CN104008355A - 一种rfid阅读器防碰撞资源二次规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种RFID阅读器防碰撞资源二次规划方法，在一个完整RFID系统中，用智能优化算法获得当前RFID系统中阅读器的最优资源分配方案，检测阅读器是否发生故障。当阅读器发生故障时，对故障阅读器进行检测，回收RFID系统所占用的全部通信资源，并采用智能优化算法对RFID系统的所有通信资源进行二次规划，使能够正常工作的阅读器获得新的时隙和信道资源，并在新的时隙和信道下进行工作；或回收故障阅读器所占用的通信资源，正常工作的阅读器所占有的时隙和信道资源保持不变，只是为空闲时隙的阅读器分配回收的时隙和信道资源，实现通信资源的优化分配，以减小由于阅读器故障带来的RFID系统标签识读效率整体性能的损失。
Description
技术领域
本发明涉及RFID射频领域，更具体地，涉及一种RFID阅读器防碰撞资源二次规划方法。
背景技术
射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是物联网的技术基础，广泛地运用于物流、制造、公共信息服务、金融等行业中。在多个阅读器协同工作时，RFID阅读器防碰撞算法常用来解决RFID系统中由于阅读器碰撞导致系统的标签识别效率低的问题。
传统的基于覆盖范围和基于资源调度的方法都能用来解决这类阅读器碰撞问题，使得RFID系统仍保持较高的标签识读效率。基于覆盖范围的阅读器防碰撞算法，通过调节各个阅读器的发射功率来控制通信范围，追求最小化阅读器之间重叠的询问区域，以降低阅读器碰撞概率；而基于资源调度的阅读器防碰撞算法的主要思想是将阅读器的防碰撞问题转化成为通信资源的最优化调度问题，并采用经典分配方法或者智能优化方法以达到缓解阅读器碰撞的目的。
在实际RFID系统应用(如智能仓库管理系统)中，通常会让多个阅读器协同工作来提高系统的标签识读能力。在工作过程中，因元器件老化、机械结构损坏等原因难免会出现阅读器故障的情形，从而导致阅读器系统的标签识读能力受损。在此情况下，故障阅读器原来占据的通信资源(时隙和信道资源)便不能得到充分地利用，而通常阅读器规划方法的最终目标是提高通信资源利用率以达到更高的标签识读效率。换而言之，获得通信资源的阅读器对于整个RFID系统的标签识读效率总是有一定贡献的。如今，当阅读器发生故障而停止工作时，并不会去对占有的资源释放，而是任由其存在，这种方式导致了通信资源的浪费，进而降低了标签识读效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种RFID阅读器防碰撞资源二次规划方法。在阅读器发生故障而停止工作时，释放故障阅读器的通信资源并对其进行二次规划，使得RFID系统因故障阅读器损坏导致的标签识读效率性能损失降低到最小程度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种RFID阅读器防碰撞资源二次规划方法，在一个完整的RFID系统中，利用智能优化算法获得当前RFID系统中阅读器的最优资源分配方案，检测阅读器是否发生故障，
当阅读器发生故障时，对故障阅读器进行检测，回收RFID系统所占用的全部通信资源，并采用智能优化算法对RFID系统的所有通信资源进行二次规划，使能够正常工作的阅读器获得新的时隙和通信资源，并在新的时隙和信道下进行工作，将这种二次规划方式称为完全二次规划；
或当阅读器发生故障时，对故障阅读器进行检测，回收故障阅读器所占用的通信资源，正常工作的阅读器所占有的时隙和信道资源保持不变，并采用智能方法对各个回收的信道资源进行分配，将这种二次规划方式称为部分二次规划。
本方法对存在故障阅读器的系统进行二次规划，为完全二次规划或部分二次规划两种方式。完全二次规划方案通过回收所有阅读器占用的通信资源，对当前能够工作的阅读器整体进行通信资源的重新规划，以期获得最大化的标签识读效率，从而消除RFID系统由于阅读器故障引起的标签识读效率性能损失。部分二次规划方案仅对发生故障的阅读器占用的时隙和信道资源进行回收，并在能够正常工作阅读器中选取合适的空闲阅读器，并为之分配回收的时隙与信道资源，以减小RFID系统的标签识读效率性能损失。
其中，回收RFID系统所占用的全部通信资源包括回收RFID系统所有能够用的时隙资源、信道资源，获得系统总阅读器个数、发生故障阅读器的个数、以及能够正常工作阅读器的位置信息。
其中，回收故障阅读器所占用的通信资源包括阅读器发生故障时所占用的时隙资源和信道资源。
并且，回收故障的阅读器所占据的时隙资源和信道资源时，还确定了当前发生故障时刻能够正常工作阅读器的时隙资源和信道资源的占用状态。
对通信资源进行部分二次规划时，选择任意一个回收时隙，获得其对应的回收信道资源，根据得到的回收信道数量与在该时隙能够正常工作的空闲阅读器数量之间的大小关系，对得到的回收信道资源进行分配。
在选定的回收时隙下，回收信道数量小于或者等于能够正常工作的空闲阅读器数量时，则将回收信道资源随机地分配给在数量上等于回收信道数量的能够正常工作的部分空闲阅读器。
