CN104392191B - 一种有源rfid低功耗防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID防碰撞方法，使用该方法，在盘点过程中可以产生明确的时间信息，使得标签可以估计空闲时间，降低功耗，特别适合于有源RFID系统采用。方法同时具有流程简单、收敛速度快、抗捕获、盘点效率较高等特征，也可以用于无源RFID系统。

Description

一种有源RFID低功耗防碰撞方法

技术领域

本发明涉及RFID领域。

背景技术

射频识别即RFID(Radio Frequency Identification)是利用射频信号识别目标对象并获取其相关数据信息的一种自动识别技术。通常在RFID系统读写器覆盖范围内有多个标签，为防止读写器发出指令时，多个标签在同一时刻响应发生通信碰撞，需采取防碰撞措施。目前RFID系统普遍采用基于TDMA(时分多址)的算法，主要分为两大类：二进制树算法和ALOHA算法。

二进制树算法是一种确定性算法，其基本原理为读写器发送带有标签ID编码的搜索命令，ID号小于该ID编码的标签进行响应，读写器根据发生碰撞的ID数据位，不断地将发生碰撞的标签进行划分，以得到唯一的标签。

ALOHA算法是一种概率性算法，其基本原理是待识别的标签随机选择在不同的时间段响应阅读器，从而避免发生碰撞。在基本ALOHA算法的基础上，引入时隙概念，又发展派生出诸如时隙ALOHA(SA)算法、固定帧时隙ALOHA(FSA)算法和动态帧时隙ALOHA(DFSA)算法等。SA算法主要是将整个信道在时间轴上划分出一段一段的时隙，标签只能随机的选择某一时隙发送信息，发生碰撞后，标签随机等待一段时间再次传送信息；FSA算法是在SA算法的基础上，规定一定数量的时隙为一帧，标签同样随机选择该帧中某一时隙发送信息，发生碰撞后，标签会退出该帧，等待下一帧再随机选择时隙；DFSA算法则又做了改进，读写器通过估计并跟踪剩余标签数量，动态改变帧长度以改善系统性能。

以上两类算法中，二进制树算法直接对TID编码进行搜索，若标签ID较长，整个搜索过程会十分复杂，而标签为了确保不被漏读，需要随时准备接收读写器的所有搜索命令，对于有源标签来说，需要较大的功耗代价。ALOHA算法，在整个盘点过程中，未盘点到的标签同样需要在不确定的时刻对读写器命令做出响应，始终保持在高功耗状态，同样对有源RFID标签寿命不利。

此外，为降低通信数据量，现有的许多算法，多采用随机数方式接入，实际应用发现，在同一时隙中存在一定的概率有多个标签产生相同的随机数，若有一个标签的能量很强，则读写器可以正常解析该标签的响应并进行确认，信号能量较弱的标签同样会受到确认指令，并认为被成功盘点，造成标签漏读，这一问题通常称为“捕获”。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种有助于降低有源RFID标签功耗的防碰撞方法，降低标签盘点过程中标签的功耗、提高标签寿命。为避免产生捕获问题，该方法建议盘点过程中采用各标签互不相同的信息进行成功确认，但不排除可能导致捕获问题的随机数确认方式。

该方法基本原理是：通过采用具有明确时间信息的盘点流程，使得标签可以估计工作时间、空闲时间，在空闲时间进入低功耗状态，以降低功耗。

进一步地，该方法将盘点过程分为参数配置和盘点两个阶段。在参数配置阶段，完成标签时隙宽度、操作范围等共性信息配置；在盘点阶段，采用分帧接入方式，每帧包括若干时隙，盘点过程中，每个已启动帧中时隙数量不变，以便标签估计工作时间、空闲时间，在空闲时间进入低功耗状态，降低功耗。

具体步骤如下：

1)参数配置阶段，读写器发送盘点配置命令，配置标签参数，将时隙宽度、操作范围、休眠标识等共性信息广播给所有标签；

2)标签收到盘点配置命令后，根据操作范围信息进行判断，不在操作范围内的标签自动休眠，在操作范围的标签根据盘点配置命令配置标签参数信息；

3)盘点阶段，读写器发送帧起始命令，其中每帧包括若干时隙，未成功盘点且与当前帧号相同的标签参与当前帧接入，参与当前帧接入的标签随机选择一个时隙响应并返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙进行低功耗处理；

