CN103870781B - 一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法，属于无线通信技术领域。阅读器广播一个二元请求<R₁,ⅹ>；每个射频标签接收到该二元请求后使用参数R₁来计算表达式H(ID,R₁)mod Y；计算结果小于ⅹ，那么该标签成为样本标签，将参与后续的检测步骤；否则不参与后续步骤；阅读器把样本标签的ID映射到布隆过滤器上，用K个独立同分布的哈希函数将一个样本标签的ID映射到布隆过滤器的f个位置；阅读器将构造的布隆过滤器以及所采用的参数广播给样本标签，收到该布隆过滤器后，每个样本标签用同样的哈希函数和参数计算并检查各自的代表位；对于一个标签，如果K个代表位均为1，即为已知标签；否则为未知标签。

Description

一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，射频识别（RFID,Radio Frequency Identification）技术被越来越广泛的应用于物联网、仓库管理、物体跟踪等多个领域。相比传统的条形码技术，射频识别技术具备很多优良特性，包括：远距离读写，具备一定计算能力，更大的数据存储空间，能够为管理者带来更多的便利。在射频识别技术领域中，标签数量估计、标签定位、丢失标签的识别等问题被广泛研究。

一个RFID系统通常包括一个后台服务器（back-end），一个或多个阅读器（reader），和数量庞大的射频标签（tag）。射频标签通常被附着在被监控的货物或商品上，并且有一个小的存储芯片来存储一个全球统一的序列号（ID）以及一些其他信息，如：商品价格、保质期和个人信息等。标签通常被分为两种：有源标签和无源标签。有源标签自身具备电池供电；而无源标签本身不具备电池，只能从阅读器辐射的电磁场中获取电能工作。在物流管理或者仓库监控中，管理人员的疏忽大意有可能导致货物被错误地摆放在其他位置。这有可能引发严重的后果，比如：冷冻食品如果被错误地放置在了没有制冷设备的区域，就会融化变质，从而造成经济损失；另外，有毒物质和食品不能够放在一起，相互之间容易发生反应的易燃易爆物也不能够放置在一起。可见，如何快速发现、找到这些被错误摆放的货物是一个有意义的问题。在一个放置了成千上万货物的仓库中，人工检查浪费人力、时间，且准确度不高。RFID技术可以被用来解决错位货物的识别问题。具体来讲，每个货物都配备了一个射频标签，位置正确的货物上的标签序列号存储在该区域阅读器所连接的后台服务器上。而错误摆放的货物的标签序列号是不会存储在后台中的，因此被称为未知标签。在RFID研究的初期，大量的研究工作集中在标签识别（tag identification）问题，即识别所有的射频标签的序列号（ID）。实际上，采用标签识别算法可以解决未知标签识别问题。具体来讲，阅读器搜集到所有标签的序列号以后，跟数据库中的已知标签序列号对比，即可知道哪些是未知标签。但该方法收集了大量的已知标签的序列号，而这些序列号已经存储在数据库中了，因此浪费了大量的时间。如何把已知标签静默，然后单独收集未知标签成为了提升效率的关键。现有的技术提供了一种识别未知标签的方法，旨在找到所有的未知标签。可是在现实应用中，未知标签的出现具有两个特性：（1）随机性，即我们无法预测未知标签何时会出现；（2）稀疏性，即未知标签只是偶尔出现。因此现有技术提出的方法大多数时间处于空跑状态，即无法找到未知标签，却浪费了大量的时间和能量。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明提供了一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法。

本发明要解决的技术问题是未知标签检测，旨在快速判断在射频识别系统中是否存在未知标签。我们把该问题进一步定义为：假设系统中有N个已知标签，当有M个或更多未知标签出现时，阅读器要至少以概率α检测到有未知标签出现。

一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法，包括如下步骤：

（1）使用采样方法检测系统中的部分标签

阅读器广播一个二元请求<R₁,ⅹ>；每个射频标签接收到该二元请求后使用参数R₁来计算表达式H(ID,R₁)mod Y；如果计算结果小于ⅹ，那么该标签成为样本标签，将参与后续的检测步骤；否则将不参与后续步骤；其中，在二元请求<R₁,ⅹ>中，R₁为随机数，ⅹ=p×Y，p是抽样概率，Y是在制造标签时烧在芯片中的常数；

