CN107506676B - 一种基于动态检测点和标签估计的rfid防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，属于射频识别技术领域。其特征在于，采用样本时隙的计算方法得出部分时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置，使得检测点随着帧长动态的调整，同时采用采用空闲、成功和碰撞三种时隙的实际持续时间结合碰撞比率提前求出碰撞时隙与剩余标签数量的关系。具体步骤包括：阅读器激活标签然后发送选择命令选中与阅读器匹配的标签；阅读器发送请求问询命令，标签收到命令之后随机选择帧中时隙；阅读器盘存帧中时隙；在帧中检测点位置判断是否有剩余标签；判断当前帧长是否最优；继续盘存时隙直至帧的末尾，更新下一周期帧长。

Description

一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，属于射频识别技术领域。

背景技术

无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术的关键因素之一是防碰撞。一般来说，RFID系统由标签、阅读器和计算机处理系统三部分组成，且经常会出现多个阅读器和多个标签同时工作的场合，导致标签之间或阅读器之间的射频信号相互干扰使得标签和阅读器之间发送的信息不能正常被识别，这种干扰称为碰撞，也称为冲突。

RFID系统存在两类碰撞问题，多标签碰撞问题和多阅读器碰撞问题。阅读器碰撞问题主要是阅读器信号覆盖区域重合导致的，可以通过为阅读器设计合理的布局来解决。但是在实际应用中标签碰撞问题出现的情况较多，可以通过改变阅读器和标签之间的通信过程或者方式来解决。标签产生碰撞会增加阅读器识别标签的时间，减缓识别标签的速度，增加阅读器与标签传输信息的比特数目，降低RFID系统的识别效率，对于整个RFID系统的性能造成负面的影响。因此，本发明主要解决了标签碰撞问题。

RFID技术发展至今已制定了几套成熟的标准体系，规定了阅读器和标签之间的通信协议，其中包括具体的防碰撞流程，但是在防碰撞过程中仍存在帧长调整不准确和标签估计不准确的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有RFID防碰撞流程中存在的上述问题，提出了一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一阅读器激活标签然后发送选择命令选中与阅读器匹配的标签；阅读器发送请求问询命令，标签收到命令之后随机选择帧中时隙。

步骤二标签收到命令之后获取当前周期的帧长信息，随机的选择帧中的一个时隙，时隙可以分为空闲时隙、成功时隙和碰撞时隙三种状态；所述空闲时隙是没有标签选择传输标识信息的时隙，即在此时隙的持续时间内信道上无数据传输；所述成功时隙是只有一个标签选择传输标识信息的时隙，阅读器成功解读到选择此时隙标签的信息；所述碰撞时隙是有两个或者两个以上的标签选择传输标识信息的时隙，阅读器无法从此时隙中成功解读出到标签的信息，选择此时隙的标签仍需要在下一轮盘存周期中重新选择时隙发送标识信息。

步骤三标签选择时隙之后与阅读器保持时间同步，阅读器盘存帧中时隙，若是成功时隙，与标签交换数据保证已被识别的标签进入与防碰撞无关的状态，记录时隙情况，否则只需记录时隙情况。

步骤四判断阅读器盘存时隙过程中盘存到检测点位置时是否有剩余标签，如果有剩余则需要继续标签识别过程，否则表明阅读器已识别所有标签，此次识别完成；其中检测点的位置需要根据样本时隙的计算方法计算得到；样本时隙的计算方法如下：

标签在帧长为L的帧中以1/L的概率随机地选择帧中的某一个时隙发送标识信息符合二项分布定理；假设已经有n-1个标签选择了A_n-1个时隙，如果多一个标签去选择当前帧中的时隙有两种情况，一种是此标签选择的是成功时隙或者碰撞时隙，其概率为A_n-1/L；另一种是标签选择的是空闲时隙，其概率为1-A_n-1/L；因此，n个标签平均选择的时隙个数为A_n。

