CN103605949B - 基于cdma的大规模rfid防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于CDMA的RFID防碰撞方法，该方法首先将所有的标签进行调整分组，然后以递归的方式将碰撞的标签分组，为标碰撞标签选择码片，然后将标签数据用正交码扩频后发送出去，并在阅读器端用相同码片进行解扩，最后对读取标签进行重复和遗漏的核查，该方法可以同时识别多个标签，解决了现有的基于ALOHA算法和二进制算法方案的不足。

Description

基于CDMA的大规模RFID防碰撞方法

技术领域

本发明涉及RFID的防碰撞技术，特别是基于CDMA的多路读取方法。

背景技术

随着计算机通信技术的快速发展，人们对自动化识别技术的需求也越来越强烈，在这样的背景下，RFID技术以其快速、准确、实时等优势引起了人们的广泛关注。

近年来，RFID技术得到了快速的普及和发展。RFID系统被广泛应用于门禁系统、物流管理、军事等领域。随着天线技术、芯片技术以及计算机技术的不断向前发展，RFID系统的功率消耗和体积越来越小，功能越来越灵活，成本越来越低，操作也更加快捷方便。再加上其擅长运动目标识别、多个目标识别、方便物流管理和物品跟踪等突出特点，RFID系统在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角色。RFID技术带来了一个新的无线市场，在国民生活中的地位与日俱增。

RFID技术正越来越被广泛地被应用于物流、零售等众多领域。我国现已开始全面部署RFID系统的发展规划，尤其重视编码体系、频率划分以及知识产权等相关领域。但是，现有的RFID系统一次只能读取一个标签，当有多个标签聚集在一起时，因信号冲突，导致阅读器无法正确读取标签的信息。由此可见，解决好RFID碰撞这一核心问题对RFID更广泛的应用和产业的发展具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，提出了一种基于CDMA的大规模RFID防碰撞方法。

本发明的技术方案是：一种基于CDMA的RFID防碰撞方法，包括下述步骤，

步骤1，将所有标签进行分组，步骤1包括以下步骤，

步骤1.1，标签向阅读器发送会话请求消息（HELLO），

步骤1.2，系统默认最大分组数为G,阅读器根据收到会话请求消息（HELLO）的信号强度初始化本次会话分组数K，K<=G，或者直接采用本次会话分组数K的预设数值，阅读器向标签广播分组命令（GROUP，K），让标签分为K组；

步骤1.3，标签收到分组命令后随机选择该标签的分组序列低K位中的一位并置为1，其余为0，该序列称之为分组序列信息（POSION）；

步骤1.4，标签将分组序列信息（POSION）发送回阅读器，阅读器在收到的所有标签分组序列信息（POSION）后根据碰撞位生成合成分组序列；阅读器收到所有标签的分组序列信息（POSION）后，对所有为1的位置进行整合；

步骤1.5，阅读器选取待通信的M个分组，循环向标签发送允许通信命令（ADJUST，S_POSION），其中序列（S_POSION）为选定分组的分组序列信息（POSION），长度为K，仅有一位为1，序列（S_POSION）与标签内保存的分组序列信息（POSION）结构一致，标签收到该命令后，检查是否与自己的分组序列信息（POSION）一致，若一致，则将数据扩频后发送出去，否则，不响应；

步骤1.6，阅读器统计这M个分组的碰撞率P(x≥2)，只要有1组的标签碰撞率P(x≥2)大于阈值P(x≥2|n＝N)，P(x≥2|n＝N)为当n=N时计算所得的碰撞概率，将K的值扩大为k×K后，从新分组，发送分组（GROUP，K）命令，回到步骤1.3；否则，分组成功进入步骤2；

其中，假设有N个正交码片，每组内能容纳的最大标签个数为N，设组内实际标签数为n，设标签选择任一码片的概率是相等的，即p=1/N，每个标签对码片的选择是相互独立的，在一个组内一个码片没有被任何标签选中的概率如下：

$P(x=0)=\frac{{(N-1)}^n}{N^n}$

x代表选中该码片的标签数量，

一个码片仅被一个标签选中的概率如下，

$P(x=1)=\frac{C_n^1{(N-1)}^{n-1}}{N^n}=\frac{n{(N-1)}^{n-1}}{N^n}$

其中，表示从n个标签数中随机选择一个标签，

当有两个或两个以上标签选中同一码片时则发生碰撞，其概率如下，

$P(x\&GreaterEqual;2)=1-[\frac{{(N-1)}^n}{N^n}+\frac{n{(N-1)}^{n-1}}{N^n}]$

步骤2，对分组时产生碰撞的标签进行碰撞处理；

步骤2的子步骤如下，

步骤2.1，预设碰撞缓冲值（BUFFER）的初始值，使碰撞缓冲值（BUFFER）初始化为一正整数值，发生碰撞的码片数期望为：

$E\left(X\right)=\mathrm{NP}(x\&GreaterEqual;2)=\frac{N^n-(n+N-1){(N-1)}^{n-1}}{N^{n-1}}$

