CN107644185B - 匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法 - Google Patents

Abstract

匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，需要进行多轮标签识别，其中第i轮标签识别包括以下步骤：读头广播包含R和f_i的信息，计算每个标签应答的预期时隙序号，读头基于所有标签的ID，计算每个标签的应答时隙，并估算每个时隙的预期状态，生成向量序列；向量序列中相邻的两位为一个时隙指标值，每种时隙指标对应一种标签读取类型；按向量序列中时隙指标顺序进行标签状态识别，判断标签在相应的识别时隙是否返回应答状态，未返回应答状态的关键标签为丢失关键标签。本发明所提出的丢失关键标签识别方法适用于匿名的RFID系统中。能够在识别过程中有效抑制普通标签，降低普通标签对识别过程的干扰，提高识别效率和准确率。

Description

匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，涉及一种标签识别方法，具体的说，为一种丢失关键标签的识别方法。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统通常由一个后台服务器、一个或者多个读头(Reader)以及大量的标签(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简单的通信。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。为了有效避免数据包冲突，读头可以采用基于帧时隙Aloha(Framed SlottedAloha)协议与标签进行通信，广播相应的参数，每个标签基于自己的ID选择各自的时隙进行应答。由于读头知道每个标签的ID，其可以估计每个标签应答的时隙，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。上述丢失标签识别方法可用于大规模仓库或商场的物品监控与管理，通过识别丢失标签来实现对丢失物品的识别，有效提高了其运行效率。在RFID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，病人对药品等信息较为敏感，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。这部分需要保护的标签为关键标签，而不需要保护的标签为普通标签。综上，丢失标签识别问题面临以下几个主要挑战：1)如何在丢失标签识别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)若只需要对部分丢失标签进行识别，如何有效抑制其他标签的干扰；3)如何有效提高丢失标签的识别效率。

目前已有的可用于匿名RFID系统的丢失关键标签识别方法是IIP方法和SFMTI方法。IIP方法(参见T.Li,S.Chen,andY.Ling.Identifying The MissingTags inALargeRFID System.In Proceedings ofACM MobiHoc,2010.)是基于时隙Aloha的丢失标签识别方法，包括多轮识别。在每一轮的识别过程中，读头首先广播一个包含R和f的信息，其中R是随机数，f是每个帧(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识别。读头通过检测预期是有标签应答的时隙的实际状态，来判断是否有丢失标签，并将丢失标签的ID信息返回给系统。SFMTI方法(参见X.Liu,K.Li,G.Min,Y.Shen,A.Liu,andW.Qu.CompletelyPinpointingThe MissingTags inATime-EfficientWay.In IEEE Transactions onComputers,vol.64,pp.87-96,2015.)也是基于帧时隙Aloha协议，由多轮识别组成。在每轮识别过程中，读头首先广播一个包含R1和f的信息，其中R1是随机数，f是每个帧(Frame)的时隙个数。每个标签利用R1和f以及自身ID做Hash运算，得到自己的应答时隙编号。同时，读头也能够获得每个标签的应答时隙，并生成一个含有f个元素的向量，每个元素的值根据对应时隙的状态来设定，‘0’表示空时隙，‘1’表示单时隙，‘2’表示2-冲突时隙，即有两个标签选择该时隙，‘3’表示3-冲突时隙，然后读头将该向量广播。之后，为了有效提高时隙的利用率，读头再广播一个包含R2的信息，选择2-冲突时隙和3-冲突时隙的标签会根据R2以及自身ID和该时隙标签数进行Hash运算，有效地将冲突时隙的标签重新分到不同时隙中。在执行过程中，读头将空时隙以及不能有效分离的冲突时隙删除，并通过检测单时隙的状态来识别丢失标签的ID。

然而，上述丢失标签识别方法的总体缺陷是其时隙的利用率不高，不能有效抑制普通标签的干扰，识别过程相对较慢，而我们所提出的丢失关键标签识别方法能够有效抑制普通标签对识别过程的干扰，并且有效提高时隙的利用率，加速丢失关键标签识别过程，因此更适用于匿名RFID系统的丢失关键标签识别中。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中关键标签识别方法存在的时隙利用率不高、识别效率低的问题，提供一种识别效率高的适用于匿名射频识别系统的丢失关键标签识别方法。