在选定的回收时隙下，回收信道数量大于能够正常工作的空闲阅读器数量时，随机地选择在数量上等于能够正常工作的空闲阅读器数量的回收信道，并随机地分配给能够能够正常工作的空闲阅读器。
本发明中的智能优化算法是遗传算法，即采用遗传算法获得当前RFID系统中阅读器的最优资源分配方案。
本发明的有益效果是，通过对发生故障的RFID系统阅读器的通信资源进行回收，并对阅读器占用的通信资源进行完全地或者部分地二次规划，实现通信资源的优化分配，以减小由于阅读器故障带来的RFID系统标签识读效率整体性能的损失。
附图说明
图1是用于RFID阅读器防碰撞资源规划的染色体编码格式示意图。
图2是用于RFID阅读器防碰撞资源规划的遗传算法流程图。
图3是RFID阅读器防碰撞资源完全二次规划方案的系统框图。
图4是RFID阅读器防碰撞资源部分二次规划方案的系统框图。
图5是RFID系统阅读器正常工作时的通信资源分配示例图。
图6是RFID系统发生阅读器故障后的通信资源分配示例图。
图7是RFID阅读器防碰撞资源完全二次规划方案的示例图。
图8是RFID阅读器防碰撞资源部分二次规划方案的示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
在一个完整的RFID应用系统中，根据其工作区域范围、阅读器数量、阅读器位置、可用的时隙资源以及信道资源等数据信息，利用智能优化算法可获得当前RFID应用系统阅读器的最优资源分配方案，即确定每个阅读器在某个特定的时隙时工作在某个特定的信道。RFID应用系统服务器按照获得的资源分配方案将通信资源分配到各个阅读器，各个阅读器在获得可用的时隙资源和信道资源之后，将在所分配的指定时隙和信道上工作并询问RFID标签，获取标签ID等相关信息。当RFID应用系统中一个或多个阅读器发生故障后，若阅读器继续在应用系统所给定的原有资源分配方案下工作，则可能会导致阅读器通信资源闲置或浪费，从而引起RFID应用系统标签识读效率损失。因此，本发明对阅读器所占用的通信资源进行回收，然后对这些通信资源进行二次规划，以期使得RFID系统标签识读效率的损失降到最低程度。
在阅读器防碰撞资源初始(一次)规划或完全二次规划方案中，遗传算法可作为智能优化工具对可用的时隙资源和信道资源进行规划调度。在利用遗传算法解决RFID系统资源分配过程中，可对RFID应用系统待优化的参数(如时隙数NSlot、可用信道数NFreq、可工作的阅读器数量NReader)进行染色体编码，具体的染色体编码格式如图1所示。在图1中，R1表示第1个阅读器，Rk表示第k个阅读器，如此类推，表示第NReader个阅读器。相应地，CHk(i)表示第k个阅读器在第i个时隙选择的信道。经编码后，每个染色体对应于一种RFID应用系统通信资源分配方案。那么，根据每一种资源分配方案，可求得在RFID应用系统中的标签识读效率，也就是说，资源分配方案所对应的标签识读效率可以作为染色体的适应度值。在遗传算法中，染色体主要经历三个基本算子，即选择算子、交叉算子和变异算子。根据如图2所示的遗传算法流程图，染色体首先经历选择算子，适应度值较高的染色体个体将参与交叉运算。然后，染色体经历交叉算子，随机选择两个染色体个体，根据交叉概率随机确定并交换它们的染色体基因位，从而得到新的染色体。最后，染色体经历变异算子，根据一定的变异概率，群体中染色体个体的某些基因位将发生改变。不断地重复以上的三个算子，直至满足算法终止条件，即迭代次数到达预设的最大代数，输出最优的染色体(即最优调度方案)。除遗传算法以外，用于求解阅读器资源调度问题的其它智能算法还有粒子群算法、模拟退火算法和人工免疫网络算法。
图3为RFID阅读器防碰撞资源完全二次规划方案的系统图。如图3所示，系统前端输入为当前系统回收的所有可用的通信资源，包括时隙资源NSlot、信道资源NFreq、系统可工作阅读器的个数NReader-NFault(NFault为发生故障阅读器的个数)及其相应的位置信息。系统将回收的通信资源重新利用智能优化算法分配给除故障阅读器外的所有可正常工作的阅读器，使可正常工作的阅读器获得新的时隙和通信资源，并在新的时隙和信道下进行工作。
图4为RFID阅读器防碰撞资源部分二次规划方案的系统图。如图4所示，系统前端输入为RFID系统发生阅读器故障前的原资源分配方案和故障阅读器信息(包括故障阅读器数量、位置以及他们在原分配方案中所占有的时隙和信道资源)。系统首先回收发生故障的阅读器所占用的时隙和信道资源，而正常工作的阅读器所占有的时隙和信道资源保持不变，然后，对各个回收的时隙资源进行分配。对于任意一个回收时隙，获得其对应的回收信道资源，当回收信道数量小于或者等于可正常工作的空闲阅读器数量时，则将回收信道资源随机地分配给在数量上等于回收信道数量的可正常工作的部分空闲阅读器；当回收信道数量大于可正常工作的空闲阅读器数量时，随机地选择在数量上等于空闲阅读器数量的回收信道，并随机地分配给可正常工作的空闲阅读器。通过以上描述的机制进行RFID阅读器防碰撞资源部分二次规划，可以得到一个新的时隙和信道资源分配方案。
