CN103646227A - 无线射频识别系统中的高效节能识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种识别方法，尤其是一种无线射频识别系统中的高效节能识别方法，属于无线射频识别的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述无线射频识别系统中的高效节能识别方法，在设定的区域内，存在m个射频识别标签以及n个用于放置射频识别阅读器的位置，在区域内放置所需的射频识别阅读器，使得每个射频识别标签均至少被一个射频识别阅读器覆盖识别，射频识别标签与射频识别阅读器间采用alopha防冲突射频识别方法进行识别。本发明操作方便，能对射频识别阅读器选择放置所需位置，使得识别系统的能量消耗最小，适应范围广，安全可靠。

Description

无线射频识别系统中的高效节能识别方法

技术领域

本发明涉及一种识别方法，尤其是一种无线射频识别系统中的高效节能识别方法，属于无线射频识别的技术领域。

背景技术

随着信息科技的高速发展，物联网技术也得到了十分迅猛的发展。温家宝总理于2009年8月提出“感知中国”的概念，自此以来，物联网技术被列为我国五大“新兴战略性产业”之一，物联网在我国收到极大关注。尤其对于无线射频技术的应用，更是以极快的速度融入到了的生活中去。交通卡、校园卡、实验室门卡等都使用了无线射频识别的标签。

作为一种无线通信技术，信号的冲突不可避免的存在着。如何有效的设计RFID（Radio Frequency IDentification）算法，以减少无线射频识别系统工作时，产生冲突的几率，从而增加系统的吞吐量对于无线射频系统的发展有着重要的作用。

随着无线射频技术的使用的范围越来越高，在这样一个提倡环保的社会中，如何节约系统的能耗也是一个必须讨论的一个问题。考虑在一个大仓库中，或者说是一个图书馆中，有很多射频识别的标签分布在里面，由于射频识别阅读器的通信范围有限，很难使用一个单独的阅读器去把周围所有的射频识别标签都识别到，考虑配置多个阅读器进行射频识别标签的识别。可是如何选取阅读器的位置，从而使用有限个数的阅读器能够完成一定区域中的识别工作，而且工作时消耗的能量能达到最小成为了一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其操作方便，能对射频识别阅读器选择放置所需位置，使得识别系统的能量消耗最小，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述无线射频识别系统中的高效节能识别方法，在设定的区域内，存在m个射频识别标签以及n个用于放置射频识别阅读器的位置，在区域内放置所需的射频识别阅读器，使得每个射频识别标签均至少被一个射频识别阅读器覆盖识别，射频识别标签与射频识别阅读器间采用alopha防冲突射频识别方法进行识别。

所述射频识别阅读器以最大通讯半径对射频识别标签进行识别。所述射频识别阅读器以可变通信半径对射频识别标签进行识别时，使得放置的射频识别阅读器在识别所有的射频识别标签时消耗的能量最小。

所述射频识别阅读器间通过负载均衡方式对射频识别标签进行识别。在射频识别阅读器间存在通讯冲突时，将处于通讯冲突中的一个射频识别阅读器激活工作，其余的射频识别阅读器处于待命状态。

本发明的优点：对于给定的一个识别射频识别标签的任务，假设知道射频识别标签所处的位置，以及射频识别阅读器可以放置的位置，通过覆盖及能量消耗最小的方式获得最节能的射频识别阅读器放置位置；在高效的识别设定区域中的所有射频识别标签，不考虑标签与两个射频识别阅读器同时冲突的问题，直接让所有射频识别阅读器都独立的使用alopha防冲突算法进行射频识别标签的识别，残留的未被识别的射频识别标签会比较少，采用进行负载均衡优化过的Balanced-Algorithm对剩余的射频识别标签进行识别，操作方便，能对射频识别阅读器选择放置所需位置，使得识别系统的能量消耗最小，适应范围广，安全可靠。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例中，射频识别阅读器可以以最大功率方式对射频识别标签进行识别，在这种情况下，射频识别阅读器的通讯范围处于最大状态。假设所有射频识别阅读器的最大通讯半径都为R。对于无源射频识别系统来说，R一般为4米左右。

对于一个特定区域内射频识别阅读器的选择放置位置问题，可以转换为对射频识别标签的覆盖问题，具体地：

假设在设定区域内中有n个位置可以放置射频识别阅读器，所述n个放置位置分别为：r₁，r₂，……r_n；同时，在设定区域中存在着m个射频识别标签，所述m个射频识别标签分别为t₁，t₂，……，t_m。C_ij表示第i个位置射频识别阅读器的是否覆盖了第j个射频识别标签，有