为了解决以上问题，本发明提供如下技术方案：

匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，基于RFID系统而实现，所述RFID系统包括服务器、读头及n个标签，其特征在于：所述服务器按标签ID将标签区分记录为关键标签和普通标签；所述关键标签丢失识别方法，需要进行多轮标签识别，其中第i轮标签识别包括以下步骤：

S1：读头广播包含R和f_i的信息，其中R为随机数，f_i为每帧时隙个数，与第i轮包括的标签个数相等的，1≤f_i≤n；

S2：每个标签接收到读头广播的信息后，计算H(ID,R)对f_i的余数，作为每个标签应答的预期时隙序号，其中H是所有读头和标签共有的哈希函数；

S3：读头基于所有标签的ID，计算每个标签的应答时隙，并估算每个时隙的预期状态，生成一个2f_i位的向量序列V_i；向量序列V_i中相邻的两位为一个时隙指标值，每种时隙指标对应一种标签读取类型；

S4：按向量序列V_i中时隙指标顺序进行标签状态识别，判断标签在相应的识别时隙是否返回应答状态，未返回应答状态的关键标签为丢失关键标签；

S5：去除步骤S4中被识别出状态的关键标签和普通标签后，更新标签数量，以新的标签数量生成f_i并重复执行步骤S1至步骤S4。

作为优选：向量序列V_i中的时隙指标包括以下几类：时隙指标00表示时隙未被标签选中，不进行标签读取；时隙指标01表示时隙被关键标签选中，进行关键标签读取，被读取出状态信息的关键标签不进行下一轮读取；时隙指标10表示时隙被普通标签选中，进行普通标签读取，被读取出状态信息的普通标签不进行下一轮读取；时隙指标11表示时隙被至少一个关键标签的多个标签选中，其对应的标签将进行下一轮标签读取。

作为优选：将向量序列V_i分为多个向量片段，读头按向量片段顺序广播片段，与片段对应的标签接收相应的向量片段。

作为优选：若时隙指标为10或11，则其对应的标签在时隙识别过程中保持静默。

作为优选：读头广播向量片段后，与向量片段对应的标签判断其所对应的时隙指标是否为“01”，若是，计算该标签所对应的时隙指标之前的时隙指标中状态为“01”的时隙指标的个数ω，并返回一个ω位的应答状态信息。

作为优选：步骤S5中，读头更新未被确认的关键标签数量和普通标签数量，并进行下一轮识别。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所提出的RFID系统丢失关键标签识别方法能够有效保护标签的ID信息，适用于匿名的RFID系统中。

(2)本发明所提出的丢失关键标签识别方法，在对应有普通标签的时隙间隔，做静默处理，能够在识别过程中有效抑制普通标签，降低普通标签对识别过程的干扰，提高识别效率和准确率。

(3)本发明所提出的丢失关键标签识别方法通过将每个识别帧分为多个子帧片段，每个子帧中只保留单时隙，大大缩短了识别时间。

附图说明

图1为本发明所提出的丢失关键标签识别过程示意图；

图2为K/O＝0.01时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随关键标签个数变化的比较示意图；

图3为K/O＝0.1时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随关键标签个数变化的比较示意图；

图4为K/O＝0.01时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随普通标签个数变化的比较示意图；

图5为K/O＝0.1时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随普通标签个数变化的比较示意图；

图6为丢失关键标签占关键标签50％时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随关键标签个数变化的比较示意图；

图7为丢失普通标签占普通标签50％时本发明所提出的丢失关键标签识别方法和现有方法的识别时间随普通标签个数变化的比较示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种应用于匿名识别系统的基于向量的关键标签的识别方法。

匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，基于RFID系统而实现，具体的说为匿名RFID系统。与其他的RFID系统相同，RFID系统包括服务器、读头及n个标签，其中服务器用于存储标签信息，读头用于读取标签状态信息。匿名射频识别系统中标签是分类存放的，所述服务器按标签ID将标签区分记录为关键标签和普通标签，其中关键标签是指不便于透露信息的标签，需要匿名保护，普通标签可以选择是否进行匿名保护。关键标签的个数为K，普通标签的个数为O，每个标签对应一个唯一的96位的ID。