其中，X为发生碰撞的码片数量；

在K个分组中发生碰撞的码片数总期望为K×E（X），将该值设置为碰撞缓冲（BUFFER）的初始值；从未通信的标签分组中选定一个分组发送通信命令（SEND,S_POSION）,分组序列信息(POSION)与分组信息的序列（S_POSION）一致的标签随机从正交矩阵中选取一行作为码片，将自己的数据用码片扩频后发送给阅读器；阅读器收到信息后通过同样的正交码片分离出所有数据后,将已经识别的标签ID逐个广播，各标签检查如果已被阅读器正确识别，则进入休眠状态；此过程中如阅读器检测到碰撞，就将当前的碰撞缓冲值（BUFFER）减1；

步骤2.2，判断碰撞缓冲值（BUFFER）是否等于0，如为0，进入步骤2.3，否则直接进入步骤2.4；

步骤2.3，调整标签分组，并将缓冲值（BUFFER）重置为初始值；调整过程如下，将这些不同组内发生碰撞的标签重新合成为新的一组，删去旧的组，并将新合并的组号放入未识别的组号集合里；进入步骤2.4；

步骤2.4，阅读器检测是否还存在未通信的标签分组，如存在，回到步骤2.1，否则结束步骤2，进入步骤3；

步骤3，对读取的标签进行重复和遗漏核查，阅读器中设置一个变量L，L初始值为系统核查次数的上限值；步骤3具体实施的子步骤如下，

步骤3.1，阅读器广播核查命令（CHECK）；

步骤3.2，所有标签检查自己的发送标志位和反馈标志位，只要有1位不为1，则标签向阅读器返回其分组信息，发送重传请求（MSS，R_POSION），其中，（R_POSION）为该标签的分组序列（POSION）信息；

步骤3.3，阅读器在发送核查命令（CHECK）后，如果没有标签响应，则表示所有标签被正确识别，识别过程结束；如果阅读器收到了标签的响应，则说明存在未识别的标签或者存在故障标签，进入步骤3.4；

步骤3.4，阅读器广播发送重传命令(WAKE_UP，R_POSION)，通知遗漏的标签重新发送数据；

步骤3.5，未被识别的标签收到重传(WAKE_UP，R_POSION)命令后，检查（R_POSION）与自己的分组序列（POSION）信息是否相同，如果相同，则重传数据；阅读器再将收到的所有需要重传的分组序列（R_POSION）依次广播后，一个检查过程结束，将L减1；若L不为0，回到步骤3.1；若L为0，同样结束该过程，并向用户发送错误报告。

所述的步骤1.4中所述的整合的方法是，将所有标签返回的分组序列信息（POSION）按位进行逻辑加法，得到合并的分组序列（C_POSION）。

所述的步骤1.5中的循环方法是，从合并的分组序列(C_POSION)中依次选取M个不为0的位，即选取M个分组，M<<K，发送M次相应的允许通信命令消息（ADJUST，S_POSION），标签收到该命令后，检查是否与自己的分组序列（POSION）信息一致，若一致，则将数据扩频后发送出去，否则，不响应。

作为优选，步骤1.6中的k取1.5。

与现有技术相比，本发明能够实现多个标签同时读取，防止标签碰撞，解决了当有多个标签聚集在一起时，因信号冲突，导致阅读器无法正确读取标签的信息的问题。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明中位置分组序列构成示意图；

图3是本发明中分组处理阶段流程图；

图4是本发明中碰撞处理阶段流程图；

图5是本发明中核查阶段流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

在本实施例中，使用正交格雷互补集作为标签内的正交码。一个序列对中两个子序列自相关函数值的和在除了零以外的所有偏移上都为零，那么这对序列就称为格雷对，格雷对中的子序列称为格雷互补正交码。采用正交格雷互补集作为预置正交码片，由于各码的自相关系数与互相关系数理论上均为0，因此扩频通信后无论各个标签的信号是否同步，都不会产生干扰，无需考虑通信的同步问题。同时，格雷码的循环、单步特性消除了随机取值时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便，可以减少标签内存储正交码片所需要的存储空间，码片的选取也可以通过循环位移快速地实现。