4)未成功盘点且与当前帧号不相同的标签不参与当前帧接入，根据时隙宽度、时隙数估计空闲时间，进行低功耗处理，在所有时隙全部结束后醒来接收新的读写器命令；

5)若读写器成功接收到标签返回的帧起始命令响应数据，则发送成功确认命令，若命令中的编码信息与标签响应信息相同，则该标签被成功盘点，不再参与后续盘点操作，否则标签未被成功盘点，继续参与后续盘点操作；

6)盘点成功后，若休眠标识指示标签进入休眠状态，则直接休眠，否则记录时隙号，并根据当前及后续盘点命令，估计空闲时间，进入低功耗状态，直至盘点过程结束，进入工作状态，接收读写器其他命令；

7)当前帧中的各时隙全部结束后,读写器根据当前帧的盘点情况对剩余标签进行估计，若在接入帧数量和接入时隙数量已调整为最小值时，当前帧读写器未盘点到标签，且未检测到碰撞，则转步骤8)；否则判断是否需要调整接入帧数量和接入时隙数量，若需调整，重置帧起始命令中当前帧号,更新接入帧数量和接入时隙数量，发送帧起始命令，转步骤3)；若无需调整，则帧起始命令中当前帧号递加，转步骤3)；

8)盘点流程结束，所有操作范围内的标签被成功盘点。

附图说明

图1盘点过程示意图

图2典型盘点流程示意图1(Q值、N值调整)

图3典型盘点流程示意图2(Q值、N值稳定后)

具体实施方式

本发明主要目的在于提供一种降低有源RFID标签功耗的防碰撞方法，提高标签寿命。该方法基本原理是：通过采用具有明确时间信息的盘点流程，使得标签可以估计工作时间、空闲时间，在空闲时间进入低功耗状态，以降低功耗。

本发明将盘点过程分为参数配置和盘点两个阶段。在参数配置阶段，完成标签时隙宽度、操作范围等共性信息配置；在盘点阶段，采用分帧接入方式，每帧包括若干时隙，盘点过程中，每个已启动帧中时隙数量不变，以便标签估计工作时间、空闲时间，在空闲时间进入低功耗状态，降低功耗。

典型的分帧方式包括随机数分帧和TID分帧两种方式，这里以随机数分帧为例，说明发明的具体实施方式。

(一)定义读写器命令及标签响应

1)参数配置阶段命令及响应定义

参数配置阶段完成盘点过程所需共性信息的配置，典型共性信息包括但不限于时隙宽度、操作范围、休眠指示等。根据信息量的多少，共性信息配置可以通过一条或多条命令完成，该类命令是广播命令，标签收到该命令后，进行内部相关盘点过程参数配置，但不能采用空口数据进行响应，以免发生碰撞。

一种典型的共性信息配置命令结构如表1所示，为便于识别，下称盘点配置命令。

表1一种典型的盘点配置命令结构

其中，帧同步信息用于实现接收过程中数据同步，通常由预先定义的帧同步字段组成。

命令标识信息是整个指令系统中，各条指令的“身份证”，用于区分不同指令，通常由命令ID字段组成。

时隙信息用于指定盘点过程中每个时隙的时间长度，通常包括时隙单位和时隙宽度两个字段，典型时隙单位如微秒(us)、毫秒(ms)、秒(s)等。

操作范围信息用于选择参与盘点的标签或指定待盘点的信息。在表1所示的盘点配置指令中，操作范围信息由MASK逻辑字段与MASK信息字段组成，可用于对标签ID(TID)进行过滤，减少参与盘点过程的标签数量；降低盘点过程中标签响应、读写器确认指令的长度，提高盘点效率。典型地MASK逻辑字段由位选择信息和逻辑信息共同组成，位选择信息如“前向选择X位”、“后向选择X位”等，逻辑信息如“等于”、“不等于”、“大于”、“小于”等；MASK信息典型地由部分TID信息组成。例如TID共由8字节组成，可以通过“前向选择16位”、逻辑“等于”和长度为16位的MASK信息，实现对TID前16位与MASK信息相同的标签的盘点。该操作的作用有两个，一是实现标签选择，避免操作无关的标签(该例中TID前16位与MASK信息不同的标签)参与盘点操作，降低盘点效率，同时无关的标签可以直接进入休眠状态，节省功耗；二是在盘点过程中，标签响应数据和读写器确认数据中可以不包括与MASK信息相同的部分，降低通信数据量，提高盘点速度。