关键标签丢失识别方法是要识别出丢失的关键标签，识别是分多轮进行的，其中第i轮标签识别包括以下步骤：

S1：读头广播包含R和f_i的信息，其中R为随机数，f_i为每帧时隙个数，与第i轮包括的标签个数相等的，其中1≤f_i≤n，为一整数。以第一轮为例，由于服务器存储的标签的总数为n，假设n为12，那么f_i对应的时隙数就为12个，这样设计的目的是要保证时隙个数足以满足每一个标签(包括关键标签和普通标签)的读取需求。进行多轮读取的目的是，每一轮中，可能只会对部分标签的状态做出确认，需要多轮读取才能最终准确确认每一个标签的状态。而每一轮中f_i的数量是要变化的，确切的说是逐渐减小的，每一轮对状态已经确认的标签，下一轮将不再对其状态进行确认识别，第i+1轮仅进行状态未确定标签的识别。

S2：每个标签接收到读头广播的信息后，基于自身的ID，计算H(ID,R)对f_i的余数，作为每个标签应答的预期时隙序号，其中H是所有读头和标签共有的哈希函数；

S3：读头基于所有标签的ID，计算每个标签的应答时隙，并估算每个时隙的预期状态，生成一个2f_i位的向量序列V_i；向量序列V_i中相邻的两位为一个时隙指标值，每种时隙指标对应一种标签读取类型；步骤S2和步骤S3共同的目的是，确认在第i轮标签读取过程中，对某一标签具体在第几个时序进行其状态的读取。每个标签都会选择一个向量序列中的一个应答时隙进行应答。

在本步骤S3中，具体对向量序列中的时隙指标进行如下的定义：

向量序列V_i中的时隙指标包括以下几类：时隙指标00表示时隙未被标签选中，不进行标签读取；时隙指标01表示时隙被关键标签选中，进行关键标签读取，被读取出状态信息的关键标签不进行下一轮读取；时隙指标10表示时隙被普通标签选中，进行普通标签读取，被读取出状态信息的普通标签不进行下一轮读取；时隙指标11表示时隙被至少一个关键标签的多个标签选中，其对应的标签将进行下一轮标签读取。

同时，在步骤S3中，若时隙指标为10或11，则其对应的标签在时隙识别过程中保持静默。也就是说，实际的向量序列V_i是一个包含对应关键标签和普通标签的的向量，但是识别的目的是获取关键标签的信息，因此为了降低普通标签对识别过程的影响，在对应普通标签的时隙内，做静默处理。所不同的是，虽然同样是做静默处理，但对时隙指标位10的时隙间隔，视为其对应的普通标签被识别出；对时隙指标位11的时隙间隔，不进行标签识别，留待下一个识别周期进行标签识别。

S4：按向量序列V_i中时隙指标顺序进行标签状态识别，判断标签在相应的识别时隙是否返回应答状态，未返回应答状态的关键标签为丢失关键标签；被识别出的关键标签和普通标签将在后续识别中保持静默；步骤S4的目的是确认每个标签具体的状态，即标签是否丢失。

S5：去除步骤S4中被识别出状态的关键标签和普通标签后，更新标签数量，更新后的标签数量为本轮初始未被识别状态的标签数量减去本轮确认状态的标签数量，以新的标签数量生成f_i并重复执行步骤S1至步骤S4，直至所有关键标签的状态均被确认。

步骤S5中，读头更新未被确认的关键标签数量和普通标签数量，并进行下一轮识别。

针对步骤S5需要说明的是，虽然在步骤S3中针对普通标签做静默处理，但如果时隙指标对应的为10，也就是时隙指标对应一个普通把标签，还是将该时隙对应的普通标签视为识别出的标签，在更新标签数量时，将减去该标签的数量。也就是说，更新标签数量时，需要减去时隙指标为01对应的关键标签和时隙指标为10的时隙所对应的普通标签。而针对时隙指标为01和时隙指标为10的时隙向量，所不同的为：在时隙指标为01的时间间隙内，做识别关键标签的动作，并视关键标签是否有应答来判断该标签是否丢失；而在时隙指标为10的时隙间隔内，针对非关键标签做静默处理。

