CN105205511B - 一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，通过在二进制分裂算法中引入一比特标识位，在识别过程中，利用标识位对标签进行预分组，然后再利用二进制随机数分裂思想将每组标签进行分裂识别。具体过程为：计时器为0的标签处于活动状态，当标识位F为0时，向读写器发送1比特Q信号，当标识位F为1时，则向读写器发送ID数据。读写器根据接收的标签响应反馈不同的反馈信号让标签执行相应的操作。与传统的二进制分裂算法相比，本发明方法彻底消除了识别过程中所产生的空闲时隙，因此可以节省识别过程中的协调时间开销，从而提高识别效率；此外，部分碰撞仲裁由Q信号辅助完成，从而有效减少了信息的传输量，降低了系统能耗。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域中的超高频(UHF)射频识别(RFID)多标签防碰撞技术，具体涉及一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法。
背景技术
快速识别是现代射频识别(radio frequency identification,RFID)系统的迫切需求，特别是物流管理、供应链管理，食品生产，生物电子及制药，工业自动化等领域。在大多数工业应用中，无源超高频(UHF)RFID由于其通信距离长，识别速度快，存储容量大，低成本等优点，更受青睐.RFID系统的一个典型应用是将大量标签贴在高密集度的产品上，然后快速而有效的识别它们。从而实现目标产品的追踪与识别.由于多个标签共享同一个信道与读写器进行通信，从而导致了多标签碰撞问题。UHF RFID系统读写器覆盖范围广，系统内覆盖的标签数目很多，同时对标签的读写要求很高，这样使得UHF RFID系统的标签碰撞问题更为突出。因此，高效、稳定、可实现的防碰撞算法是UHF RFID系统的核心，也是UHF RFID产业化的一个先决条件。
典型的，标签防碰撞算法可以分为概率性算法和确定性算法。确定性算法又称为查询树(query tree,QT)算法，主要基于碰撞比特识别和追踪技术。然而，在UHF RFID系统中，由于读写器端的接收信号存在频率偏移，导致读写器不能有效的检测到具体的碰撞位，因此使得QT类算法难以应用到UHF RFID系统中，诸如EPCglobal C1Gen2或者ISO/IEC18000-6B工业标准。在EPCglobal C1Gen2系统中，不同标签的调制信号的符号速率偏移高达22％，这就意味着不同标签的响应最大间隔时间为24微秒(μs)。类似地，在ISO/IEC18000-6B标准中，标签的符号数率偏差高达15％.
概率性算法可以分为Aloha类算法和二进制分裂算法(binary splitting,BS)。由于Aloha类算法并不能保证标签完全识别，存在‘标签饥饿’问题，即某个标签在较长时间内都无法得到识别。因此，本文发明研究主要集中在BS算法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术识别效率低，协调传输时间长，识别延迟高等，复杂度高等不足的缺陷。本发明提供一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，在现有BS类算法的标签上引入一个二进制标识位，利用二进制标识位来辅助分裂标签群，通过本发明的分裂方法可以彻底消除BS类算法的空闲时隙，减少协调时间，从而提高识别效率。
本发明的技术方案为：一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，包括：
S1：初始化识别过程，将标签计数器Tc，随机数发生器Q，标识位F均为0；
所述随机数发生器Q，标识位F均为二进制数；
S2：读写器发送查询命令，读写器工作范围内的所有未识别标签接收到查询命令；
S3：当标签的计数器Tc＝0时，向读写器返回数据；所述返回数据包括：若标签的标识位F＝0，则该标签向读写器返回一比特Q信号；若标签的标识位F＝1，则该标签向读写器返回其ID数据；
S4：读写器接收标签返回的数据，并进行响应；具体为：若读写器接收到的是标签返回的Q信号，则执行步骤S40；若读写器接收到的是标签的ID数据，则执行步骤S41；