休眠标识信息用于指定被成功盘点的标签完成盘点即收到读写器盘点成功确认命令后，是否进入休眠状态。

其他信息包括诸如其他共性配置信息或命令完整性校验信息等。

2)盘点阶段命令及响应定义

盘点阶段完成对操作范围内所有标签的盘点。该阶段采用分帧接入方式，典型的分帧方式包括随机数分帧和TID分帧两种方式，以随机数分帧为例，该阶段的主要读写器命令包括两条，“帧起始命令”与“成功确认命令”；标签响应包括一条“帧起始命令响应”。

a)帧起始命令

一种典型的帧起始命令结构如表2所示。

表2一种典型的帧起始命令结构

帧同步信息	命令标识	分帧信息	当前帧信息	时隙数量信息	其他信息
						帧同步	命令ID	帧数量Q	当前帧号F	时隙数量N	——

其中，帧同步信息、命令标识信息含义与表1相同。

分帧信息用于指定接入帧总数，根据应用需要可以采用指数方式或线性方式，在指数方式中，帧数量通常取2^Q，在线性方式中，帧数量通常取Q，作为典型示例，这里选择2^Q。

当前帧信息F用于指定当前接入帧号，做为典型示例取值介于0至“2^Q-1”之间，用于选择参与当前帧的标签。

时隙数量信息用于指定每个接入帧的时隙数量，通常取线性值，N代表一帧中包括N个时隙。

其他信息包括诸如命令完整性校验信息等。

b)帧起始命令响应

接收到帧起始命令后，标签根据当前状态、帧起始命令参数等的不同，响应分别如下：

(1)已被成功盘点的标签，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令。

(2)对未被成功盘点的标签，若帧起始命令中当前帧信息F为0，则在[0,2^Q-1]之间生成随机数q，在[0,N-1]之间生成随机数n。随机数q代表标签参与接入的帧号，随机数n代表标签在一个帧内返回响应数据的时隙号。生成的随机数q为0(与F相同)的标签参与当前帧接入，并在第n个时隙向读写器返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙，进行低功耗处理，节省功耗；生成随机数不为0的标签不参与当前帧接入，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令。

(3)对未被成功盘点的标签，若帧起始命令中当前帧信息F不为0，则判断先前生成的随机数q是否与F相同，相同则参与当前帧接入，并根据先前生成的随机数n，在第n个时隙向读写器返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙，进行低功耗处理，节省功耗；q与F不同的标签不参与当前帧接入，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令。

一种典型的帧起始命令响应结构如表3所示。

表3一种典型的帧起始命令响应结构

帧同步信息	命令标识	响应信息
			帧同步	命令ID	MTID

其中，帧同步信息、命令标识信息含义与表1相同。

响应信息用于返回标签响应数据，为避免产生捕获问题，该方法建议标响应数据采用各标签互不相同的信息，典型地可以采用经过MASK信息处理后的TID编码信息MTID。

进一步地，一个帧起始命令可以对应多个帧起始命令响应，由参与当前帧接入的标签根据自身随机数n，在[0,N-1]个时隙返回给读写器。

c)盘点成功确认命令

读写器在第n个时隙内成功收到某个标签的响应数据后，将在同一时隙内向该标签发送盘点成功确认命令，通知标签已被成功盘点。

一种典型的成功确认命令结构如表4所示。

表4一种典型的成功确认命令结构

帧同步信息	命令标识	标签响应信息	监测时隙信息	其他信息
					帧同步	命令ID	MTID	时隙号SNsuccess	——

其中，帧同步信息、命令标识信息含义与表1相同。

标签响应信息用于对被成功盘点的标签进行确认，典型地与标签返回的帧起始命令响应中的MTID信息相同。

监测时隙信息为可选信息，可用于向标签分配后续时隙操作，如监测操作的时隙号SN_success。

其他信息包括诸如其他附属信息或命令完整性校验信息等。

(二)典型盘点流程

在上述盘点命令与响应定义下，一种典型盘点流程如下：

1)首先，读写器发送盘点配置命令，配置标签参数；

2)标签收到该命令后，根据MASK信息进行判断，若标签TID不符合MASK要求则自动休眠，符合根据命令配置MTID、时隙宽度和休眠标识等参数信息；

3)读写器发送帧起始命令，起始一帧，Q初始值为Q₀，N初始值为N₀，F初始值为0；

4)标签收到帧起始命令后，已被成功盘点的标签，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令；未成功盘点的标签在[0,2^Q-1]之间生成随机数q，在[0,N-1]之间生成随机数n。随机数q代表标签参与接入的帧号，随机数n代表标签在一个帧内返回响应数据的时隙号；

5)生成的随机数q为0(与F相同)的标签参与当前帧接入，并在第n个时隙向读写器返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙，进行低功耗处理，节省功耗；