为了进一步提高识别效率，在步骤S3中，将向量序列V_i分为多个向量片段，读头按向量片段顺序广播片段，与片段对应的标签接收相应的向量片段。具体的说，向量序列V_i的大小是与标签数量有关的，如果标签的数量比较大，会生成一个很大的向量序列，如果以一整个向量序列去进行标签的识别，将构造为一个很大数量的标签构成的识别主体，按时隙顺序识别各标签，影响识别速度。作为优化设计，将向量序列分成多个片段，由于整个向量序列中每一个时隙与标签的对应关系是已经确定好的，那么每个向量序列片段所对应的标签也是确定的。

其中向量片段具体的分割方法为读头将向量序列分为个片段，每个片段最多96位，读头逐一广播以上片段，相应的标签收到片段信息后，开始识别工作。各个片段的识别工作可以同时进行，从而提高识别效率。

作为优选，为了进一步提高标签识别效率，在读头广播向量片段后，与向量片段对应的标签判断其所对应的时隙指标是否为“01”，若是，计算该标签所对应的时隙指标之前的时隙指标中状态为“01”的时隙指标的个数ω，并返回一个ω位的应答状态信息。

以下，将以一个具体的标签识别示例来说明关键标签丢失识别的过程。

假设射频识别系统共有12个标签，其中包含4个关键标签和8个普通标签。

在第1轮识别过程中，f₁＝12。读头首先广播包含R和f₁的信息，然后估计每个时隙的状态，并生成一个24位的向量V_i，如附图1所示。V₁中每两位称为一个时隙指示值，它的值与其所对应的时隙的状态有关，若时隙指示值为‘00’，则对应时隙期望为空，在该时隙内不进行标签的读取动作；若时隙指示值为‘01’，则对应时隙期望为单时隙且被关键标签选中，在该时隙内读取关键标签状态信息；若时隙指示值为‘10’，则对应时隙期望为非空且只被普通标签选中，在该时隙内读取普通标签状态信息；若时隙指示值为‘11’，则对应时隙期望为冲突时隙其至少被一个关键标签选中。

读头将V_i分成两个片段，分别为011000111100和100001100000。读头首先广播第一个片段该片段将被其对应的标签所接收。由于片段只有第一个时隙指示值是‘01’，所对应的是标签t₃，因此，只有t₃在子帧0中返回应答信号。读头检测到该时隙是否有关键标签t₃的应答信号，例如本实施例中，没有t₃的应答信号，即可判断t₃为丢失的关键标签。同时，t₃将在下一轮的识别过程中被读头排除在外。另外，第二个时隙指示值为‘10’，所对应的标签是t₇，t₇在收到片段后即可确定其为普通标签，并在后续的识别过程中保持静默。第一个片段结束后，返回一个状态子帧“0”，用以表示在第一个片段中，读取到一个关键标签，且该关键标签为丢失状态。之后，读头广播片段由于片段的第三个时隙指示值是‘01’，在子帧1中，t₂将返回应答信号，读头即可判断它为非丢失关键标签，t₂也将在之后的识别过程中保持静默。标签t₁₁和t₁₂对应的时隙指示值均为‘10’，均为普通标签，t₁₁在后续识别过程中会被读头排除在外，而t₁₂在后续识别过程中保持静默。第二个片段结束后，返回状态子帧“1”，用以表示在第二个片段中，读取到一个关键标签，且该标签状态为未丢失。

参考图1，在第一轮识别的过程中，虚线箭头表示的为各个标签期望的应答值，实现标签表示的为实际应答值，即只有未丢失的关键标签t₂有应答，可以看出，普通标签不参与应答过程，从而可降低普通标签对标签识别过程的影响。

