CN103455783B - 一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法 - Google Patents

一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于RFID系统中的基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法，本方法基于返回式动态搜索树防碰撞方法为基础。为减少询问次数，提出了“一问两答”询问方式，即碰撞标签根据最高碰撞位比特分别在第一个时隙或第二个时隙响应；为减小询问命令长度，用计数器替代标签中的前缀匹配电路，不再需要前缀作为询问命令的标识参数；预测识别可在只有一个碰撞比特时识别两个标签；标签屏蔽机制可避免对已成功识别的标签再次进行识别。本发明可解决识别过程中因询问次数过多、询问命令过长而产生大量冗余数据导致通信开销过大的问题。

Description

一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法
技术领域
本发明涉及一种物联网的技术，具体涉及一种用于RFID系统中的标签防碰撞方法。
背景技术
射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)是物联网的核心技术，任何物体包括人都可以用电子标签进行唯一标识，成为物联网中的一个节点。电子标签放置在被识别对象上，是RFID系统真正的数据载体，存储了需要被识别和交换的数据。通常电子标签处于休眠状态，标签进入阅读器识别域时会产生感应电流，从而获得能量，标签利用这些能量将反馈信息调制后发送回阅读器，以达到识别并交换数据的目的。RFID系统工作的时候，当多个电子标签在同一个阅读器的识别域内共享信道向阅读器发送数据的时候，就会出现信号干扰，这种干扰被称为碰撞。其结果将会导致数据传输的失败，同时增加识别延迟，带来带宽和能量浪费。为完成对标签信息的正确读取，阅读器必须使用防碰撞算法。
目前，考虑到实现的复杂度和成本等因素，其中时分多址(TDMA)是解决RFID系统碰撞问题的常用方法之一。基于TDMA的防碰撞算法主要有两大类:一类是基于ALOHA协议的算法；另一类是基于树型的算法。虽然基于ALOHA协议的算法对标签硬件的要求较低，但它们的吞吐率低（不超过36.8%），并会出现“标签饥饿”问题（即：某个标签可能一直与其他标签碰撞而无法被识别）。然而树型算法不仅吞吐率高，且不存在“标签饥饿”问题。目前树型算法主要有分裂树、查询树、搜索树、逐位识别树等，其中搜索树算法因采用了曼彻斯特编码，可由译码结果确定接收ID中每个碰撞比特的准确位置。因此，阅读器可根据最高位碰撞比特的位置(最高碰撞位)，设置询问条件，使得每次询问都会有标签响应，使得搜索树算法避免了因空时隙带来的时间开销。
搜索树算法是以标签的唯一ID为基础，阅读器按照递归的工作方式不断询问标签ID。阅读器通过曼彻斯特译码确定接收ID中的最高位碰撞比特，据此设置下一个询问条件，将碰撞标签分为两组。这些分组越来越小，直到分组下只有一个标签响应，阅读器便可识别此标签。二进制搜索树算法以与标签ID等长的参考序列作为询问命令的参数，初值为全比特‘1’，ID小于或等于该参数的标签响应询问命令。通过不断将参数对应最高碰撞位的比特置‘0’，来达到逐步分组碰撞标签的目的。动态二进制搜索树算法将每次接收ID的最高碰撞位之前序列的低位填‘0’比特后作为下次询问命令的参数，ID与此参数匹配的标签则将ID的其余低位部分作为响应。返回式动态搜索树算法在动态二进制搜索树的基础上进行了改进，在阅读器中设置一个“栈”，检测到碰撞后将每次接收ID的最高碰撞位之前的序列作为前缀存入“栈”中。成功识别一个标签后，抛出“栈”顶的前缀作为下一个询问命令的参数。该算法通过这种后退式策略降低了询问次数，提高了吞吐量，但询问过程仍产生大量冗余数据，导致通信开销过高。
发明内容