（2）利用布隆过滤器中每位的状态来检测未知标签

阅读器把步骤（1）中产生的样本标签的ID映射到布隆过滤器上，用K个独立同分布的哈希函数将一个样本标签的ID映射到布隆过滤器的f个位置；K代表生成布隆过滤器时使用哈希函数的个数；f代表布隆过滤器的长度；

阅读器将构造的布隆过滤器以及所采用的参数广播给所有的样本标签，样本标签收到该布隆过滤器后，每个样本标签用同样的哈希函数和参数计算并检查各自的代表位；对于一个标签，如果K个代表位均为1，即通过了本次检测，并被认为是一个已知标签；否则，该标签为未知标签。

本发明通过布隆过滤器中每位的状态来检测未知标签的存在，同时使用采样的方法检测部分标签，降低整个系统中标签的耗能。在时间效率方面比当前最优的方法提高了90%，在能量方面比当前最优的方法提升了71.6%。

附图说明

图1是本发明的系统整体工作示意图。

图2（a）是本发明的已知标签生成布隆过滤器的示意图。

图2（b）是本发明的系统检测标签是否为未知标签的示意图。

图中：阅读器；○系统中的已知标签；●系统中的未知标签；

1后台服务器；2存储有系统中所有已知标签ID的数据库；

3哈希函数A；4哈希函数B；5哈希函数C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明

图2（a）是本发明的已知标签生成布隆过滤器的示意图。经过步骤一的采样后，阅读器把样本标签的ID映射到布隆过滤器上，具体方法如下：图中标签t₁、t₂和t₃是经步骤一采样后的标签，标签t₁通过三个独立同分布的哈希函数分别被映射到布隆过滤器的第一、三和八位中，于是过滤器的这三位被设为‘1’。同理，标签t₂映射到的第四、六和九位被设为‘1’。标签t₃映射到的第六位和第九位已经为‘1’，则不做任何操作，而把第十二位设为‘1’。图2（a）中的位数组即为由已知标签生成的布隆过滤器。

图2（b）是本发明的通过布隆过滤器中各位的状态来检测未知标签方法的示意图。阅读器将按照图2（a）中的方法生成的布隆过滤器发送给系统中所有的标签。每个标签用同样的哈希函数以及参数，计算并检查自己的代表位。图2（b）中的t₄标签检测到自己映射到的第二位为‘0’，则该标签知道自己位未知标签，向阅读器发送信号报告自己位未知标签。同理，图2（b）中的未知标签t₅也可以被系统检测出来。

Claims (1)

1.一种基于布隆过滤器的未知射频标签检测方法，其特征在于：

(1)使用采样方法检测系统中的部分标签

阅读器广播一个二元请求<R₁,ⅹ>；每个射频标签接收到该二元请求后使用参数R₁来计算表达式H(ID,R₁)mod Y；如果计算结果小于ⅹ，那么该标签成为样本标签，将参与后续的检测步骤；否则将不参与后续步骤；其中，在二元请求<R₁,ⅹ>中，R₁为随机数，ⅹ＝p×Y，p是抽样概率，Y是在制造标签时烧在芯片中的常数；

(2)利用布隆过滤器中每位的状态来检测未知标签

阅读器把步骤(1)中产生的样本标签的ID映射到长度为f的布隆过滤器上，用K个独立同分布的哈希函数将一个样本标签的ID映射到布隆过滤器的K个位置；K代表生成布隆过滤器时使用哈希函数的个数；f代表布隆过滤器的长度；

阅读器将构造的布隆过滤器以及所采用的参数广播给所有的样本标签，样本标签收到该布隆过滤器后，每个样本标签用同样的哈希函数和参数计算并检查各自的代表位；对于一个标签，如果K个代表位均为1，即通过了本次检测，并被认为是一个已知标签；否则，该标签为未知标签。