当有源电子标签重新上报，仍没有收到读写器确认应答信号，将不作任何处理；

当有源电子标签上报自身ID信息并收到读写器确认应答信号后，将进入静默期，不发送任何信号，静默期时间长度为静默期系数乘以周期T，静默期时间为周期T的整数倍。

3.根据权利要求2所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述静默期系数≥1，且静默期系数为整数。

4.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（3）中，T_S时间的计算公式为Ts=Tp/(2*Ct+Cr)*10⁶，

其中，Tp为保护时隙宽度，Ct为有源电子标签时钟晶振的稳定度，Cr为读写器时钟晶振的稳定度。

5.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述步骤（2）中，时间窗口搜索宽度W₁计算公式为W₁=2*Tp*Cr/(2*Ct+Cr)+T_b，

其中，Tp为保护时隙宽度，T_b为广播时隙宽度，Ct为有源电子标签时钟晶振的稳定度，Cr为读写器时钟晶振的稳定度。

6.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述步骤（3）时间窗口搜索宽度W₂计算公式为W₂=Min{T,2*Tp*Cr/(2*Ct+Cr)*（R+1）+T_b}，

其中，Min为取最小值，Tp为保护时隙宽度，T_b为广播时隙宽度，Ct为有源电子标签时钟晶振的稳定度，Cr为读写器时钟晶振的稳定度，R为适时同步失败累计数。

7.根据权利要求6所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述步骤（3）时间窗口搜索的宽度W₂≤周期T。

8.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述广播信号为固定的二进制序列，所述有源电子标签设有与广播信号一致的本地二进制序列，当有源电子标签接收到的信号序列和本地二进制序列具有强相关性时，判定有源电子标签接收到的信号序列为广播信号。

9.根据权利要求1所述的一种有源电子标签防碰撞方法，其特征在于：所述读写器为单个读写器或通过主-从结构互联的多读写器结构。

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