针对现有基于搜索树的标签防碰撞技术在询问过程中因询问次数过多、询问命令过长产生大量冗余数据，导致通信开销过大的问题，本发明提供一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法。通过“一问两答”询问方式、计数器“触发开关”、预测识别和标签屏蔽机制可大大减少询问过程中产生的冗余数据。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法，包括步骤：（1）标签预留一个存储区，储存已识别标签的阅读器的序列号RID，阅读器扫描标签时，首先发送以该序列号RID为参数的初始化命令，标签将初始化命令中的RID与存储的RID进行比较，若相同，则进入静默状态不再响应，若不相同，标签用初始化命令中的RID替换存储器中的RID并将计数器初始化为0，发送完整ID信号作为响应；（2）阅读器对接收的ID信号经曼彻斯特译码后，确定最高碰撞位χ，发送以最高碰撞位为标识参数的询问命令；（3）最高碰撞位比特为‘0’的碰撞标签首先在第一个时隙响应，最高碰撞位比特为‘1’的碰撞标签在第二个时隙响应；（4）将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，用计数器作为标签响应的“触发开关”，计数器初值为0，若在第一个时隙未成功识别标签，除等待第二个时隙响应的标签外，所有标签的计数器加1，若在第二个时隙成功识别标签，则所有标签的计数器减1；（5）阅读器对接收的ID信号经曼彻斯特译码后逐位识别出碰撞比特，确定碰撞比特数目。
进一步包括：计数器为0的标签检查ID信号的第χ位比特，若为比特‘0’，标签在第一个时隙发送ID的第χ位之后的低位部分作为响应，若为比特‘1’，则等待第一个时隙结束后在第二个时隙发送ID的第χ位之后的低位部分作为响应。若第一个时隙存在碰撞，则阅读器将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，标签计数器加1，若在第二个时隙识别标签，阅读器首先检查存储前缀的“栈”是否为空，若不为空，抛出“栈”顶存放的前缀与最高碰撞位χ，并发送以此最高碰撞位为标识参数的后退询问命令，标签计数器减1后为0的标签响应，若为空，阅读器再次发送以该阅读器的RID为参数的初始化命令，进行第二次扫描，二次扫描后，若没有标签响应，结束识别。步骤（5）进一步包括：若没有碰撞比特，则直接识别该标签，若只有一个碰撞比特，可预测识别两个标签，预测识别的两个标签ID的碰撞位比特分别为‘0’和‘1’。
与现有基于搜索树的多标签防碰撞技术相比，本发明采用“一问两答”询问方式利用碰撞标签ID在最高碰撞位比特，让碰撞标签根据该位比特分别在两个不同时隙响应。这种询问方式不仅可将碰撞标签分为两组，而且这两组标签的响应也只需一次询问，这使得阅读器发送的总询问命令数减半，大大降低了因询问命令过多而带来的通信开销。本发明用计数器替代“触发开发”，使得询问命令不再需要将前缀作为询问命令的参数，仅需将最高碰撞位作为询问命令的参数，降低了因询问命令过长而带来的通信开销。避免对已成功识别的标签再次进行识别，简单的预测识别不仅减少了标签的响应时隙数，提高了吞吐率，而且也节省了对这两个标签的询问而带来的通信开销。
附图说明
图1本发明采用的“一问两答”询问方式示意图；
图2移动阅读器应用场景举例；
图3本发明标签防碰撞方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明基于返回式动态搜索树方法的改进提出一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法。本方法从阅读器询问次数、询问命令长度、响应时隙数三方面进行了改进，提出了“一问两答”询问方式、计数器“触发开关”、预测识别和标签屏蔽机制，进一步减少了询问过程中产生的冗余数据。
A.“一问两答”询问方式：减少阅读器询问次数。对于所有碰撞标签的ID，最高碰撞位之前的高位序列是相同的，只是最高碰撞位比特分别是‘0’或‘1’。利用这一特点，本发明提出了一种“一问两答”询问方式。当阅读器检测到碰撞并发送询问命令后，ID最高碰撞位比特为‘0’的碰撞标签首先在第一个时隙响应，ID最高碰撞位比特为‘1’的碰撞标签等待第一个时隙结束后在第二个时隙响应。这种“一问两答”询问方式不仅可将碰撞标签分为两组，且这两组标签的响应也仅需一次询问。
图1为“一问两答”询问方式举例。若某个时隙有四个标签响应(如图中Tag1、Tag2、Tag3、Tag4)。阅读器对接收信号进行曼彻斯特译码后，如得到的ID为1011XXX0(X为碰撞比特)。由此，阅读器可知这四个标签ID高位的前4比特相同（即1011），最高碰撞位为第3位（ID的表示形式为D7D6D5D4D3D2D1D0）。于是阅读器在下次询问时，只要求ID前4比特为1011的标签根据其最高碰撞位在对应时隙响应。Tag1和Tag2的ID的第3位（最高碰撞位）比特为‘0’,因此它们在第一个时隙响应；Tag3和Tag4的ID的第3位比特为‘1’,因此它们在第二个时隙响应。因为阅读器已识别这4个标签ID高位的前4比特，所以标签在响应时只需发送最高碰撞位之后的比特（如Tag1的响应为010）。