$C_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n;j=\mathrm{1,2},\·\·\·,m$

其中，C_ij=1表示t_j（第j个射频识别标签）在r_i（第i个射频识别阅读器）的通信范围内，C_ij=0表示t_j不在r_i的通信范围内。

对于每一个射频识别阅读器的可选位置，设置一个0或1变量x_i来表示是否在这个位置放置射频识别阅读器，x_i=1表示在第i个位置上放置射频识别阅读器，x_i=0表示在第i个位置上未放置射频识别阅读器。为了节约能量，希望使用最少的射频识别阅读器，则得到关于射频识别阅读器放置位置选择的目标函数为：

minsum(x_i)

目标函数的约束条件为：

s.t.XC≥1；

其中，X表示射频识别阅读器放置位置的向量，C是一个矩阵，矩阵中每一个元素C_ij表示第i个位置射频识别阅读器的是否覆盖了第j个射频识别标签，如

$C_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n;j=\mathrm{1,2},\·\·\·,m$

其中，C_ij=1表示t_j（第j个射频识别标签）在r_i（第i个射频识别阅读器）的通信范围内，C_ij=0表示t_j不在r_i的通信范围内。

通过对上述射频识别阅读器放置位置的目标函数及约束条件进行运算处理后，即能够得到设定区域内射频识别阅读器的放置位置，在设定区域内射频识别阅读器的放置位置小于等于n个放置位置。选取了放置位置后，即可以将射频识别阅读器放置在对应的位置，同时能保证每个射频识别标签能至少被一个射频识别阅读器覆盖通讯识别。

在选取了射频识别阅读器的位置之后，并当射频识别阅读器一直采用最大功率进行识别时，能够得到射频识别阅读器在识别过程中所花费的能量只与所用的射频识别阅读器的总工作时间有关。如果采用最常用的，同时也是商业支持的alopha防冲突射频识别方法进行识别，发现射频识别阅读器的识别时间与设定区域中所有的射频识别标签的数目成正比。也就是说，当射频识别阅读器使用最大的通信半径去识别射频识别标签时，所需要的能量只于设定区域中，射频识别标签的总数有关。

进一步地，为了减小射频识别阅读器的能量消耗，应当尽量使用较小的通讯半径去识别射频识别标签，对于邻近射频识别阅读器的射频识别标签应该使用小的通信半径去覆盖通讯识别。因此，射频识别阅读器通信半径的需要能够变化。考虑单个射频识别阅读器的情况，使得射频识别阅读器的传输功率不断增加，从而增加所述射频识别阅读器的通信范围。在射频识别阅读器周围的射频识别标签会按照距离所述射频识别阅读器的距离由近到远依次被识别。

对于射频识别标签可变通讯半径的状态，假设在设定区域内中有n个位置可以放置射频识别阅读器，所述n个放置位置分别为：r₁，r₂，……r_n；同时，在设定区域中存在着m个射频识别标签，所述m个射频识别标签分别为t₁，t₂，……，t_m。P_ij表示第i个射频识别标签被处于第j个射频识别阅读器阅读时，射频识别阅读器所需要使用的最大功率。

然而，对于射频识别阅读器所能用的最大功率是有限制的，一般认为，在正对使用无源射频识别标签的射频识别系统中，当射频识别标签距离射频识别阅读器的距离大于4米时，则认为这个射频识别标签是无法被处于对应位置的射频识别阅读器所识别到的，则令P_ij的值就设为-1。计算能量矩阵Q，能量矩阵Q的元素Q_uv表示第v个射频识别标签与第u个放置位置距离的平方，选取W个位置放置射频识别阅读器，使得在设定区域中所有的射频识别标签的识别过程中，所需要的能量是最小的。

关于所有射频识别阅读器的能量消耗，则有：一个射频识别阅读器要识别距离它λ的一个射频识别标签，那么所需要的通讯功率应该为k*λ²。由前述可知，一个射频识别阅读器若要识别出周围的射频识别标签，那么所述射频识别阅读器所需要的能量只是与设定区域中的射频识别标签的数量有关。所以，在这里只要计算每一个射频识别标签对应的射频识别阅读器需要用多少的功率进行识别，便可以求出全局的需要总功率，即射频识别阅读器识别出所有的射频识别标签，在不产生冲突的情况下面，所需要的总能量的值。然后乘上自然参数，便可以获得在考虑产生冲突的情况下=，所需要的总能量值。本发明实施例中，在考虑产生冲突的情况下，乘上自然参数得到所需的总能量值为本技术领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

