CN103400093A - 一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别领域，尤其涉及一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法及装置，本发明预先测量射频阅读器与射频标签之间的信道质量参数，并根据预设的相对误差参数和可靠性参数，对射频标签集合进行多次问答，通过统计每帧中前f个时隙中零时隙的数目，完成标签数目的匿名估计过程，该发明充分考虑了信道质量情况，且射频标签数目的估计精度可控，能达到用户指定的任意的精度。

Description

一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法及装置

技术领域

本发明涉及射频识别领域，尤其涉及一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法及装置。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification）技术在供应链管理等诸多领域得到了广泛使用，射频识别技术在减少物流成本的同时，也大大加快了供应链管理中的货物处理速度，在标准的射频识别协议中，通常是标签等待射频阅读器的指令，然后将自己的唯一标志符或其他信息回复给射频阅读器，从而完成射频阅读器的信息搜集和进一步处理的需求，这样的方式中，都需要显式地处理标签的隐私数据，这样会对货物管理，物品追踪等应用带来一些安全威胁。同时，近来许多射频识别系统的测量研究表明，射频标签和射频阅读器之间的通讯时非常不稳定的，不同的标签大小、阅读距离、周围环境干扰、通信频率以及射频阅读器的类型等都是能够对通信质量造成较大的影响；而且，即使在同样的射频阅读器发射功率、射频阅读器对于不同的标签在不同的频率下的读取速率也是差别非常大的，但是，遗憾的是目前还没有将这些影响射频阅读器和标签之间通信质量因素的模型。

射频标签数目估计是大规模射频识别系统应用中的基本功能之一，射频标签数目估计能够根据用户的任意对估计结果的精度需求，给出一个接近真实值的有效估计，该类估计方法可以用于统计货物总量的变化，会议的参加人数及人流统计等诸多功能；但是，基于目前射频阅读器和标签之间通信的不稳定性，射频标签数目估计遇到了一定的挑战，因此，如何设计一种能够有效对射频阅读器和标签之间的不稳定信道建模，并在标签数目估计方法中充分考虑这个模型因素所造成的影响，并最终得到正确的标签数目估计是一个非常具有挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法及装置，能够在不稳定信道下快速估计射频标签的数目，且精度较高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，包括：

步骤a、测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

步骤b、预设相对误差参数β、可靠性参数α；

步骤c、根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

步骤d、随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

步骤e、重复n次步骤d，得到n个Z_i，计算得到平均值

步骤f、根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计值公式为： $\hat{t}=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f).$

其中，步骤a具体为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

其中，步骤c具体为：

计算得到置信参数

其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，

其中，β>0，0<α<1。

其中，平均值Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布：

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}});$

又因为μ_y是自变量为t的单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，从而可得到： $\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f);$

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}};$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}.$

其中，问答模式通讯具体为：

射频阅读器向所有射频标签发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；

所有射频标签收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在

之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记Z_i为本轮问答模式通讯中零时隙的数目。

一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，包括：

测量单元，用于测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

预设单元，用于预设相对误差参数β、可靠性参数α；

计算单元，用于根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

问答单元，用于随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

循环单元，用于重复运行n次问答单元，得到n个Z_i，计算得到平均值 $Y=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{Z}_i}{n};$

估计单元，用于根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计，其公式为：

其中，预设单元工作方法为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

其中，问答单元计算方法为：

计算得到置信参数

其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，

其中，β>0，0<α<1。

其中，循环单元得到的平均值Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布：

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}});$

又因为μ_y是自变量为t的单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，从而可得到： $\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f);$

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}};$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}.$

其中，问答单元工作流程为：

射频阅读器向所有射频标签发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；

射频标签集合收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记Z_i为本轮问答模式通讯中零时隙的数目。

本发明的有益效果为：一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，包括：测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；预设相对误差参数β、可靠性参数α；计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i；重复n次，得到n个Z_i，计算得到平均值

射频标签数目估计值公式为：

本发明预先测量射频阅读器与射频标签之间的信道质量参数，并根据预设的相对误差参数和可靠性参数，对射频标签集合进行多次问答，通过统计每帧中前f个时隙中零时隙的数目，完成标签数目的匿名估计过程，该发明充分考虑了信道质量情况，且射频标签数目的估计精度可控，能达到用户指定的任意的精度。