S40：当读写器接收到无碰撞的Q信号，则读写器向所有未识别标签返回Q-成功的反馈的信号，当所有Tc＝0的标签接收到Q-成功的反馈信号后，将自身的标识位F置为1，即：F＝1，并向读写器返回其ID数据；
当读写器接收到的Q信号为碰撞信号，则读写器向所有未识别标签发送Q-碰撞的反馈信号，其中，Tc＝0的标签将各自随机产生的Q值加到自身的计数器上并将标识位F清零，即：Tc＝Tc+Q，F＝0；Tc>0的标签将自身计数器Tc加1，即：Tc＝Tc+1；
S41：当读写器接收到无碰撞的ID数据，则表示当前时隙为成功时隙，读写器向所有未识别标签返回ID-成功的反馈信号，当所有未识别标签接收到ID-成功的反馈信号后，将各自的计数器Tc减1，即：Tc＝Tc-1；
当读写器接收到碰撞的ID数据，则表示当前时隙为碰撞时隙，并向所有未识别标签发送ID-碰撞的反馈信号，当所有Tc＝0的标签接收到ID-碰撞的反馈信号后，将各自的标识位F清零，即：F＝0；
S5：若标签的计数器Tc<0，则标记该标签为已识别标签，所有已识别标签在后续识别过程中保持静默；
S6：判断是否所有标签的计数器值Tc均小于0，若是，则结束；否则跳转到步骤S2。
进一步的，所述标签向读写器返回的数据采用FM0或曼彻斯特编码方式。
本发明的有益效果：本发明提供的基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，通过在识别过程中采用标识位信号对碰撞标签进行辅助分裂：即标签接收到读写器查询命令后，Tc＝0，F＝0的标签向读写器返回自身随机产生的二进制Q信号，若Q碰撞，读写器则可以通过反馈信号将标签进行分组，减少了BS类算法中ID数据的传输；若Q成功，标签会向读写器返回ID数据，通过ID数据来判断当前时隙是否成功，这样做的好处在于，任一时隙内都有标签响应读写器的查询命令，消除了BS类算法中的空闲时隙，减少了查询命令的发送次数及协调时间，从而提高效率。其次，本发明的算法实现简单，所需要的硬件资源少，同Aloha类算法相比，可以降低系统复杂度，从而该发明可以很好的应用在低成本的移动、手持读写器中。
附图说明
图1为本发明的一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法流程图。
图2为采用本发明的方法完成三个标签识别的识别过程示意图。
图3为采用经典的ABS算法完成三个标签识别的过程图。
图4为本发明的一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法在吞吐率上的优势曲线。
图5为本发明的一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法在时间效率上的优势曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。如图1所示为本发明一种基于空闲时隙消除的二进制分裂算法，其具体包括以下步骤：
S1：读写器初始化识别过程，在初始化阶段，标签计数器Tc，随机数发生器Q，标识位F均为0，其中Q与F均为二进制数0或1。
S2：读写器发送查询命令，读写器工作范围内的所有未识别标签(未识别的标签Tc≥0，下文用Tc≥0指代未识别标签)接收到读写器的查询命令。
S3：若标签计数器值Tc＝0，则向读写器返回数据；所述返回数据具体为：当标签的标识位F＝0，则该标签向读写器返回1比特Q信号，Q为标签随机产生的一个二进制数；当标签的标识位F＝1，则标签向读写器返回其ID数据。所述标签向读写器返回的数据采用FM0或曼彻斯特编码方式。
S4：读写器接收标签响应，若读写器根据接收到的是标签返回的进行相应的响应，具体有以下几种情况；
若读写器接收到无碰撞的Q信号，则向标签返回Q-成功的反馈的信号，当所有Tc＝0的标签接收到Q-成功的反馈信号后，将自身的标识位F置为1，即：F＝1，并向读写器返回其ID数据。
若读写器接收到的Q信号为碰撞信号，那么读写器直接发送Q-碰撞的反馈信号，其中Tc＝0的标签将各自随机产生的Q值加到自身的计数器Tc上并将标识位F清零，即：Tc＝Tc+Q，F＝0；Tc>0的标签将自身计数器值加1，即：Tc＝Tc+1。
若读写器能够无碰撞接收到标签返回的ID数据，则说明当前时隙为成功时隙，读写器会返回给标签ID-成功的反馈信号，当所有Tc≥0的标签接收到ID-成功的反馈信号后会将自身的计数器值减1，即：Tc＝Tc-1。