在完成第一轮的识别之后t₂、t₃、t₇、t₁₁和t₁₂的状态均被确认，在下一轮识别过程中，将忽略以上几个标签的识别。

在第2轮识别过程中，f₂＝7。读头首先广播包含R和f₂的信息，然后估计每个时隙的状态，并生成向量V₂，并将V₂分成两个片段，分别为100001001100和10。读头首先广播片段片段中第三个时隙指示值为‘01’，在子帧0中，t₄返回应答信号，并且在之后的检测过程中保持静默，t₅则被读头排除在外。读头接着广播片段由于片段中只有一个时隙指示值‘10’，其对应的标签t₈和t₁₀将之后保持静默。因此，在第i+1轮之后，只剩下3个标签未被确认(含1个关键标签)。读头将重复上述步骤，直至所有关键标签都被确认。

在完成第二轮的识别之后t₅、t₄、t₈和t₁₀的状态均被确认，在下一轮识别过程中，将忽略以上几个标签的识别。至此，关键标签中，只有t₁的状态未被识别出。

在第3轮的识别过程中，f₃＝3。读头首先广播包含R和f₃的信息，然后估计每个时隙的状态，并生成向量V₃。V₃中对应有针对t₁的识别向量。

至第3轮过后，完成所有关键标签的识别确认。并总结所有没有应答的关键标签，得到所有丢失的关键标签。

参考图2至图7，在相同的关键标签数、普通标签数的情况下，采用本发明所述的方法，可以极大提高识别效率，缩短识别时间。

采用本发明所述的关键标签丢失识别方法，可以用于匿名射频识别系统，可以高效、准确的确认所有丢失关键标签，避免关键标签和普通标签的数据包冲突，克服普通标签的干扰，性能上优于已有的方法。

上述具体实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，基于RFID系统而实现，所述RFID系统包括服务器、读头及n个标签，其特征在于：所述服务器按标签ID将标签区分记录为关键标签和普通标签；所述关键标签丢失识别方法，需要进行多轮标签识别，其中第i轮标签识别包括以下步骤：

S1：读头广播包含R和f_i的信息，其中R为随机数，f_i为每帧时隙个数，与第i轮包括的标签个数相等的，1≤f_i≤n；

S2：每个标签接收到读头广播的信息后，计算H(ID,R)对f_i的余数，作为每个标签应答的预期时隙序号，其中H是所有读头和标签共有的哈希函数；

S3：读头基于所有标签的ID，计算每个标签的应答时隙，并估算每个时隙的预期状态，生成一个2f_i位的向量序列V_i；向量序列V_i中相邻的两位为一个时隙指标值，每种时隙指标对应一种标签读取类型；

S4：按向量序列V_i中时隙指标顺序进行标签状态识别，判断标签在相应的识别时隙是否返回应答状态，未返回应答状态的关键标签为丢失关键标签；

S5：去除步骤S4中被识别出状态的关键标签和普通标签后，更新标签数量，以新的标签数量生成f_i并重复执行步骤S1至步骤S4；

所述向量序列V_i中的时隙指标包括以下几类：时隙指标00表示时隙未被标签选中，不进行标签读取；时隙指标01表示时隙被关键标签选中，进行关键标签读取，被读取出状态信息的关键标签不进行下一轮读取；时隙指标10表示时隙被普通标签选中，进行普通标签读取，被读取出状态信息的普通标签不进行下一轮读取；时隙指标11表示时隙被至少一个关键标签的多个标签选中，其对应的标签将进行下一轮标签读取。

2.如权利要求1所述的匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，其特征在于，将向量序列V_i分为多个向量片段，读头按向量片段顺序广播片段，与片段对应的标签接收相应的向量片段。

3.如权利要求1或2所述的匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，其特征在于，若时隙指标为10或11，则其对应的标签在时隙识别过程中保持静默。

4.如权利要求2所述的匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，其特征在于，读头广播向量片段后，与向量片段对应的标签判断其所对应的时隙指标是否为“01”，若是，计算该标签所对应的时隙指标之前的时隙指标中状态为“01”的时隙指标的个数ω，并返回一个ω位的应答状态信息。

5.如权利要求1所述的匿名射频识别系统基于向量的丢失关键标签的识别方法，其特征在于，步骤S5中，读头更新未被确认的关键标签数量和普通标签数量，并进行下一轮识别。