附图说明

图1是本发明实施例一不稳定信道下的射频标签数目估计方法流程图；

图2是本发明实施例二不稳定信道下的射频标签数目估计装置结构图。

具体实施方式

下面结合图1及图2并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

图1是本发明实施例一不稳定信道下的射频标签数目估计方法流程图。

一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，包括：

步骤a、测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

步骤b、预设相对误差参数β、可靠性参数α；

步骤c、根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

步骤d、随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

步骤e、重复n次步骤d，得到n个Z_i，计算得到平均值

步骤f、根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计值公式为： $\hat{t}=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f).$

在本实施例中，首先测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，再根据预设的相对误差参数β和可靠性参数α，对射频标签集合进行多次问答，保证了射频标签数目的估计精度；且因为是通过统计每帧中前f个时隙中零时隙的数目，未涉及射频标签的具体信息，保证了射频标签的隐私数据，减少了射频标签对应的货物的安全威胁。

在本实施例中，所述问答轮次n即为问答模式通讯的次数。

在本实施例中，步骤a具体为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

为使结果更加准确，整个问答过程通常进行多轮，问答轮次数目为n，记Z_i为第i轮中，前f个时隙中零时隙的数目，n轮平均值记为

n轮次的具体数目，取决于用户的精度需求：相对误差参数β>0和可靠性参数0<α<1，设射频标签数目估计值为

那么它满足以下公式：

$\mathrm{Pr}[\frac{\hat{t}}{t}\&Element;(1-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2},1+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2})]\&GreaterEqual;1-\mathrm{\&alpha;}$

它表示，射频标签数目估计值

与射频标签真实数目t的比值在

区间内的概率不小于1-α。

假设1次问答后，射频阅读器得到的零时隙的数目记为Z₀，可以知道Z₀这个随机变量服从均值为μ₀，方差为的正态分布，其中

${\mathrm{\&mu;}}_0=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_0^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}})$

假设整个问答过程重复n次，那么将产生n个Z_i值以及射频标签数目估计值

又因为

可以知道Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布，其中

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}})$

又可以知道μ_y是自变量为t的函数，这个函数是一个单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，因此我们得到射频标签数目估计值

的公式为：

$\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f)$

其均值为：

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}}$

其方差为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}$

在本实施例中，步骤c具体为：

计算得到置信参数

其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，其中，β>0，0<α<1。

在本实施例中，问答模式通讯具体为：

射频阅读器向射频标签集合发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；在本实施例中，随机生成的种子s为一个随机整数，用于触发问答模式通讯。

射频标签集合收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记Z_i为本轮问答模式通讯中零时隙的数目，假设射频标签集合的真实数目为t，那么装载指数为

实施例二

图2是本发明实施例二不稳定信道下的射频标签数目估计装置结构图。

一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，包括：

测量单元，用于测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

预设单元，用于预设相对误差参数β、可靠性参数α；

计算单元，用于根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

问答单元，用于随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

循环单元，用于重复运行n次问答单元，得到n个Z_i，计算得到平均值 $Y=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{Z}_i}{n};$

估计单元，用于根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计，其公式为：

在本实施例中，预设单元工作方法为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

在本实施例中，问答单元计算方法为：

计算得到置信参数其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，

其中，β>0，0<α<1。

在本实施例中，循环单元得到的平均值Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布：

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}});$

又因为μ_y是自变量为t的单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，从而可得到： $\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f);$

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}};$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}.$

在本实施例中，问答单元工作流程为：

射频阅读器向射频标签集合发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；

射频标签集合收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在

之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记Z_i为本轮问答模式通讯中零时隙的数目。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何结构解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施结构，这些结构都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，其特征在于，包括：

步骤a、测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

步骤b、预设相对误差参数β、可靠性参数α；

步骤c、根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

步骤d、随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

步骤e、重复n次步骤d，得到n个Z_i，计算得到平均值

步骤f、根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计值公式为： $\hat{t}=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f).$

2.根据权利要求1所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤a具体为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述步骤c具体为：

计算得到置信参数

其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，

其中，β>0，0<α<1。

4.根据权利要求1所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述平均值Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布：

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}});$

又因为μ_y是自变量为t的单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，从而可得到： $\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f);$

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}};$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}.$

5.根据权利要求1所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计方法，其特征在于，所述问答模式通讯具体为：

射频阅读器向射频标签集合发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；

射频标签集合收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记录本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i。

6.一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，其特征在于，包括：

测量单元，用于测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数，统计得到射频标签对射频阅读器成功回复的概率密度函数f_R的均值μ和方差σ²；