若读写器在发送Q-成功的反馈信号后，接收到碰撞的ID数据，那么读写器此时判断该时隙为碰撞时隙，并向标签发送ID-碰撞的反馈信号，当所有Tc＝0的标签接收到这一反馈信号后，将自身的标识位清零，即：F＝0。
S5：若标签的计数器Tc<0，则标记该标签为已识别标签，所有已识别标签在后续识别过程中保持静默。
S6：检测判决，是否所有标签的计数器值Tc均小于0，若是，则读写器已完成对所有标签的识别，则整个识别过程结束；否则，跳转到步骤S2。
本发明可应用于单个读写器和多个标签组成的RFID环境中，解决多个标签同时与读写器通信时所产生的多标签碰撞问题，本发明的算法实现简单，未识别的标签值需要接收读写器命令，然后做出相应的响应，具体的响应方式如图1所示。值得注意的是，若标签的Tc＝0，且F＝1时，标签会向读写器发送ID数据。
为了进一步说明本发明的内容，下面以3个标签的识别过程为例，根据图1所示的算法流程图，识别过程如表1以及图2所示。
表1采用本发明的方法识别标签A、B、C的过程
| 时隙 | 时隙状态 | 标签A | 标签B | 标签C | 识别结果 |
| 1 | ID-碰撞 | (0,1,1) | (0,1,1) | (0,1,1) | 碰撞 |
| 2 | Q-碰撞 | (0,0,0) | (0,1,0) | (0,1,0) | 碰撞 |
| 3 | ID-成功 | (0,0,1) | (1,x,0) | (1,x,0) | A被成功识别 |
| 4 | ID-碰撞 | (-1,x,x) | (0,1,1) | (0,1,1) | 碰撞 |
| 5 | Q-碰撞 | (-1,x,x) | (0,0,0) | (0,1,0) | 碰撞 |
| 6 | ID-成功 | (-1,x,x) | (0,0,1) | (1,x,0) | B被成功识别 |
| 7 | ID-成功 | (-1,x,x) | (-1,x,x) | (0,0,1) | C被成功识别 |
具过程如下：
初始化状态时，标签的计数器Tc，随机数发生器Q，以及标识位F均为0。
在时隙1中，读写器发送查询命令，此时三个标签均响应，且产生的随机数Q均为1，根据算法的原则，标签向读写器发送Q信号，读写器无碰撞的接收到Q＝1后发送Q-成功的反馈信号，此时三个标签的标识位F均置1并向读写器返回ID数据，由于读写器接收到的ID数据碰撞，因此当前时隙为ID-碰撞时隙，三个标签的Tc均被清零。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，则读写器继续发送查询命令，在时隙2中，标签A生成的随机数Q＝0，标签B和C生成的随机数Q＝1，由于各标签的标识位F＝0，则3个标签同时向读写器发送各自生成的Q信号，由于接收到的Q信号碰撞，因此读写器广播Q-碰撞的反馈信号，3个标签收到该反馈信号后，执行Tc＝Tc+Q，F＝0；则标签A的计数器Tc＝0，标签B和C的计数器Tc＝1；至此，碰撞标签根据计数器Tc值，被分为0/1两组，即标签A为计数器Tc＝0的一组，标签B和标签C为Tc＝1的一组。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，读写器发送查询命令，在时隙3中，只有标签A的Tc＝0，由标签A的标识位F＝0，标签向读写器发送Q信号，读写器收到无碰撞的Q信号后，用Q-成功的反馈信号将标签A的标识位F置1，从而标签A向读写器发送其ID，读写器成功的接收到标签A的ID数据，因此当前时隙为ID-成功时隙，标签A被识别，此时所有标签的Tc减1，则标签A的Tc＝-1不再响应后续查询命令；标签B和C的Tc＝0。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，读写器发送查询命令，在时隙4中，标签B和C均产生Q＝1的随机数，并向读写器发送Q信号，读写器无碰撞的接收到Q＝1后发送Q-成功的反馈信号，此时B、C两个标签的标识位F均置1并向读写器返回其ID数据，由于读写器接收到的ID数据碰撞，因此当前时隙为ID-碰撞时隙，B、C两个标签的Tc均被清零。