B.计数器“触发开关”，减少询问命令的参数长度。为减少询问命令的参数长度，本方法将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，只将最高碰撞位作为询问命令的参数，用计数器替代前缀匹配电路作为标签响应的“触发开关”。计数器初值为0，计数器为0的标签才能响应询问命令，计数器不为0的标签处于等待状态。
每个标签设置一个计数器且初始值为0，在询问识别过程中，若在第一个时隙未成功识别标签，除等待第二个时隙响应的标签外，所有标签的计数器加1；若在第二个时隙成功识别标签，则所有标签的计数器减1。计数器为0的标签才能响应询问命令，计数器不为0的标签则处于等待状态。
标签中的计数器，不仅替代前缀匹配电路作为标签响应的“触发开关”，也为标签跟踪前缀在阅读器“栈”中的深度，保持响应标签的ID与出“栈”的前缀相匹配，使阅读器在接收到标签发回的ID最高碰撞位之后的低位序列后，与出“栈”的前缀可组成一个完整的ID序列。在识别过程中，阅读器检测到碰撞并发送询问命令后，碰撞标签分别在对应时隙响应。第一个时隙若发生碰撞，将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，并发送计数器命令（counter），除等待第二个时隙响应的标签外所有标签的计数器加1。第二个时隙若发生碰撞，将新的最高碰撞位作为询问命令的参数继续询问（询问命令为query）。第二个时隙若成功识别标签，抛出“栈”顶存放的前缀与最高碰撞位，将最高碰撞位作为询问命令的参数进行后退式询问。后退式询问时发送的询问命令为re-query，所有标签的计数器先减1，计数器减1后为0的标签在对应时隙响应。因此，计数器的变化规律为：在第一个时隙，若有前缀入“栈”，计数器加1；在第二个时隙，若有前缀出“栈”，计数器减1。
C.预测识别：节省对某些标签的询问。阅读器对接收的ID信号经曼彻斯特译码后可逐位识别出碰撞比特，确定碰撞比特数目。若没有碰撞比特，则直接识别该标签；若只有一个碰撞比特，可预测识别两个标签，否则继续根据最高碰撞位进行询问。可预测识别的两个标签ID的该位比特分别为‘0’和‘1’，不必再对这两个标签进行询问。因为仅有一个碰撞比特时，一定是两个标签发生了碰撞，且这两个标签ID的该位比特分别为‘0’和‘1’。例如，接收的ID为101011X0(X为碰撞比特),那么这两个标签的ID即为10101100和10101110。
D.标签屏蔽机制：避免对已成功识别的标签再次进行识别。
标签预留一个存储区，储存已识别该标签的阅读器的序列号（RID）。阅读器扫描标签时，首先发送以该阅读器的RID为参数的初始化命令（initial）。收到该命令后，标签将命令中的RID与存储的RID进行比较。若相同，则进入静默状态不再响应；若不同，则用接收的RID替换原存储的RID，并在初始化计数器后进行响应。
移动阅读器应用中，阅读器扫描完某一区域的标签后，可能会扫描另一个新区域的标签。若这两个区域的重叠部分存在标签，它仍会扫描已被识别的标签（如图2）。为避免再次询问已被识别的标签，本文引入一种标签屏蔽机制。标签预留一个存储区，储存已识别该标签的阅读器的序列号（RID）。阅读器扫描标签时，首先发送以该阅读器RID为参数的初始化命令（initial）。收到该命令后，标签将命令中的RID与存储的RID进行比较，若相同，表明它已被该阅读器识别，则进入静默状态不再响应；若不同，表明它未被该阅读器识别，则用接收的RID替换原存储的RID，并初始化计数器后进行响应。通过该方法可屏蔽已被识别的标签，减少对已被识别的标签再次识别而带来的通信开销。
为防止在识别过程中到达的标签不能被识别，在一次扫描后进行二次扫描。因为搜索树算法的询问次数与标签数有关，识别过程中到达的标签又是少量的且已成功识别的标签被屏蔽，所以会瞬间完成第二次扫描。二次扫描后，若没有标签响应，便停止扫描；若仍有标签响应，识别完标签后，再次扫描，直到不再有标签响应。
图3为本方法的实施流程，包括：阅读器发送initial(RID)初始化命令，被成功识别的标签进入静默状态，未被识别的标签初始化计数器并响应；阅读器开始迭代询问过程，直到“栈”为空；当“栈”为空时，再次扫描，直到无标签响应，结束识别。整个详细流程如下：