式中L表示帧长，n表示标签数量，λ＝(L-1)/L。

根据空闲、成功和碰撞三种时隙的个数求得时隙中标签数量的方差，借此表示标签在时隙中的分布情况。

对于n个标签，有x_i个标签选择同一时隙，那么这个时隙中的平均时隙数为

式中x_i代表在同一时隙发送标识信息的标签个数，i取0,1,2,3,…，n；当i为0时，x₀代表没有标签选择的时隙，

代表空闲时隙的个数；当i为1时，x₁代表只有一个标签选择的时隙，

代表成功时隙的个数；当i取值大于等于2时，x_i代表有i个标签选择的时隙，

代表包含x_i个标签的碰撞时隙的个数。

时隙中标签数量的方差σ²：

根据样本时隙的计算方法得出部分时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置；从帧中选取部分时隙代表所有时隙，类似为了推断总体的某种属性或者特征抽样调查的情况；因此将帧中所有时隙视为总体，在判断当前帧长是否为最优帧长之前需要盘存的时隙作为样本，称为样本时隙；根据标签选择时隙的特征，结合样本容量的计算方式得出样本时隙的容量。

样本时隙的计算不仅需要考虑标签在帧中时隙的分布情况，而且还需要考虑对估计精度的要求和推断结果的致信程度，因此通过样本时隙的计算方法求得的样本时隙的容量s为：

式中σ²为时隙中标签数量的方差，代表标签在帧中时隙的分布情况，z_α2为标准误差的置信水平，d为最大允许误差，L为总体的个数，即为帧中的所有时隙的数量。

由于RFID标准中规定了帧长L＝2^Q，Q的取值为0到15的整数；在Q值过小的情况下，样本时隙大小对系统效率的影响可以忽略不计，且在实际应用中标签数量在2¹⁰左右，因此帧长参数Q取3到10，即帧长L从8到1024；通过样本时隙的计算方法求得样本时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置，计算结果如表1所示，其中检测点是阅读器在盘存过程中判断当前帧长是否最优之前盘存的最后一个时隙在帧中的位置，检测比是样本时隙容量与帧长的比值，即检测点在帧中的位置。

步骤五阅读器根据标签估计方法估计出标签数量，标签的碰撞比率是碰撞时隙占无用时隙的概率，其中无用时隙包括碰撞时隙和空闲时隙；

式中C_rate表示标签的碰撞比率，P_e和P_s分别表示空闲时隙数和成功时隙数占总时隙数的概率。

根据二项分布与泊松分布的对应关系，可以计算k个标签选择同一个时隙的概率；同时采用空闲、成功和碰撞三种时隙的实际持续时间求得的最优帧长与标签数量关系，计算碰撞比率的值为：

式中λ＝np，表示泊松分布中的概率参数。

通过碰撞比率的值求得碰撞时隙中平均标签数，进而得出剩余标签数量与碰撞时隙的关系。

碰撞时隙中平均标签数C_tags为标签碰撞比率的倒数。

根据碰撞时隙中的平均标签数计算出标签数量，然后由标签数量与最优帧长的关系判断当前帧长是否最优，若是进入下一步，否则更新帧长转到步骤二。

步骤六对于当前帧长是最优的情况，阅读器应盘存时隙直到帧的末尾，同样根据上述的标签估计方法估计剩余的标签数量，然后更新帧长并转到步骤二开始新一周期的盘存。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，使得检测点随着帧长动态地调整的同时采用基于时隙的实际持续时间的标签估计方法，提高了标签的估计精度，减少阅读器对空闲和碰撞时隙这些无用时隙的盘存数量，降低了阅读器与标签之间的通信量，提高了系统效率。

对本发明方法进行验证。采用相同的标签数量和初始帧长对比本发明方法、DFSA(Eom J B, Lee T J.Accurate tag estimation for dynamic framed-slotted ALOHA inRFID systems. IEEE Communications Letters,2010,14(1):60-62P.)、EAFL(Chen WT.Optimal Frame Length Analysis and an Efficient Anti-Collision AlgorithmWith Early Adjustment of Frame Length for RFID Systems.IEEE Transactions onVehicular Technology,2016, 65(5):3342-3348P.)和APAFQ(Su J,Zhao X,Hong D,etal.Q-Value Fine-Grained Adjustment Based RFID Anti-Collision Algorithm.IeiceTransactions on Communications, 2016,99(7):1593-1598P.)的碰撞时隙数和吞吐量，可证明本发明方法优于对比方法。