为了简化问题，假设设定区域中的射频识别标签总能够由距离它最近的射频识别阅读器所识别到。根据前面的能量矩阵Q以及所要选取的射频识别阅读器集合X，便可以求得所需要的总能量值为：

$\underset{v=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{u\⋐|1,n|}{\min }{Q}_{\mathrm{uv}}{X}_u$

上述公式中，X为选取的射频识别阅读器位置，是一个长度为位置个数的向量，如果选取了第u个位置，那么对应的X向量上面，第u个值为1，否则为0。

所以

的结果为距离第v个射频识别标签最近的放置位置上要对所述射频识别标签进行识别所需要的能量。再进行一个求和运算之后，便是得到了所有的射频识别标签被读到所需要的最小的能量。

于是现在这个最优化问题的目标函数为：

$\min \underset{v=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{u\⋐|1,n|}{\min }{Q}_{\mathrm{uv}}{X}_u$

约束条件应该为：

$s.t.\underset{u\⋐|1,n|}{\min }{Q}_{\mathrm{uv}}{X}_u\≥0$

为了解决上述的优化问题，需要每轮选取一个射频识别阅读器的位置，每次在选取位置的时候，需要该位置能够满足以下条件：

在所述放置位置上面放置一个射频识别阅读器之后，假设射频识别阅读器的最大通讯范围为：R_max，那么以这个位置为圆心，以αR_max为半径画一个圆，这个圆需要比在其他所有位置所做的圆覆盖更多的射频识别标签，α取0到1间的数，即α∈(0 1)。

在每一轮选定一个放置位置后，就把当前所画圆所覆盖的射频识别标签从剩余的射频识别标签集合中去除。每进行一轮，就可以放置一个射频识别阅读器，当进行的轮数等于要求的最大等于射频识别阅读器的数量时，则结束整个的放置选择过程。从而能够得到所有所需放置射频识别阅读器的位置。

进一步地，在进行上面所述的选取放置之前，发现可以首先对的距离矩阵Q进行一些简化。

第一、对于这样一些射频识别阅读器的位置，可以将其从候选位置集合中去除。他们需要满足下面这些条件：它所能覆盖的射频识别标签都能够被另外一个位置的射频识别阅读器所覆盖。另外一个阅读器距离每一个射频识别标签的距离都比它距离同一个射频识别标签的位置近。

第二、如果有这样一个射频识别标签只被唯一的一个射频识别阅读器所覆盖识别，那么为了保证能最大程度的覆盖区域中的射频识别标签，所以，需要选取这个射频识别阅读器。

通过上述步骤在得到了这些射频识别阅读器放置的位置之后，便会在这些位置上面放置射频识别阅读器。采用常用的alopha射频识别防冲突方法去对周围的射频识别标签进行识别时，由于有多个射频识别阅读器，便会产生射频识别阅读器与射频识别阅读器的冲突以及射频识别阅读器与射频识别标签的冲突，本发明实施例中，主要解决射频识别阅读器与射频识别阅读器之间的冲突。

如果要完全避免射频识别阅读器与射频识别阅读器之间的冲突，那么一个最简单的一个方法便是让每一个射频识别阅读器分别工作。但是这样便会导致整个识别系统识别的速度极慢，基本和只用一个射频识别阅读器的速度相当，系统的吞吐量也会比较小。针对多个射频识别阅读器，进一步地，只要两个射频识别阅读器没有相邻，它们便可以同时工作，这样就会使得系统的识别时间得到很大程度的缩减。事实上，通过一些变换之后，这个问题便可以转换成无向图的着色问题。

在无线射频识别系统工作过程中，有如下发现及结论：

第一、大部分射频识别标签都处于不冲突的区域，也就是说每一个射频识别标签最多只会被一个射频识别阅读器所覆盖，因此，如果让所有的射频识别阅读器都同时工作，以识别出这些没有处于冲突区域中间的射频识别标签，那么，系统的吞吐量就大大地增加了。即要想增加系统的吞吐量，一个非常重要的事情就是让射频识别阅读器识别没有处于冲突区域的射频识别标签时，所有的射频识别阅读器同时工作。

