CN107038398B - 匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，其步骤为：读头计算满足匿名多组射频识别系统的检测可靠度条件下最优的检测轮次r和当前k轮的帧长度fk；读头预测每个时隙的状态，并检测每个时隙的实际状态，通过对比预测状态和实际状态的区别，判断对应小组是否丢失标签；读头检测出所有小组都有丢失标签，即可停止检测，否则，读头要把余下的r‑k轮检测执行完毕，完成整个匿名多组射频识别系统的丢失标签并行检测。本发明能够实现对多组标签进行并行的丢失标签检测，即可有效保护标签隐私，又能够在保证匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度前提下，有效降低检测时间，提高检测效率。

Description

匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法
技术领域
本发明属于射频识别和物联网技术领域，涉及射频识别系统，具体地说，涉及了一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法。
背景技术
射频识别(英文：Radio Frequency Identification，简称：RFID)系统通常由一个后台服务器、一个或者多个读头(英文：Reader)以及大量的标签(英文：Tag)组成，读头可以通过无线信道与其射频传输范围内的标签进行一对一的通信。后台服务器预存每个标签的ID，并且通过有线或无线的方式可以与读头进行信息交换。为了解决射频识别系统中的数据包冲突，通常可以采用基于帧时隙Aloha(Framed Slotted Aloha)协议，由读头广播相应的参数，每个标签基于自己的ID选择各自的时间槽进行应答。由于读头能够获取每个标签的ID，读头可以估计每个标签应答的时隙编号，通过检测该时隙是否有应答信息进而检测对应的标签是否丢失。上述丢失标签检测方法可用于大规模仓库或商场的物品监控与管理，通过检测是否有标签丢失来实现对物品丢失的检测，有效提高了其运行效率。然而，丢失标签检测问题面临以下几个主要挑战：(1)如何在丢失标签检测过程中有效保护标签的ID信息，使其适用于匿名RFID系统中；(2)如何对分组的射频识别系统进行丢失标签检测；(3)如何有效提高丢失标签检测过程中的效率。
在RFID系统应用中，经常会涉及到标签信息隐私保护问题。例如，在药品跟踪和管理系统中，由于病人可能不想让他的药品信息被其他人知晓，因此，需要对药品上的标签的ID信息进行有效保护，实现匿名化。此外，在许多RFID系统中，标签会被分成多个组别。例如，用于超市商品管理的RFID系统中，每个标签会根据它所依附的商品的种类来分组。一种最直接的丢失标签检测方法是由读头逐一广播每个标签的ID，通过判断是否有标签没有做出应答来检测是否有标签丢失。然而，上述方法存在两个不足之处：(1)在匿名RFID系统中，每个标签的ID信息是需要进行隐私保护的，不能由读头广播出去；(2)每个标签的ID包含96位信息，由读头逐一广播这一信息非常耗时，使得这一检测方法的效率较低。
目前已有的适用于匿名多组射频识别系统的丢失标签检测方法是IIP方法。IIP方法(参见T.Li,S.Chen,and Y.Ling.Identifying The Missing Tags in A Large RFIDSystem.In Proceedings of ACM MobiHoc,2010.)是基于时隙Aloha协议的丢失标签检测方法，包括多轮检测。在每一轮的检测过程中，读头首先广播一个包含r和f的信息，其中r是随机数种子，f是每个帧(英文：Frame)的时隙个数，同时读头广播一个包含f位信息的向量，每一位表示对应的时隙的预期状态，如果该时隙的预期状态是有多个应答信息，则为‘1’，如果该时隙的预期状态是没有或者有一个应答信息，则为‘0’。每个标签根据读头广播的参数信息以及自己的ID选择其应答的时隙。若标签检测到其所应答的时隙对应的信息为‘1’，说明在该时隙将会有多个标签应答，此时，该标签以50％的概率进行应答。之后，读头检测每个时隙的实际状态，生成并广播一个新的包含f位信息的向量，每一位表示对应的时隙的实际状态，如果该时隙的实际状态为只有一个应答信息，则为‘1’，如果该时隙的实际状态为有多个或者没有应答信息，则为‘0’。每个标签接收到该向量时，若其所对应的位信息为‘1’，则它将不再参与下一轮的检测。读头通过检测预期是有标签应答的时隙的实际状态，来检测是否有丢失标签。然而，上述丢失标签检测方法存在时隙利用率不高、检测过程相对较慢的缺点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的检测效率低、时隙利用率低等上述不足，提供一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，该方法能够提高时隙的利用率，提高丢失标签检测速度，即可有效保护标签ID信息隐私，又能同时满足各小组的检测可靠度要求，更适用于大规模匿名多组射频识别系统中。