附图说明

图1是结合本发明防碰撞方法流程示意图；

图2是本发明方法与对比方法的碰撞时隙数示意图；

图3是本发明方法与对比方法的吞吐量示意图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

(1)阅读器激活标签然后发送选择命令选中与阅读器匹配的标签。

(2)阅读器发送请求问询命令，标签收到命令之后随机选择帧中时隙。

标签收到命令之后获取当前周期的帧长信息，随机的选择帧中的一个时隙，时隙可以分为空闲时隙、成功时隙和碰撞时隙三种状态。

空闲时隙：没有标签选择传输标识信息的时隙，即在此时隙的持续时间内信道上无数据传输。

成功时隙：只有一个标签选择传输标识信息的时隙，阅读器成功解读到选择此时隙标签的信息。

碰撞时隙：有两个或者两个以上的标签选择传输标识信息的时隙，阅读器无法从此时隙中成功解读出到标签的信息，选择此时隙的标签仍需要在下一轮盘存周期中重新选择时隙发送标识信息。

(3)阅读器盘存帧中时隙。

标签选择时隙之后与阅读器保持时间同步，阅读器盘存帧中时隙，若是成功时隙，与标签交换数据保证已被识别的标签进入与防碰撞无关的状态，记录时隙情况，否则只需记录时隙情况。

(4)在帧中检测点位置判断是否有剩余标签，若有进入下一步，否则结束本次标签识别。

阅读器盘存时隙过程中盘存到检测点位置时需要先判断是否有剩余标签，如果有剩余则需要继续标签识别过程，否则表明阅读器已识别所有标签，此次识别完成。其中检测点的位置需要根据样本时隙的计算方法计算得到。

样本时隙的计算方法如下：

在RFID系统中，标签在帧长为L的帧中以1/L的概率随机地选择帧中的某一个时隙发送标识信息符合二项分布定理。假设已经有n-1个标签选择了A_n-1个时隙，如果多一个标签去选择当前帧中的时隙有两种情况，一种是此标签选择的是成功时隙或者碰撞时隙，其概率为 A_n-1/L；另一种是标签选择的是空闲时隙，其概率为1-A_n-1/L。因此，n个标签平均选择的时隙个数为A_n。

式中L表示帧长，n表示标签数量，λ＝(L-1)/L。

根据空闲、成功和碰撞三种时隙的个数求得时隙中标签数量的方差，借此表示标签在时隙中的分布情况。

对于n个标签，有x_i个标签选择同一时隙，那么这个时隙中的平均时隙数为l_nxi。

式中x_i代表在同一时隙发送标识信息的标签个数，i取0,1,2,3,…，n。当i为0时，x₀代表没有标签选择的时隙，

代表空闲时隙的个数；当i为1时，x₁代表只有一个标签选择的时隙，

代表成功时隙的个数；当i取值大于等于2时，x_i代表有i个标签选择的时隙，

代表包含x_i个标签的碰撞时隙的个数。

时隙中标签数量的方差σ²：

根据样本时隙的计算方法得出部分时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置。从帧中选取部分时隙代表所有时隙，类似为了推断总体的某种属性或者特征抽样调查的情况。因此将帧中所有时隙视为总体，在判断当前帧长是否为最优帧长之前需要盘存的时隙作为样本，称为样本时隙。根据标签选择时隙的特征，结合样本容量的计算方式得出样本时隙的容量。

样本时隙的计算不仅需要考虑标签在帧中时隙的分布情况，而且还需要考虑对估计精度的要求和推断结果的致信程度，因此通过样本时隙的计算方法求得的样本时隙的容量s为：

式中σ²为时隙中标签数量的方差，代表标签在帧中时隙的分布情况，z_α2为标准误差的置信水平，d为最大允许误差，L为总体的个数，即为帧中的所有时隙的数量。

由于RFID标准中规定了帧长L＝2^Q，Q的取值为0到15的整数。在Q值过小的情况下，样本时隙大小对系统效率的影响可以忽略不计，且在实际应用中标签数量在2¹⁰左右，因此帧长参数Q取3到10，即帧长L从8到1024。通过样本时隙的计算方法求得样本时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置，计算结果如表1所示，其中检测点是阅读器在盘存过程中判断当前帧长是否最优之前盘存的最后一个时隙在帧中的位置，检测比是样本时隙容量与帧长的比值，即检测点在帧中的位置。