6)生成随机数q不为0的标签不参与当前帧接入，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令；

7)若在某一时隙n，读写器成功接收到标签响应数据，则发送成功确认命令，标签收到该命令后，若命令中的MTID编码与标签发送的相同，则该标签被成功盘点，不再参与后续盘点操作，否则标签未被成功盘点，继续参与后续盘点操作；

8)盘点成功后，若休眠标识指示标签进入休眠状态，则直接休眠，否则记录时隙号SN_success，并根据当前及后续盘点命令，估计空闲时间，进入低功耗状态，直至盘点过程结束，进入工作状态，接收读写器其他指令；

9)当前帧中的N个时隙全部结束后,读写器根据当前帧的盘点情况对剩余标签进行估计，若Q为0，N为1，且当前帧读写器未盘点到标签，且未检测到碰撞，则转步骤14)，结束盘点过程；否则根据估计的剩余标签数量判断是否需要调整接入帧数量Q和接入时隙数量N，若需调整，F保持为0,更新Q值，N值，发送帧起始命令，转步骤4)；若无需调整，则F加1，转步骤10)；

10)读写器发送F不为0的帧起始命令，起始下一帧；

11)未被成功盘点的标签，接收到F不为0的帧起始命令后，首先判断先前生成的随机数q是否与F相同，相同则参与当前帧接入，并根据先前生成的随机数n，在第n个时隙向读写器返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙，进行低功耗处理，节省功耗；q与F不同的标签不参与当前帧接入，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令；

12)已被成功盘点的标签，接收到F不为0的帧起始命令后，根据时隙长度、时隙数N估计空闲时间，进行低功耗处理，在N个时隙后醒来接收新的读写器指令；

13)当前帧中的N个时隙全部结束后,F加1，若F＝2^Q，或读写器判断当前Q值、N值不合适，则调整Q值、N值，发送F为0的帧起始命令，转步骤4)，否则转步骤10)；

14)盘点流程结束，所有操作范围内的标签被成功盘点。

Claims (3)

1.一种有源RFID低功耗防碰撞方法，其特征在于通过具有明确时间信息的盘点流程，使得有源RFID标签可以估计工作时间、空闲时间，在空闲时间进入低功耗状态，降低功耗，防碰撞过程分为参数配置和盘点两个阶段，具体步骤如下：

1)参数配置阶段，读写器发送盘点配置命令，配置标签参数，将时隙宽度、操作范围、休眠标识共性信息广播给所有标签；

2)标签收到盘点配置命令后，根据操作范围信息进行判断，不在操作范围内的标签自动休眠，在操作范围的标签根据盘点配置命令配置标签参数信息；

3)盘点阶段，读写器发送帧起始命令，其中每帧包括若干时隙，未成功盘点且与当前帧号相同的标签参与当前帧接入，参与当前帧接入的标签随机选择一个时隙响应并返回帧起始命令响应数据，在空闲时隙进行低功耗处理；

4)未成功盘点且与当前帧号不相同的标签不参与当前帧接入，根据时隙宽度、时隙数估计空闲时间，进行低功耗处理，在所有时隙全部结束后醒来接收新的读写器命令；

5)若读写器成功接收到标签返回的帧起始命令响应数据，则发送成功确认命令，若命令中的编码信息与标签响应信息相同，则该标签被成功盘点，不再参与后续盘点操作，否则标签未被成功盘点，继续参与后续盘点操作；

6)盘点成功后，若休眠标识指示标签进入休眠状态，则直接休眠，否则记录时隙号，并根据当前及后续盘点命令，估计空闲时间，进入低功耗状态，直至盘点过程结束，进入工作状态，接收读写器其他命令；

7)当前帧中的各时隙全部结束后,读写器根据当前帧的盘点情况对剩余标签进行估计，若在接入帧数量和接入时隙数量已调整为最小值时，当前帧读写器未盘点到标签，且未检测到碰撞，则转步骤8)；否则判断是否需要调整接入帧数量和接入时隙数量，若需调整，重置帧起始命令中当前帧号,更新接入帧数量和接入时隙数量，发送帧起始命令，转步骤3)；若无需调整，则帧起始命令中当前帧号递加，转步骤3)；

8)盘点流程结束，所有操作范围内的标签被成功盘点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于读写器发送帧起始命令，标签收到帧起始命令后，已被成功盘点的标签，根据标签参数信息估计空闲时间，进行低功耗处理，在当前帧结束后醒来接收新的读写器命令。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于与当前帧号不相同的标签不参与当前帧接入，根据时隙宽度、时隙数估计空闲时间，进行低功耗处理，在所有时隙全部结束后醒来接收新的读写器命令。