实施例的流程包括以下步骤：

步骤1，对通信范围内标签进行分组调整，其流程图如图2所示。每个标签都维护一个用于分组的序列，默认长度为G；如图1是位置分组序列构成示意图，标签到达阅读器的有效识别范围后感应带电，向阅读器发送会话请求（HELLO），阅读器感应到待识别的标签后，广播分组命令使标签自主分组；该步骤包括子步骤如下：

步骤1.1，标签向阅读器发送会话请求（HELLO）；

步骤1.2，阅读器根据收到会话请求（HELLO）消息的信号强度初始化本次会话分组数K，K<=G，或者直接采用本次会话分组数K的预设数值，阅读器向标签广播分组命令（GROUP，K），即让标签分为K组；

步骤1.3，标签收到该命令后随机选择该标签的分组序列低K位中的一位将其置为1，其余为0，该序列称之为分组序列（POSION）信息；

步骤1.4，标签将其分组序列（POSION）信息发送回阅读器，阅读器在收到的所有标签分组序列（POSION）信息后根据碰撞位生成合成分组序列；阅读器收到所有标签的分组序列（POSION）信息后，对所有为1的位置进行整合；整合的方法是：将所有标签返回的分组序列（POSION）信息按位进行逻辑加法，得到合并的分组序列（C_POSION）；

步骤1.5，阅读器循环向标签发送允许通信命令（ADJUST，S_POSION），其循环方法是：从合并的分组序列(C_POSION)中依次选取M个不为0的位（M<<K），发送M次相应的允许通信命令（ADJUST，S_POSION）消息，即选取M个分组进行通讯，其中序列（S_POSION）为表示分组信息的二进制序列，长度为K，仅有一位为1，（S_POSION）中只有选定的位不为0，与标签内保存的分组序列信息（POSION）结构一致；标签收到该命令后，检查是否与自己的分组序列信息（POSION）一致，若一致，则将数据扩频后发送出去，否则，不响应；

步骤1.6，阅读器统计这M个分组的碰撞率，只要有1组的标签碰撞率大于阈值P(x≥2|n＝N)，则将K的值扩大为k×K后，从新分组，发送分组命令（GROUP，K），回到步骤1.3；否则，分组成功进入步骤2；

假设有N个正交码片，每组内能容纳的最大标签个数为N，设组内实际标签数为n，设标签选择任一码片的概率是相等的，即p=1/N，每个标签对码片的选择是相互独立的，在一个组内一个码片没有被任何标签选中的概率如下：

$P(x=0)=\frac{{(N-1)}^n}{N^n}$

x代表选中该码片的标签数量，

一个码片仅被一个标签选中的概率如下：

$P(x=1)=\frac{C_n^1{(N-1)}^{n-1}}{N^n}=\frac{n{(N-1)}^{n-1}}{N^n}$

其中，表示从n个标签数中随机选择一个标签，

当有两个或两个以上标签选中同一码片时则发生碰撞，其概率如下：

$P(x\&GreaterEqual;2)=1-[\frac{{(N-1)}^n}{N^n}+\frac{n{(N-1)}^{n-1}}{N^n}]$

P(x≥2|n＝N)为当n=N时计算所得的碰撞概率，由于n=N时，码片的利用率最高，若n>N则会导致碰撞率提高，降低系统效率，因此，若碰撞率大于P(x≥2|n＝N)，可看作某分组内标签数量过多，需要扩大分组数，以降低每组内标签数量，扩张系数k的取值也会影响阅读器的识别效率；作为优选，k取值在1.5左右能使系统效率达到最优，若k≥2时，会造成每组标签个数太少的情况，降低了组内码片的利用率，增大了通信代价，若k≤1.1,又会造成调整分组的命令请求次数过多；在实际执行时，调整分组阶段结束后，认为每组内的标签个数已经接近预期值，此时RFID系统进入碰撞处理阶段；

步骤2，碰撞处理阶段，其整体处理流程如图3所示，在分组阶段采用动态分组的方式，尽量使每组内的标签个数等于码片个数；阅读器维护一个未识别的组号集合和一个碰撞缓冲值（BUFFER），所述未识别的分组集合，是所有存在未识别的标签的分组的集合；

步骤2具体实施的子步骤如下：

步骤2.1，使碰撞缓冲值（BUFFER）初始化为一正整数值（根据系统需求设定），发生碰撞的码片数期望为：

$E\left(X\right)=\mathrm{NP}(x\&GreaterEqual;2)=\frac{N^n-(n+N-1){(N-1)}^{n-1}}{N^{n-1}}$