为了达到上述目的，本发明提供了一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，所述的匿名多组射频识别系统由一个后台服务器、一个读头和l组标签组成，匿名多组射频识别系统中标签的总数为n，每组标签Ci的个数为ni，每组标签Ci中丢失标签的个数为mi，其中，1≤i≤l；每个标签只属于一个组且具有一个唯一的96位的ID，其中，前s位是该标签的组ID，1≤s≤96；所述检测方法含有以下步骤：
(一)读头根据公式(1)计算满足匿名多组射频识别系统的检测可靠度条件下最优的检测轮次r和当前k轮的帧长度fk，公式(1)的表达式如下：
式中，f1，f2,…,fj为已经执行完的前j轮的帧长度，T为匿名多组射频识别系统给定的阈值，α为匿名多组射频识别系统给定的检测可靠度,α∈[0，1)，为对丢失标签总数的估计值。
(二)读头预测每个时隙的状态，并检测每个时隙的实际状态，通过对比预测状态和实际状态的区别，判断对应小组是否丢失标签；
(三)读头检测出所有小组都有丢失标签，即可停止检测，否则，读头要把余下的r-k轮检测执行完毕，完成整个匿名多组射频识别系统的丢失标签并行检测。
作为本发明上述检测方法的优选设计，步骤(二)中，判断对应小组是否有丢失标签的步骤为：
(1)读头生成当前k轮检测的随机数种子Rk，并基于当前k轮的帧长度fk、随机数种子Rk以及每个标签的ID,预测当前帧的每个时隙的状态，用VSk表示第k轮的集合向量，包含fk个元素，每个元素记录对应时隙的状态，即：在VSk中的任意元素是由选择对应时隙的标签所在小组的ID组成，对于第j个时隙，若读头预测没有标签选择它作为应答时隙，则为空集，若读头预测有标签选择它作为应答时隙，则为选择应答时隙的标签的小组ID；
(2)读头对帧长度fk和随机数种子Rk进行广播，每个标签接收到广播的参数信息后，利用哈希函数计算各自返回应答信息的时隙编号；
(3)读头逐一执行当前k轮检测帧的各个时隙，对于每个标签，若当前时隙是各自标签应答时隙，则返回一个一位的应答信息；读头检测每个时隙的实际状态，用一个包含fk位的状态向量SVk表示，其中，若当前时隙是空时隙，则其对应位为“0”，若当前时隙是非空时隙，则其对应位为“1”；通过比较VSk和SVk的每一个元素，读头即可判断对应小组是否存在丢失标签，并将将测出有丢失标签的小组做标记。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的检测方法能够实现对多组标签进行并行的丢失标签检测，无需广播标签或者小组的ID信息，能够有效保护标签的信息，适用于匿名的射频识别系统中。
(2)本发明提供的检测方法能够在保证系统要求的检测可靠度前提下，有效降低检测时间，提高检测效率。
附图说明
图1为本发明实施例匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测过程示意图。
图2为α＝0.7时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随每小组丢失标签个数变化的比较示意图。
图3为α＝0.8时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随每小组丢失标签个数变化的比较示意图。
图4为α＝0.9时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随门限值T变化的比较示意图。
图5为α＝0.7时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随阈值T变化的比较示意图。
图6为α＝0.8时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随阈值T变化的比较示意图。
图7为α＝0.9时本发明实施例所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法的检测时间随阈值T变化的比较示意图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
一种匿名多组射频识别系统，由一个后台服务器、一个读头和l组标签组成，读头通过无线信道与其射频范围内的标签进行一对一通信，后台服务器预存每个标签的ID，并且通过有线或无线的方式与读头进行信息交换；匿名多组射频识别系统中标签的总数为n，每组标签Ci的个数为ni，每组标签Ci中丢失标签的个数为mi，其中，1≤i≤l；每个标签只属于一个组且具有一个唯一的96位的ID，其中，前s位是该标签的组ID，1≤s≤96。为了有效避免数据包冲突，所述读头采用基于帧时隙Aloha协议与标签进行通信。
一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，对上述匿名多组射频识别系统的丢失标签进行非确定性并行检测，其含有以下步骤：
步骤一：读头根据公式(1)计算满足匿名多组射频识别系统的检测可靠度条件下最优的检测轮次r和当前k轮的帧长度fk，公式(1)的表达式如下：
式中，f1，f2,…,fj为已经执行完的前j轮的帧长度，T为匿名多组射频识别系统给定的阈值，α为匿名多组射频识别系统给定的检测可靠度，α∈[0，1)，为对丢失标签总数的估计值。
步骤二：读头预测每个时隙的状态，并检测每个时隙的实际状态，通过对比预测状态和实际状态的区别，判断对应小组是否丢失标签。其具体步骤为：