表1样本时隙计算结果

(5)判断当前帧长是否最优，若是进入下一步，否则更新帧长转到第(2)步。

阅读器根据标签估计方法估计出标签数量，然后判断当前帧长是否最优。本发明采用空闲、成功和碰撞时隙的实际持续时间结合碰撞比率估计标签数量。

具体的标签估计方法如下：

标签的碰撞比率是碰撞时隙占无用时隙的概率，其中无用时隙包括碰撞时隙和空闲时隙。

式中C_rate表示标签的碰撞比率，P_e和P_s分别表示空闲时隙数和成功时隙数占总时隙数的概率。

根据二项分布与泊松分布的对应关系，可以计算k个标签选择同一个时隙的概率。同时采用空闲、成功和碰撞三种时隙的实际持续时间求得的最优帧长与标签数量关系，计算碰撞比率的值为：

式中λ＝np，表示泊松分布中的概率参数。

通过碰撞比率的值求得碰撞时隙中平均标签数，进而得出剩余标签数量与碰撞时隙的关系。

碰撞时隙中平均标签数C_tags为标签碰撞比率的倒数。

根据碰撞时隙中的平均标签数计算出标签数量，然后由标签数量与最优帧长的关系判断当前帧长是否最优，若是进入下一步，否则更新帧长转到第(2)步。

(6)继续盘存时隙直至帧的末尾，更新下一周期帧长并转到第(2)步。

对于当前帧长是最优的情况，阅读器应盘存时隙直到帧的末尾，同样根据上述的标签估计方法估计剩余的标签数量，然后更新帧长并转到第(2)步开始新一周期的盘存。

对本发明方法进行验证：

为了验证本发明方法的有效性，采用相同的标签数量和初始帧长对比本发明方法、DFSA、 EAFL和APAFQ的碰撞时隙数和吞吐量，结果如图2和图3所示。

通过对比本发明方法和固定检测点方法的碰撞时隙数和吞吐量结果可以发现：

1)本发明方法的碰撞时隙数低于对比方法的；

2)本发明方法的吞吐量高于对比方法的；

本发明具有如下优点：本发明提出的基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，使得检测点随着帧长动态地调整的同时采用基于时隙的实际持续时间的标签估计方法，提高了标签的估计精度，减少阅读器对空闲和碰撞时隙这些无用时隙的盘存数量，降低了阅读器与标签之间的通信量，提高了系统效率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于动态检测点和标签估计的RFID防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一 阅读器激活标签然后发送选择命令选中与阅读器匹配的标签；阅读器发送请求问询命令，标签收到命令之后随机选择帧中时隙；

步骤二 标签收到命令之后获取当前周期的帧长信息，随机的选择帧中的一个时隙，时隙可以分为空闲时隙、成功时隙和碰撞时隙三种状态；所述空闲时隙是没有标签选择传输标识信息的时隙，即在此时隙的持续时间内信道上无数据传输；所述成功时隙是只有一个标签选择传输标识信息的时隙，阅读器成功解读到选择此时隙标签的信息；所述碰撞时隙是有两个或者两个以上的标签选择传输标识信息的时隙，阅读器无法从此时隙中成功解读到标签的信息，选择此时隙的标签仍需要在下一轮盘存周期中重新选择时隙发送标识信息；

步骤三 标签选择时隙之后与阅读器保持时间同步，阅读器盘存帧中时隙，若是成功时隙，与标签交换数据保证已被识别的标签进入与防碰撞无关的状态，记录时隙情况，否则只需记录时隙情况；