1.阅读器发送该阅读器RID为参数的initial(RID)初始化命令，若标签存储的RID与命令中的RID相同，则标签进入静默状态不再响应询问命令；若不相同，则标签用命令中的RID替换原存储的RID并将计数器初始化为0，然后发送其完整ID作为响应。
2.阅读器检测是否有标签响应，若没有标签响应，结束识别过程；若存在标签响应，则对接收的ID信号经曼彻斯特译码后，确定最高碰撞位(χ)，发送以最高碰撞位为标识参数的query(χ)询问命令。
3.检查标签计数器是否为0，计数器不为0的标签进入等待状态，不做出任何响应；计数器为0的标签检查ID的第χ位比特，若为比特‘0’，标签在第一个时隙发送ID第χ位之后的低位部分作为响应；若为比特‘1’，则等待第一个时隙结束后在第二个时隙发送ID第χ位之后的低位部分作为响应。
4.阅读器对接收的ID信号进行曼彻斯特译码。在第一个时隙，若接收的ID中的碰撞比特数大于1，则将ID最高碰撞位之前的高位部分作为前缀与最高碰撞位压入“栈”中，并发送counter命令，除等待第二个时隙响应的标签歪的所有标签的计数器加1；否则直接识别标签。在第二个时隙，若接收的ID中的碰撞比特数大于1，则确定最高碰撞位（χ）后，继续发送以最高碰撞位为标识参数的询问命令query(χ)进行迭代询问；否则直接识别标签。
5.若在第二个时隙成功识别标签，阅读器首先检查存储前缀的“栈”是否为空。若不为空，抛出“栈”顶存放的前缀与最高碰撞位（χ），并发送以此最高碰撞位为标识参数的后退式询问命令re-query(χ)进行后退式询问，所有标签的计数器减1后进入步骤3；若为空，则阅读器再次发送以该阅读器RID为参数的initial(RID)初始化命令，进行第二次扫描(即转到步骤1)。二次扫描后，若没有标签响应，便结束识别过程；若仍有标签响应，识别完标签后，再次扫描，直到无标签响应，结束识别过程。

Claims (3)

1.一种基于低冗余搜索树的标签防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)标签预留一个存储区，储存已识别该标签的阅读器的序列号RID；阅读器扫描标签时，发送包括其序列号RID的初始化命令，所有标签将初始化命令中的RID与存储的RID进行比较，若相同，则该标签进入静默状态不再响应，若不相同，则该标签用初始化命令中的RID替换存储区中的RID并将计数器置0，同时发送完整ID信号作为响应；
(2)阅读器对接收的ID信号经曼彻斯特译码后，确定最高碰撞位χ，再次发送以最高碰撞位为标识参数的询问命令；
(3)最高碰撞位比特为‘0’的碰撞标签首先在第一个时隙响应，最高碰撞位比特为‘1’的碰撞标签在第二个时隙响应；
(4)将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，用计数器作为标签响应的“触发开关”；若在第一个时隙未成功识别标签，除等待第二个时隙响应的标签外，所有标签的计数器加1，若在第二个时隙成功识别标签，则所有标签的计数器减1；
(5)阅读器对接收的ID信号经曼彻斯特译码后逐位识别出碰撞比特，确定碰撞比特数目；
步骤(4)进一步包括：若第一个时隙存在碰撞，则阅读器将前缀与最高碰撞位压入“栈”中，标签计数器加1，若在第二个时隙识别出标签，阅读器首先检查存储前缀的“栈”是否为空，若不为空，抛出“栈”顶存放的前缀与最高碰撞位χ，并发送以此最高碰撞位为标识参数的后退询问命令，标签计数器减1后，计数器为0的标签响应，若为空，阅读器再次发送以该阅读器的RID为参数的初始化命令，进行第二次扫描，二次扫描后，若没有标签响应，结束识别。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括：计数器为0的标签检查ID信号的第χ位比特，若该比特位为‘0’，标签在第一个时隙发送ID的第χ位之后的低位部分作为响应，若该比特位为‘1’，则等待第一个时隙结束后在第二个时隙发送ID的第χ位之后的低位部分作为响应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)进一步包括：若没有碰撞比特，则直接识别该标签，若只有一个碰撞比特，预测识别两个标签，预测识别的两个标签ID的碰撞位比特分别为‘0’和‘1’。
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