其中，X为发生碰撞的标签数量；

在K个分组中发生碰撞的码片数总期望为K×E（X），将该值设置为碰撞缓冲（BUFFER）的初始值。

作为优选，可将缓冲值（BUFFER）初始化为32；

从未识别的分组集合选定其中一个分组发送通信命令（SEND,S_POSION）,分组序列信息(POSION)与（S_POSION）一致的标签随机从正交矩阵中选取一行作为码片，将自己的数据用码片扩频后发送给阅读器；由于不同的标签可能选择相同的正交码，所以可能会造成标签的碰撞，即在阅读器端用正交码矩阵分离不出数据；阅读器分离出所有可识别的数据后，将已经识别的标签ID逐个广播给标签，标签收到后与自身的ID对比，如果相同，则说明自己已经被阅读器正确识别，进入休眠状态；此过程中如阅读器检测到碰撞发生，就将碰撞缓冲值（BUFFER）减1；

步骤2.2，判断缓冲值（BUFFER）是否等于0，如为0，进入步骤2.3，否则直接进入步骤2.4；

步骤2.3，调整标签分组，并将缓冲值（BUFFER）重置为初始值；调整过程如下：将这些不同组内发生碰撞的标签重新合成为新的一组R，删去旧的组，并将新合并的组号R放入未识别的分组集合里，进入步骤2.4；

步骤2.4，阅读器检测是否还存在未识别的分组集合，如存在，回到步骤2.1，否则结束步骤2，进入步骤3；

步骤3，核查阶段，该阶段是为了检测识别的标签是否存在重复和遗漏，其流程如图4所示；为了做到标签识别的不重不漏，在标签的状态位中定义发送标志位和反馈标志位，并在阅读器中设置一个变量L，L初始值为系统核查次数的上限值；当系统进入核查阶段，按照如下子步骤进行操作：

步骤3.1，阅读器广播核查命令（CHECK）；

步骤3.2，所有标签检查自己的发送标志位和反馈标志位，只要有1位不为1，则标签向阅读器返回其分组信息，发送重传请求（MSS，R_POSION）,其中，（R_POSION）为该标签的分组序列（POSION）信息；

步骤3.3阅读器在发送核查命令（CHECK）后，如果没有标签响应，则表示所有标签被正确识别，识别过程结束；如果阅读器收到了标签的响应，则说明存在未识别的标签或者存在故障标签，进入步骤3.4；

步骤3.4，阅读器广播依次发送重传命令(WAKE_UP，R_POSION)，通知遗漏的标签重新发送数据；（R_POSION）为步骤3.2中收到的所有需要重传的分组序列。

步骤3.5，未被识别的标签收到重传命令(WAKE_UP，R_POSION)后，检查（R_POSION）与自己的分组序列信息（POSION）是否相同，如果相同，则重传数据；阅读器再将收到的（R_POSION）依次广播后，一个检查过程结束，将L减1。

步骤3.5，若L不为0，回到步骤3.1。若L为0，同样结束该过程，并向用户报告可能存在的遗漏或故障标签。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CDMA的RFID防碰撞方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，将所有标签进行调整分组，步骤1包括以下步骤，

步骤1.1，标签向阅读器发送会话请求消息HELLO，

步骤1.2，系统默认最大分组数为G,阅读器根据收到会话请求消息HELLO的信号强度初始化本次会话分组数K，K<＝G，或者直接采用本次会话分组数K的预设数值，阅读器向标签广播分组命令(GROUP，K)，让标签分为K组；

步骤1.3，标签收到分组命令后随机选择该标签的分组序列低K位中的一位并置为1，其余为0，该序列称之为分组序列信息POSION；

步骤1.4，标签将分组序列信息POSION发送回阅读器，阅读器在收到所有标签分组序列信息POSION后根据碰撞位生成合成分组序列；具体的是阅读器收到所有标签的分组序列信息POSION后，对所有为1的位置进行整合；

步骤1.5，阅读器选取待通信的M个分组，循环向标签发送允许通信命令(ADJUST，S_POSION)，其中序列S_POSION为选定分组的分组序列信息POSION，长度为K，仅有一位为1，序列S_POSION与标签内保存的分组序列信息POSION结构一致，标签收到该命令后，检查是否与自己的分组序列信息POSION一致，若一致，则将数据扩频后发送出去，否则，不响应；