(1)读头生成当前k轮检测的随机数种子Rk，并基于当前k轮的帧长度fk、随机数种子Rk以及每个标签的ID,预测当前帧的每个时隙的状态，用VSk表示第k轮的集合向量，包含fk个元素，每个元素记录对应时隙的状态，即：在VSk中的任意元素是由选择对应时隙的标签所在小组的ID组成，对于第j个时隙，若读头预测没有标签选择它作为应答时隙，则为空集，若读头预测有标签选择它作为应答时隙，则为选择应答时隙的标签的小组ID；
(2)读头对帧长度fk和随机数种子Rk进行广播，每个标签接收到广播的参数信息后，利用哈希函数计算各自返回应答信息的时隙编号；
(3)读头逐一执行当前k轮检测帧的各个时隙，对于每个标签，若当前时隙是各自标签应答时隙，则返回一个一位的应答信息；读头检测每个时隙的实际状态，用一个包含fk位的状态向量SVk表示，其中，若当前时隙是空时隙，则其对应位为“0”，若当前时隙是非空时隙，则其对应位为“1”；通过比较VSk和SVk的每一个元素，读头即可判断对应小组是否存在丢失标签，并将将测出有丢失标签的小组做标记。
步骤三：读头检测出所有小组都有丢失标签，即可停止检测，否则，读头要把余下的r-k轮检测执行完毕，完成整个匿名多组射频识别系统的丢失标签并行检测。
对于每组标签Ci，如果mi≥T，则该组标签能够被检测出有丢失标签的概率至少为α，即：
Pr(Di|mi≥T)≥α,1≤i≤l (2)
式中，Di表示Ci中至少有一个丢失标签被检测出来。
本发明上述方法时丢失标签的非确定性检测，即体现在对丢失标签检测概率满足公式(2)。本发明上述方法在满足上述要求的前期下，最小化检测时间，使其效率最高。
下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。
实施例：参见图1，读头首先确定检测的轮次r。对于第k轮检测，在初始阶段，读头首先确定本轮检测的帧长度fk，并生成本轮检测的随机数种子Rk。为了确定检测r以及每轮检测过程中的帧长度f，读头首先要预估上述匿名多组射频识别系统中丢失标签的总数m。在预估丢失标签数目后，用表示，读头可利用公式(1)计算r和f。
由于读头能够获取每个标签的ID，它可以预测当前帧的每个时隙的状态，如图1所示为期望帧状态。读头用VSk表示第k轮的集合向量，包含fk个元素，每个元素记录对应时隙的状态，即：参见图1，fk＝10。在VSk中的任意元素是由选择对应时隙的标签所在小组的ID组成。如附图1中所示，
读头对帧长度fk和随机数种子Rk进行广播，每个标签接收到广播的参数信息后，利用哈希函数计算各自返回应答信息的时隙编号。读头开始逐一执行该轮检测帧的各个时隙。对于每个标签，若当前时隙是其应答时隙，则返回一个一位的应答信息。读头检测每个时隙的实际状态，用一个包含fk位的状态向量SVk表示，其中，若当前时隙是空时隙，即没有应答信息，则其对应位为“0”，若当前时隙是非空时隙，则其对应位为“1”。因此，SVk＝1110001010。由于通过比较VSk和SVk的每一个元素，读头即可判断小组C1和C2存在丢失标签。
如果读头检测出所有小组都有丢失标签，即可停止检测，否则，读头要把余下的r-k轮检测执行完毕，完成整个匿名多组射频识别系统的丢失标签并行检测。
当匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.7时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图2，虽然随着每小组丢失标签个数的增加，本发明所述所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法和现有IIP方法的检测时间都在缩短，但在丢失标签个数相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
当匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.8时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图3，虽然随着每小组丢失标签个数的增加，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法和现有方法的检测时间都在缩短，但在丢失标签个数相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
当匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.9时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图4，虽然随着每小组丢失标签个数的增加，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法和现有方法的检测时间都在缩短，但在丢失标签个数相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
当匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.7时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图5，虽然随着门限值T的增加，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法先明显缩短后继而保持检测时间基本不变，而现有IIP方法的检测时间基本不变，但在门限值T相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.8时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图6，虽然随着门限值T的增加，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法先明显缩短后继而保持检测时间基本不变，而现有IIP方法的检测时间基本不变，但在门限值T相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
匿名多组射频识别系统要求的检测可靠度α＝0.9时，采用本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法与现有IIP方法对匿名多组射频识别系统的丢失标签进行检测，参见图7，虽然随着门限值T的增加，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法先明显缩短后继而保持检测时间基本不变，而现有IIP方法的检测时间基本不变，但在门限值T相同的情况下，本发明所述匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法的检测时间与现有IIP方法相比，明显缩短。
由上可知，本发明提供的匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法能够在很大程度上提高时隙的利用率，加速丢失标签检测过程，大大缩短检测时间，实现在丢失标签个数超过一定阈值时，能够满足匿名多组射频识别系统要求的检测率，因此更加适用于匿名多组射频识别系统的丢失标签检测。
以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (2)

1.一种匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，其特征在于，所述的匿名多组射频识别系统由一个后台服务器、一个读头和l组标签组成，匿名多组射频识别系统中标签的总数为n，每组标签Ci的个数为ni，每组标签Ci中丢失标签的个数为mi，其中，1≤i≤l；每个标签只属于一个组且具有一个唯一的96位的ID，其中，前s位是该标签的组ID，1≤s≤96；所述检测方法含有以下步骤：
(一)读头根据公式(1)计算满足匿名多组射频识别系统的检测可靠度条件下最优的检测轮次r和当前k轮的帧长度fk，公式(1)的表达式如下：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mover> <mi>m</mi> <mo>~</mo> </mover> </mrow> <mrow> <mi>ln</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>ln</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msup> <mi>ln</mi> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mo>=</mo> <mn>0.</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，f1,f2,…,fj为已经执行完的前j轮的帧长度，T为匿名多组射频识别系统给定的阈值，α为匿名多组射频识别系统给定的检测可靠度，α∈[0,1)，为对丢失标签总数的估计值；
(二)读头预测每个时隙的状态，并检测每个时隙的实际状态，通过对比预测状态和实际状态的区别，判断对应小组是否丢失标签；
(三)读头检测出所有小组都有丢失标签，即可停止检测，否则，读头要把余下的r-k轮检测执行完毕，完成整个匿名多组射频识别系统的丢失标签并行检测。
2.如权利要求1所述的匿名多组射频识别系统的丢失标签非确定性并行检测方法，其特征在于，步骤(二)中，判断对应小组是否有丢失标签的步骤为：
(1)读头生成当前k轮检测的随机数种子Rk，并基于当前k轮的帧长度fk、随机数种子Rk以及每个标签的ID,预测当前帧的每个时隙的状态，用VSk表示第k轮的集合向量，包含fk个元素，每个元素记录对应时隙的状态，即：在VSk中的任意元素是由选择对应时隙的标签所在小组的ID组成，对于第j个时隙，若读头预测没有标签选择它作为应答时隙，则为空集，若读头预测有标签选择它作为应答时隙，则为选择应答时隙的标签的小组ID；
(2)读头对帧长度fk和随机数种子Rk进行广播，每个标签接收到广播的参数信息后，利用哈希函数计算各自返回应答信息的时隙编号；
(3)读头逐一执行当前k轮检测帧的各个时隙，对于每个标签，若当前时隙是各自标签应答时隙，则返回一个一位的应答信息；读头检测每个时隙的实际状态，用一个包含fk位的状态向量SVk表示，其中，若当前时隙是空时隙，则其对应位为“0”，若当前时隙是非空时隙，则其对应位为“1”；通过比较VSk和SVk的每一个元素，读头即可判断对应小组是否存在丢失标签，并将将测出有丢失标签的小组做标记。
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