步骤四 判断阅读器盘存时隙过程中盘存到检测点位置时是否有剩余标签，如果有剩余则需要继续标签识别过程，否则表明阅读器已识别所有标签，此次识别完成；其中检测点的位置需要根据样本时隙的计算方法计算得到；样本时隙的计算方法如下：

标签在帧长为L的帧中以1/L的概率随机地选择帧中的某一个时隙发送标识信息符合二项分布定理；假设已经有n-1个标签选择了A_n-1个时隙，如果多一个标签去选择当前帧中的时隙有两种情况，一种是此标签选择的是成功时隙或者碰撞时隙，其概率为A_n-1/L；另一种是标签选择的是空闲时隙，其概率为1-A_n-1/L；因此，n个标签平均选择的时隙个数为A_n；

式中L表示帧长，n表示标签数量，λ＝(L-1)/L；

根据空闲、成功和碰撞三种时隙的个数求得时隙中标签数量的方差，借此表示标签在时隙中的分布情况；

对于n个标签，有x_i个标签选择同一时隙，那么这个时隙中的平均时隙数为

式中x_i代表在同一时隙发送标识信息的标签个数，i取0,1,2,3,…，n；当i为0时，x₀代表没有标签选择的时隙，

代表空闲时隙的个数；当i为1时，x₁代表只有一个标签选择的时隙，

代表成功时隙的个数；当i取值大于等于2时，x_i代表有i个标签选择的时隙，

代表包含x_i个标签的碰撞时隙的个数；

时隙中标签数量的方差σ²：

根据样本时隙的计算方法得出部分时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置；从帧中选取部分时隙代表所有时隙，推断总体的某种属性或者特征抽样调查的情况；因此将帧中所有时隙视为总体，在判断当前帧长是否为最优帧长之前需要盘存的时隙作为样本，称为样本时隙；根据标签选择时隙的特征，结合样本容量的计算方式得出样本时隙的容量；

样本时隙的计算不仅需要考虑标签在帧中时隙的分布情况，而且还需要考虑对估计精度的要求和推断结果的置信程度，因此通过样本时隙的计算方法求得的样本时隙的容量s为：

式中σ²为时隙中标签数量的方差，代表标签在帧中时隙的分布情况，z_α/2为标准误差的置信水平，d为最大允许误差，L为总体的个数，即为帧中的所有时隙的数量；

由于RFID标准中规定了帧长L＝2^Q，Q的取值为0到15的整数；在Q值过小的情况下，样本时隙大小对系统效率的影响可以忽略不计，且在实际应用中标签数量在2¹⁰左右，因此帧长参数Q取3到10，即帧长L从8到1024；通过样本时隙的计算方法求得样本时隙的大小，进而确定检测点在帧中的位置，其中检测点是阅读器在盘存过程中判断当前帧长是否最优之前盘存的最后一个时隙在帧中的位置，检测比是样本时隙容量与帧长的比值，即检测点在帧中的位置；

步骤五 阅读器根据标签估计方法估计出标签数量，标签的碰撞比率是碰撞时隙占无用时隙的概率，其中无用时隙包括碰撞时隙和空闲时隙；

式中C_rate表示标签的碰撞比率，P_e和P_s分别表示空闲时隙数和成功时隙数占总时隙数的概率；

根据二项分布与泊松分布的对应关系，可以计算k个标签选择同一个时隙的概率；同时采用空闲、成功和碰撞三种时隙的实际持续时间求得的最优帧长与标签数量关系，计算碰撞比率的值为：

式中λ＝np，表示泊松分布中的概率参数；

通过碰撞比率的值求得碰撞时隙中平均标签数，进而得出剩余标签数量与碰撞时隙的关系；

碰撞时隙中平均标签数C_tags为标签碰撞比率的倒数；

根据碰撞时隙中的平均标签数计算出标签数量，然后由标签数量与最优帧长的关系判断当前帧长是否最优，若是进入下一步，否则更新帧长转到步骤二；

步骤六 对于当前帧长是最优的情况，阅读器应盘存时隙直到帧的末尾，同样根据上述的标签估计方法估计剩余的标签数量，然后更新帧长并转到步骤二开始新一周期的盘存。

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