步骤1.6，阅读器统计这M个分组的碰撞率P(x≥2)，只要有1组的标签碰撞率P(x≥2)大于阈值P(x≥2|n＝N)，P(x≥2|n＝N)为当n＝N时计算所得的碰撞概率，则将K的值扩大为k×K后，重新分组，发送分组(GROUP，K)命令，回到步骤1.3；否则，分组成功进入步骤2；所述的k取1.5；

其中，假设有N个正交码片，每组内能容纳的最大标签个数为N，设组内实际标签数为n，设标签选择任一码片的概率是相等的，即p＝1/N，每个标签对码片的选择是相互独立的，在一个组内一个码片没有被任何标签选中的概率如下：

x代表选中该码片的标签数量，

一个码片仅被一个标签选中的概率如下，

其中，表示从n个标签数中随机选择一个标签，

当有两个或两个以上标签选中同一码片时则发生碰撞，其概率如下，

步骤2，对分组时产生碰撞的标签进行碰撞处理；步骤2的子步骤如下，

步骤2.1，预设碰撞缓冲值BUFFER的初始值，阅读器维护一个未识别的组号集合和一个碰撞缓冲值BUFFER，所述未识别的分组集合，是所有存在未识别的标签的分组的集合，使碰撞缓冲值BUFFER初始化为一正整数值，发生碰撞的码片数期望为：

其中，X为发生碰撞的码片数量；

在K个分组中发生碰撞的码片数总期望为K×E(X)，将该值设置为碰撞缓冲BUFFER的初始值；

从未通信的标签分组中选定一个分组发送通信命令(SEND,S_POSION),分组序列信息POSION与分组信息的序列S_POSION一致的标签随机从正交矩阵中选取一行作为码片，将自己的数据用码片扩频后发送给阅读器；阅读器收到信息后通过同样的正交码片分离出所有数据后,将已经识别的标签ID逐个广播，各标签检查如果已被阅读器正确识别，进入休眠状态；此过程中如阅读器检测到碰撞，就将当前的碰撞缓冲值BUFFER减1；

步骤2.2，判断碰撞缓冲值BUFFER是否等于0，如为0，进入步骤2.3，否则直接进入步骤2.4；

步骤2.3，调整标签分组，并将缓冲值BUFFER重置为初始值；调整过程如下，将这些不同组内发生碰撞的标签重新合成为新的一组，删去旧的组，并将新合并的组号放入未识别的组号集合里；进入步骤2.4；

步骤2.4，阅读器检测是否还存在未通信的标签分组，如存在，回到步骤2.1，否则结束步骤2，进入步骤3；

步骤3，对读取的标签进行重复和遗漏核查，阅读器中设置一个变量L，L初始值为系统核查次数的上限值；步骤3具体实施的子步骤如下，

步骤3.1，阅读器广播核查命令CHECK；

步骤3.2，所有标签检查自己的发送标志位和反馈标志位，只要有1位不为1，则标签向阅读器返回其分组信息，发送重传请求(MSS，R_POSION)，其中，R_POSION为该标签的分组序列POSION信息；

步骤3.3，阅读器在发送核查命令CHECK后，如果没有标签响应，则表示所有标签被正确识别，识别过程结束；如果阅读器收到了标签的响应，则说明存在未识别的标签或者存在故障标签，进入步骤3.4；

步骤3.4，阅读器广播发送重传命令(WAKE_UP，R_POSION)，通知遗漏的标签重新发送数据；

步骤3.5，未被识别的标签收到重传(WAKE_UP，R_POSION)命令后，检查R_POSION与自己的分组序列POSION信息是否相同，如果相同，则重传数据；阅读器再将收到的所有需要重传的分组序列R_POSION依次广播后，一个检查过程结束，将L减1；若L不为0，回到步骤3.1；若L为0，同样结束该过程，并向用户发送错误报告。

2.根据权利要求1所述的基于CDMA的RFID防碰撞方法，其特征在于：步骤1.4中所述的整合的方法是，将所有标签返回的分组序列信息POSION按位进行逻辑加法，得到合并的分组序列C_POSION。

3.根据权利要求1所述的基于CDMA的RFID防碰撞方法，其特征在于：步骤1.5中的循环方法是，从合并的分组序列C_POSION中依次选取M个不为0的位，即选取M个分组，M<<K，发送M次相应的允许通信命令(ADJUST，S_POSION)消息，标签收到该命令后，检查是否与自己的分组序列POSION信息一致，若一致，则将数据扩频后发送出去，否则，不响应。