第二、处于冲突区域中间的射频识别标签虽然会比较少，但是却是可以在射频识别的过程中造成很多的冲突，就算只有一个处于冲突中间的射频识别标签却会导致很大程度的延时。

第三、由处于冲突区域中间的射频识别标签所发出来的射频识别信号能够被覆盖这个射频识别标签的所有射频识别阅读器所接受到。

基于上面所述的三个发现与结论，在射频识别的过程可以分为两个步骤：在第一个步骤中，系统将会把所有处于非冲突区域中的射频识别标签都识别到。在第二个步骤中，相邻的射频识别阅读器同时协同地识别处于冲突区域中的射频识别标签。

对于第一个步骤，只要单纯的让所有的射频识别阅读器都以alopha的防冲突方法进行识别就可以，对于第二个步骤，采用联合的识别方法对处于冲突区域的射频识别标签进行识别。本发明实施例中，所述的联合识别方法是指对于一组相邻的射频识别阅读器，只让他们中的一个激活并且工作，从而与射频识别标签进行通信，而其他的射频识别阅读器则处于待命状态，处于待命状态的射频识别阅读器只负责接收由射频识别标签发回过来的身份认证信息。对于联合识别，主要由两个好处，第一、联合的射频识别可以避免相邻射频识别阅读器之间的冲突，这是由于处于冲突区域的射频识别阅读器间只有一个阅读器在工作。第二、射频识别的延时能得到很大程度的减少，这是由于所有的射频识别阅读器能够协同得同时地接收来自于射频识别标签的身份认证信息。本发明实施例中，处于待命状态的射频识别阅读器只覆盖处于冲突区域的射频识别标签。

根据上述的说明，在射频识别阅读器的冲突区域中选取激活的射频识别阅读器需要满足以下两个条件：第一、选取的射频识别阅读器能够覆盖最多的边；第二、如果让这个射频识别阅读器同时工作的话，这些被激活的射频阅读器不会在它们自己内部造成信号的冲突；或者，这些被选中的计划被激活的射频识别阅读器在之前说的射频识别阅读器冲突区域中是不能够相邻的。

对于整个部署区域建立拓扑图，对射频识别阅读器采用一个节点表示，如果两个射频识别阅读器有共同的通信区域，则相应的两个节点之间建立一条边。定义边的权值为处于共同通信区域中的射频识别标签的个数，则节点（射频识别阅读器）的权值为相邻边的权值的和。

对于前面对射频识别阅读器的放置及协同工作，并没有考虑负载均衡（loadbalance）的问题，并没有办法做到最快识别。根据木桶原理，系统识别的所有标签的时间是由最慢的射频识别阅读器决定的。本发明实施例中，在调度射频识别阅读器工作时，不应该是让权值大的射频识别阅读器先工作，而是让权值小的阅读器首先协同的同时工作。

本发明对于给定的一个识别射频识别标签的任务，假设知道射频识别标签所处的位置，以及射频识别阅读器可以放置的位置，通过覆盖及能量消耗最小的方式获得最节能的射频识别阅读器放置位置；在高效的识别设定区域中的所有射频识别标签，不考虑标签与两个射频识别阅读器同时冲突的问题，直接让所有射频识别阅读器都独立的使用alopha防冲突算法进行射频识别标签的识别，残留的未被识别的射频识别标签会比较少，采用进行负载均衡优化过的Balanced-Algorithm对剩余的射频识别标签进行识别，操作方便，能对射频识别阅读器选择放置所需位置，使得识别系统的能量消耗最小，适应范围广，安全可靠。

Claims (5)

1.一种无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其特征是：在设定的区域内，存在m个射频识别标签以及n个用于放置射频识别阅读器的位置，在区域内放置所需的射频识别阅读器，使得每个射频识别标签均至少被一个射频识别阅读器覆盖识别，射频识别标签与射频识别阅读器间采用alopha防冲突射频识别方法进行识别。

2.根据权利要求1所述的无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其特征是：所述射频识别阅读器以最大通讯半径对射频识别标签进行识别。

3.根据权利要求1所述的无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其特征是：所述射频识别阅读器以可变通信半径对射频识别标签进行识别时，使得放置的射频识别阅读器在识别所有的射频识别标签时消耗的能量最小。

4.根据权利要求1所述的无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其特征是：所述射频识别阅读器间通过负载均衡方式对射频识别标签进行识别。

5.根据权利要求1所述的无线射频识别系统中的高效节能识别方法，其特征是：在射频识别阅读器间存在通讯冲突时，将处于通讯冲突中的一个射频识别阅读器激活工作，其余的射频识别阅读器处于待命状态。