当RFID应用系统经过通信资源完全二次规划或部分二次规划后，对于除故障阅读器外的可正常工作阅读器组成的RFID系统，可获得一个新的通信资源分配方案。同样地，RFID系统服务器按照获得的新的资源分配方案将通信资源分配到各个可正常工作的阅读器。各个可正常工作的阅读器在获得了可用的时隙资源和信道资源之后，将在所分配的新的指定时隙和信道上工作并询问RFID标签，识读RFID标签ID等相关信息。
图5为RFID阅读器正常工作的资源分配示例图。如图5所示，假设该系统有10个阅读器(即NReader＝10)，可用时隙数为5个(即NSlot＝5)，可用信道数为10个(即NFreq＝10)，星形符号(*)表示可正常工作的阅读器所在位置，(Si,Cj)指向的圆形代表该阅读器在分配得到的第i个时隙资源和第j个信道资源下的有效识读范围。
图6为RFID系统有一个RFID阅读器发生故障且尚未进行二次规划的资源分配示例图。如图6所示，发生故障后的阅读器R1用实心三角形符号(▲)表示。当RFID阅读器发生故障时，那么它将失去识读标签的能力，也就是说其有效识读范围总为零，而其他可正常工作的阅读器仍按照原来分配的时隙和信道资源继续进行标签识读。
图7为RFID阅读器防碰撞资源完全二次规划方案的示例图。如图7所示，在其中一个阅读器产生故障后，系统将回收全部时隙和信道资源，并重新分配给除故障阅读器外的可正常工作的阅读器，各可正常工作的阅读器获得新分配的资源后，在新的时隙和信道资源下进行标签识读，使得RFID系统标签识读效率的损失降到最低程度。
图8为RFID阅读器防碰撞资源部分二次规划方案的示例图。如图8所示，可正常工作的阅读器所分配的资源保持不变，仅回收发生故障的阅读器R1所占据的时隙资源和信道资源，并对回收资源进行再分配。如从阅读器R1回收的(S1,C1)资源和(S5,C8)资源被二次分配给阅读器R2，从阅读器R1回收的(S2,C7)资源被二次分配给阅读器R4，从阅读器R1回收的(S3,C5)资源被二次分配给阅读器R9。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种RFID阅读器防碰撞资源二次规划方法，在一个完整的RFID系统中，利用智能优化算法获得当前RFID系统中阅读器的最优资源分配方案，其特征在于，检测阅读器是否发生故障，
当阅读器发生故障时，对故障阅读器进行检测，回收RFID系统所占用的全部通信资源，并利用智能优化算法对所有通信资源进行二次规划，使能够正常工作的阅读器获得新的时隙和信道资源，并在新的时隙和信道下进行工作；
或当阅读器发生故障时，对故障阅读器进行检测，回收故障阅读器所占用的通信资源，正常工作的阅读器所占有的时隙和信道资源保持不变，并采用智能方法对各个回收的时隙和信道资源在空闲时隙的阅读器中进行分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，回收RFID系统所占用的全部通信资源包括回收RFID系统所有可用的时隙资源、信道资源，获得系统总阅读器个数、发生故障阅读器的个数、以及能够正常工作阅读器的位置信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用智能优化算法所有通信资源进行完全二次规划，为除故障阅读器外的所有能够正常工作的阅读器分配新的时隙和信道资源，使能够正常工作的阅读器在获得的新的时隙和信道下进行工作。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，回收故障阅读器所占用的通信资源包括阅读器发生故障时所占用的时隙资源和信道资源。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，回收故障的阅读器所占据的时隙资源和信道资源时，还确定了当前发生故障时刻能够正常工作阅读器的时隙资源和信道资源的占用状态。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对通信资源进行部分二次规划时，选择任意一个回收时隙，获得其对应的回收信道资源，根据得到的回收信道数量与在该时隙能够正常工作的空闲阅读器数量之间的大小关系，对得到的回收信道资源进行分配。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在选定的回收时隙下，回收信道数量小于或者等于能够正常工作的空闲阅读器数量时，则将回收信道资源随机地分配给在数量上等于回收信道数量的能够正常工作的部分空闲阅读器。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在选定的回收时隙下，回收信道数量大于能够正常工作的空闲阅读器数量时，随机地选择在数量上等于能够正常工作的空闲阅读器数量的回收信道，并随机地分配给能够能够正常工作的空闲阅读器。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，采用遗传算法获得当前RFID系统中阅读器的最优资源分配方案。
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