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，读写器发送查询命令，在时隙5中，标签B和C分别产生Q＝0和Q＝1的随机数，由于B、C两个标签的标识位F＝0，则B、C两个标签同时向读写器发送各自生成的Q信号，由于接收到的Q信号碰撞，因此读写器广播Q-碰撞的反馈信号，B、C两个标签收到该反馈信号后，执行Tc＝Tc+Q，F＝0；则标签B的计数器Tc＝0，标签C的计数器Tc＝1；至此，碰撞标签根据计数器Tc值，被分为0/1两组，即标签B为计数器Tc＝0的一组，标签C为Tc＝1的一组。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，读写器发送查询命令，在时隙6中，只有标签B的Tc＝0，由标签B的标识位F＝0，标签B向读写器发送Q信号，读写器收到无碰撞的Q信号后，用Q-成功的反馈信号将标签B的标识位F置1，从而标签B向读写器发送其ID，读写器成功的接收到标签B的ID数据，因此当前时隙为ID-成功时隙，标签B被识别，此时所有标签的Tc减1，则标签B的计数器Tc＝-1，标签C的计数器Tc＝0。
通过判断各标签的计数器，得出未完成识别，读写器发送查询命令，在时隙7中，仅有标签C的Tc＝0，由标签C的标识位F＝0，标签C向读写器发送Q信号，读写器收到无碰撞的Q信号后，用Q-成功的反馈信号将标签C的标识位F置1，从而标签C向读写器发送其ID，读写器成功的接收到标签C的ID数据，因此当前时隙为ID-成功时隙，标签C被识别，此时所有标签的Tc减1，即标签C的计数器Tc＝-1，此时所有标签的Tc均小于0，整个识别过程结束。
如表2以及图3所示，为ABS算法识别以上A、B、C，3个标签的过程，此部分为本领域技术人员的公知常识，在此不作详细描述，由表1、表2、图2以及图3对比可知，本发明基于空闲时隙消除的二进制分裂方法相对于经典ABS算法消除了空闲时隙，减少了查询次数，提高了识别效率。
表2采用ABS算法识别标签A、B、C的过程
将现有的经典算法与本发明的方法在吞吐率、时间效率以及算法复杂度上进行比较，现有经典算法中，GDFSA为基于分组动态帧时隙Aloha算法，ILCM为基于增强型线性融合模型的防碰撞算法，MAP为基于最大后验概率的防碰撞算法，FACA为快速防碰撞算法，ABS为经典的自适应BS算法。本发明方法记为ISE-BS(idle slots elimination based binarysplitting,ISE-BS)。
如图4及表3所示为本发明的方法与现有经典算法在吞吐率上的比较，吞吐率计算式为：n/Nslots，其中，n为识别的标签数，Nslots为识别n个标签所需的时隙数。
表3本发明方法与现有经典算法吞吐率及波动率比较
| 算法名称 | 平均吞吐率 | 提升百分比 | 波动率 | 提升百分比 |
| ILCM | 0.3297 | * | 5.88％ | * |
| GDFSA | 0.3381 | 2.55％ | 5.30％ | 9.86％ |
| FACA | 0.3389 | 2.79％ | 2.27％ | 61.4％ |
| MAP | 0.3409 | 3.40％ | 5.36％ | 8.84％ |
| ABS | 0.3447 | 4.55％ | 0.57％ | 90.3％ |
| ISE-BS | 0.4065 | 23.3％ | 0.61％ | 89.6％ |
从上述结果可知，BS类算法的平均吞吐率高于Aloha类算法.特别地，ISE-BS算法的平均吞吐率达到了0.4065，相对于ILCM，GDFSA，FACA，MAP和ABS算法，分别提高了23.3％，20.2％，20.0％，19.2％和17.9％。在吞吐率稳定性方面，ABS和ISE-BS算法都比其他方法有显著提升。本发明的ISE-BS算法在吞吐率上的波动率，稍高于ABS算法，但是识别性能得到了显著提升。
如图5及表4所示为本发明的方法与现有经典算法在时间效率上的比较，通过比较读取n个标签ID所需的时间与所需的总时间之间的比值体现。
表4本发明方法与现有经典算法时间效率及波动率比较
| 算法名称 | 平均吞吐率 | 提升百分比 | 波动率 | 提升百分比 |
| ABS | 0.2510 | * | 0.58％ | 79.7％ |
| ILCM | 0.3093 | 23.2％ | 2.86％ | * |
| FACA | 0.3133 | 24.8％ | 1.44％ | 49.7％ |
| GDFSA | 0.3140 | 25.1％ | 2.84％ | 0.70％ |
| MAP | 0.3140 | 25.1％ | 0.57％ | 90.3％ |