预设单元，用于预设相对误差参数β、可靠性参数α；

计算单元，用于根据所述相对误差参数β、可靠性参数α、均值μ和方差σ²计算得到最优持续概率q、最优帧长度f、问答轮次n；

问答单元，用于随机生成种子s，根据所述最优持续概率q和所述最优帧长度f进行问答模式通讯，得到本轮问答模式通讯中零时隙的数目Z_i，其中，0<i≤n；

循环单元，用于重复运行n次问答单元，得到n个Z_i，计算得到平均值 $Y=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{Z}_i}{n};$

估计单元，用于根据所述均值μ、所述最优持续概率q、所述最优帧长度f和所述平均值Y，获得与所述射频阅读器和所述射频标签之间的信道质量相关的射频标签数目估计，其公式为：

7.根据权利要求6所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，其特征在于，所述预设单元工作方法为：

假设射频标签的位置服从一个w(x,y)的空间分布，其中，(x,y)为空间位置坐标，P(x,y)为射频标签在(x,y)这一空间位置能够与射频阅读器成功通讯的概率函数，设F_R为射频标签在所有可能空间位置上对射频阅读器成功回复的累积分布函数，其对应的概率密度函数为f_R，则 $F_R={\&Integral;}_0^p{f}_R\left(p^{\&prime;}\right)d{p}^{\&prime;}={\&Integral;\&Integral;}_{P(x,y)\&le;p}w(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中，f_R的均值μ和方差σ²可通过测量射频阅读器与射频标签之间的信道的质量参数得到。

8.根据权利要求6所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，其特征在于，所述问答单元计算方法为：

计算得到置信参数

其中，erf为高斯误差函数， $\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-z^2}\mathrm{dz},$ 其中z为任意变量；

为保证至少存在一个零时隙的概率不小于1-α，得到公式1：

(1-e^-ρμq)^f=1-α；

为保证结果概率区间的对称性，得到公式2：

$\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_l}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_l^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_l}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}}=\frac{(\frac{e^{\mathrm{\&mu;q}{\mathrm{\&rho;}}_u}-1}{{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2{\mathrm{\&rho;}}_u^2}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}(1+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}))}{\frac{f{\mathrm{\&beta;}}^2}{4Z_{\mathrm{\&alpha;}}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_u}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}};$

由公式1及公式2求解可计算得到最优持续概率q、最优帧长度f；

所述问答轮次n的计算公式为：

其中，

t_l为射频标签数目下限，t_u为射频标签数目下限，记r=t_l/t_u，其中，β>0，0<α<1。

9.根据权利要求6所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，其特征在于，所述循环单元得到的平均值Y服从均值为μ_y，方差为

的正态分布：

${\mathrm{\&mu;}}_y=f{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}},{\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{t{q}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e^{2\mathrm{\&rho;q\&mu;}}}+\frac{f}{n}{e}^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}}(1-(1+q^2\mathrm{\&rho;})e^{-\mathrm{\&rho;q\&mu;}});$

又因为μ_y是自变量为t的单调函数，所以它必然存在一个反函数g(μ_y(t))=t，从而可得到： $\hat{t}=g\left(Y\right)=-\frac{f}{\mathrm{\&mu;q}}\log (Y/f);$

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gy}}=E\left[g\left(Y\right)\right]=t+\frac{(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{2\mathrm{n\&mu;q}};$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{gy}}^2=\mathrm{Var}\left[g\left(Y\right)\right]=\frac{t{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&mu;}}^2}+\frac{f(e^{\mathrm{\&rho;\&mu;q}}-(1+\mathrm{\&rho;}{q}^2({\mathrm{\&mu;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2)))}{n{\mathrm{\&mu;}}^2{q}^2}.$

10.根据权利要求6所述的一种基于不稳定信道的射频标签数目估计装置，其特征在于，所述问答单元工作流程为：

射频阅读器向射频标签集合发送问讯指令，所述问讯指令包括随机生成的种子s、最优持续概率q和所述最优帧长度f；

射频标签集合收到问讯指令后，结合每个射频标签的唯一标志符在之间生成一个随机数RNG,射频标签的回复过程是一个时隙的长为

的帧，每个射频标签在自己生成的第RNG个时隙向射频阅读器进行回复，射频阅读器从第一个时隙开始识别时隙的类型，如果该时隙没有标签回复，标记为0，称之为零时隙，如果该时隙有一个或多个标签回复，标记为X，称之为非零时隙，扫描到第f个时隙停止，记Z_i为本轮问答模式通讯中零时隙的数目。