| ISE-BS | 0.3246 | 29.3％ | 1.11％ | 61.2％ |
从上述结果中可以看出，ABS算法的时间效率低于所有的Aloha类算法，那是因为在ABS算法中，碰撞仲裁依赖的是标签的ID，在Aloha类算法中，碰撞仲裁的依赖的是16比特伪随机数RN16，标签的ID传输时间要远大于RN16的传输时间，因此在整个标签识别过程中，ABS算法的总的时间开销要高于Aloha类算法。ISE-BS算法在ABS算法的基础上消除了所有空闲时隙，且通过引入Q信号传输，缩短了碰撞的仲裁时间，因此极大的提高了时间效率。ISE-BS算法的平均时间效率为0.3246，在ABS，ILCM，FACA，GDFSA和MAP算法的基础上分别提高了29.3％，4.95％，3.61％，3.38％和3.38％。
如表5所示为本发明的方法与现有经典算法在算法复杂度上的比较，从表5可以看出本发明的方法采用较少的硬件资源，以及较低的运算成本，通过简单的加减运算，即可实现分裂；虽然ABS算法的复杂度与本发明方法相差不大，但是，本发明的方法在任一时隙内都有标签响应读写器的查询命令，相比ABS算法中的空闲时隙，减少了查询命令的发送次数及协调时间，从而提高效率。
表5本发明方法与现有经典算法复杂度比较
本发明的一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，通过在二进制分裂算法中引入一比特标识位，在识别过程中，利用标识位对标签进行预分组，然后再利用二进制随机数分裂思想将每组标签进行分裂识别。具体过程为：计时器为0的标签处于活动状态，当标识位F为0时，向读写器发送1比特Q信号，当标识位F为1时，则向读写器发送ID数据。读写器根据接收的标签响应反馈不同的反馈信号让标签执行相应的操作。与传统的二进制分裂算法相比，本发明方法彻底消除了识别过程中所产生的空闲时隙，因此可以节省识别过程中的协调时间开销，从而提高识别效率；此外，部分碰撞仲裁由Q信号辅助完成，从而有效减少了信息的传输量，降低了系统能耗。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (2)
1.一种基于空闲时隙消除的二进制分裂方法，其特征在于，包括：
S1：初始化识别过程，将标签计数器Tc，随机数发生器Q，标识位F均为0；
所述随机数发生器Q，标识位F均为二进制数；
S2：读写器发送查询命令，读写器工作范围内的所有未识别标签接收到查询命令；
S3：当标签的计数器Tc＝0时，向读写器返回数据；所述返回数据包括：若标签的标识位F＝0，则该标签向读写器返回一比特Q信号；若标签的标识位F＝1，则该标签向读写器返回其ID数据；
S4：读写器接收标签返回的数据，并进行响应；具体为：若读写器接收到的是标签返回的Q信号，则执行步骤S40；若读写器接收到的是标签的ID数据，则执行步骤S41；
S40：当读写器接收到无碰撞的Q信号，则读写器向所有未识别标签返回Q-成功的反馈的信号，当所有Tc＝0的标签接收到Q-成功的反馈信号后，将自身的标识位F置为1，即：F＝1，并向读写器返回其ID数据；
当读写器接收到的Q信号为碰撞信号，则读写器向所有未识别标签发送Q-碰撞的反馈信号，其中，Tc＝0的标签将各自随机产生的Q值加到自身的计数器上并将标识位F清零，即：Tc＝Tc+Q，F＝0；Tc>0的标签将自身计数器Tc加1，即：Tc＝Tc+1；
S41：当读写器接收到无碰撞的ID数据，则表示当前时隙为成功时隙，读写器向所有未识别标签返回ID-成功的反馈信号，当所有未识别标签接收到ID-成功的反馈信号后，将各自的计数器Tc减1，即：Tc＝Tc-1；
当读写器接收到碰撞的ID数据，则表示当前时隙为碰撞时隙，并向所有未识别标签发送ID-碰撞的反馈信号，当所有Tc＝0的标签接收到ID-碰撞的反馈信号后，将各自的标识位F清零，即：F＝0；
S5：若标签的计数器Tc<0，则标记该标签为已识别标签，所有已识别标签在后续识别过程中保持静默；
S6：判断是否所有标签的计数器值Tc均小于0，若是，则结束；否则跳转到步骤S2。
2.根据权利要求1所述的基于空闲时隙消除的二进制分裂方法 ，其特征在于，所述标签向读写器返回的数据采用FM0或曼彻斯特编码方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |