CN107844726B - 一种井下即时定位标签防连续碰撞方法 - Google Patents

一种井下即时定位标签防连续碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种井下即时定位标签防连续碰撞算法，建立标签信号连续碰撞模型，基于识别码的发射间隔生成算法，仿真及结果分析；本发明无需随机数即可给每个标签生成多个发射间隔的算法（IBBIGA,Identity Based Blink Interval Generating Algorithm）；该算法有效地防止了连续碰撞，同时保证了各标签的平均发射间隔相同。通过仿真分析，与纯ALOHA协议和INCITS371.1协议的发射间隔生成方法比较，IBBIGA漏读率更低。

Description

一种井下即时定位标签防连续碰撞方法
技术领域
本发明涉及一种防连续碰撞方法，具体涉及一种井下即时定位标签防连续碰撞方法。
背景技术
即时定位系统在煤矿的生产管理和突发事件的应对上都有着重要的作用，其主要功能是实时的获取并显示井下移动目标的具体位置。系统通常采用RFID技术实现，通过将标签固定在移动目标上，再利用分布在井下的读卡器接收标签发射的识别码来确定目标所处的位置。通常系统会采用主动式标签来增加识别距离，即标签主动地周期性广播识别码。为了能使标签工作的时间更长和减少成本，多采用只发标签。
当多个目标同时一起移动时，其携带的标签发射的无线信号会相互碰撞，使读卡器接收不到标签发射的标识码，造成标签标识码的漏读，导致定位系统追踪失败。而多个标签处于同一位置时，信号的相互干扰是不可避免的。收发标签可通过发送之前检测信道的占用情况来避免碰撞，只发标签无法确定信道的占用情况，只能通过增大标签发射频率或读卡周期来减小漏读率。当标签的发射间隔相同时，会造成发射信号连续碰撞，导致长时间标识码的漏读。由于只发标签无法接收信号，发射时无法采用同步的方式防止碰撞。在这种情况下，只能通过改变标签的发射间隔来降低信号的连续碰撞概率。INCITS371.1协议规定了每次发射时对发射周期延长或缩短一个随机值来改变发射间隔。纯ALOHA协议允许标签在任意时刻随机接入。由于很多标签硬件结构不具备产生随机数的条件，这些采用随机发射间隔的方式在实际实现时非常困难。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种井下即时定位标签防连续碰撞方法，有效地防止了连续碰撞，同时保证了各标签的平均发射间隔相同。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种井下即时定位标签防连续碰撞方法，标签和读卡器工作在同一个无线信道下，设读卡器的读卡周期为Tr，标签发射识别码占用信道时间为ts，有任意两个标签A、B长时间处于某个读卡器的读卡范围内，发射周期分别为Tta、Ttb，两个标签同时处于识别区域的第一次发射存在一个时间差Δt，满足Δt≤max(Tta,Ttb)；
若两个标签的发射的时间重叠时造成碰撞，可知必存在整数m、n，使得不等式
|mTtb-nTta-Δt|＜ts (1)
成立；若两个标签会发生连续碰撞，则相当于在第一碰撞后的连续k个周期内也满足碰撞的条件，即：
|mTtb-nTta+k(Ttb-Tta)-Δt|＜ts (2)；
由(1)式和(2)可得两个标签连续碰撞可达到k+1次的条件是
Figure GDA0002851123640000021
当
Figure GDA0002851123640000022
或
Figure GDA0002851123640000023
时会出现标识码漏读；
由(3)式可知，当任意两个标签的发射周期之差的绝对值小于发射时间的两倍时，会出现连续碰撞的情况；任意两个标签之间的任意接入间隔差的绝对值大于等于2ts，相互碰撞的标签在下一次发射时不会再次碰撞；
设标签发射的平均间隔为
Figure GDA0002851123640000024
标签每次发射需要消耗能量为Et，主动式标签携带电池的电量为E，要求标签的最小工作时长为T，得
Figure GDA0002851123640000031
即
Figure GDA0002851123640000032
当标签经过一个读卡器的读卡范围时，设最大的通过速度为v，读卡器识别区域的半径为d，则标签通过识别区域的时间为
Figure GDA0002851123640000033
标签应在通过时间内至少发射nt次信号以确保读卡器能收到识别码，若采用可变间隔发射方法，标签连续两次的发射间隔最大可达平均间隔的两倍，可知
Figure GDA0002851123640000034
即
Figure GDA0002851123640000035
由以上分析可知平均间隔
Figure GDA0002851123640000036
的取值范围为
Figure GDA0002851123640000037
为了能取到合适的平均间隔，应保证取值范围中下限小于上限，即
Figure GDA0002851123640000038
由(6)式可知给标签配备的电池电量必须满足
Figure GDA0002851123640000039
已知平均间隔长度内支持的不发生连续碰撞的时间间隔总数为
Figure GDA00028511236400000310
令
Figure GDA00028511236400000311
(7)式中N用于识别码的取余运算，q将根据识别区域允许出现的最大标签数量进行调整，标签的第r次接入间隔TBI计算方法如下：
Figure GDA00028511236400000312
(8)式中r'＝r％2q，ID为标签的识别码，该算法使每个标签在2q个不同的发射间隔中轮流取值；
设处于同一读卡器识别范围内任意两个标签A、B的ID对N取余后为ida、idb且ida≠idb，则根据算法计算出的A、B标签发射间隔可能取值的差为
|TBIa-TBIb|＝|ida±idb|×2ts+hN×2ts (9)；
(9)式中h为一随机非负整数，与A、B标签的发射次数和q的取值有关，在h可以取值的范围内，由于ida≠idb，得|TBIa-TBIb|≥2ts，可知若某次两个标签发射的信号发生了碰撞，下一次发射时不会再次碰撞。若ID取余后相等，即ida＝idb，当标签出现在同一识别区域碰撞发生时，只有当下一次发射间隔取值相同时会再次碰撞，即可得连续碰撞的条件概率为
Figure GDA0002851123640000041
为了防止这种情况出现，可以在设置识别码时使用连续数进行编码，同时扩大N的取值，任意一个标签在2q个发射间隔之间轮流取值，将2q个发射间隔相加可得，
Figure GDA0002851123640000042
即每个标签的平均发射时间间隔均为
Figure GDA0002851123640000043
与现有技术相比本发明无需随机数，充分利用了识别码的唯一性，为每一个标签分配一组发射间隔。为了保证同一批标签能耗相同，算法同时保证所有标签的发射平均间隔相等。仿真结果显示，该算法比随机产生发射间隔的方法漏读率更低。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
标签和读卡器工作在同一个无线信道下，设读卡器的读卡周期为Tr，标签发射识别码占用信道时间为ts，有任意两个标签A、B长时间处于某个读卡器的读卡范围内，发射周期分别为Tta、Ttb，两个标签同时处于识别区域的第一次发射存在一个时间差Δt，满足Δt≤max(Tta,Ttb)；
若两个标签的发射的时间重叠时造成碰撞，可知必存在整数m、n，使得不等式
|mTtb-nTta-Δt|＜ts (1)
成立；若两个标签会发生连续碰撞，则相当于在第一碰撞后的连续k个周期内也满足碰撞的条件，即：
|mTtb-nTta+k(Ttb-Tta)-Δt|＜ts (2)；
由(1)式和(2)可得两个标签连续碰撞可达到k+1次的条件是
Figure GDA0002851123640000051
当
Figure GDA0002851123640000052
或
Figure GDA0002851123640000053
时会出现标识码漏读；
由(3)式可知，当任意两个标签的发射周期之差的绝对值小于发射时间的两倍时，会出现连续碰撞的情况；任意两个标签之间的任意接入间隔差的绝对值大于等于2ts，相互碰撞的标签在下一次发射时不会再次碰撞；
设标签发射的平均间隔为
Figure GDA0002851123640000061
标签每次发射需要消耗能量为Et，主动式标签携带电池的电量为E，要求标签的最小工作时长为T，得
Figure GDA0002851123640000062
即
Figure GDA0002851123640000063
当标签经过一个读卡器的读卡范围时，设最大的通过速度为v，读卡器识别区域的半径为d，则标签通过识别区域的时间为
Figure GDA0002851123640000064
标签应在通过时间内至少发射nt次信号以确保读卡器能收到识别码，若采用可变间隔发射方法，标签连续两次的发射间隔最大可达平均间隔的两倍，可知
Figure GDA0002851123640000065
即
Figure GDA0002851123640000066
由以上分析可知平均间隔
Figure GDA0002851123640000067
的取值范围为
Figure GDA0002851123640000068
为了能取到合适的平均间隔，应保证取值范围中下限小于上限，即
Figure GDA0002851123640000069
由(6)式可知给标签配备的电池电量必须满足
Figure GDA00028511236400000610
已知平均间隔长度内支持的不发生连续碰撞的时间间隔总数为
Figure GDA00028511236400000611
令
Figure GDA0002851123640000071
(7)式中N用于识别码的取余运算，q将根据识别区域允许出现的最大标签数量进行调整，标签的第r次接入间隔TBI计算方法如下：
Figure GDA0002851123640000072
(8)式中r'＝r％2q，ID为标签的识别码，该算法使每个标签在2q个不同的发射间隔中轮流取值；
设处于同一读卡器识别范围内任意两个标签A、B的ID对N取余后为ida、idb且ida≠idb，则根据算法计算出的A、B标签发射间隔可能取值的差为
|TBIa-TBIb|＝|ida±idb|×2ts+hN×2ts (9)；
(9)式中h为一随机非负整数，与A、B标签的发射次数和q的取值有关，在h可以取值的范围内，由于ida≠idb，得|TBIa-TBIb|≥2ts，可知若某次两个标签发射的信号发生了碰撞，下一次发射时不会再次碰撞。若ID取余后相等，即ida＝idb，当标签出现在同一识别区域碰撞发生时，只有当下一次发射间隔取值相同时会再次碰撞，即可得连续碰撞的条件概率为
Figure GDA0002851123640000073
为了防止这种情况出现，可以在设置识别码时使用连续数进行编码，同时扩大N的取值，任意一个标签在2q个发射间隔之间轮流取值，将2q个发射间隔相加可得，
Figure GDA0002851123640000074
Figure GDA0002851123640000081
即每个标签的平均发射时间间隔均为
Figure GDA0002851123640000082
通过仿真工具MATLAB实现发射间隔生成算法，与纯ALOHA协议和INCITS371.1协议进行了比较。为了充分体现由发射间隔造成的漏读差异，仿真中使每种生成间隔的算法单位时间内的发射次数相同。其中纯ALOHA协议标签在平均间隔内任意时间发射一次；INCITS371.1协议允许每个间隔发射1-4次，为了方便比较，采用一个间隔只发射一次，其间隔计算方法为发射平均间隔与均匀分布在-638ms-638ms的随机值相加。
仿真中假设所有标签放在一起，标签和读卡器的通信传输比特率为250kbps，每次发射带有识别码的帧长为80bit，标签时钟晶振的频偏为40ppm。
根据AQ 6210-2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件，井下即时定位系统的漏读率不得高于10-4。假设通过同一读卡器识别范围内的标签数为80，标签的平均发射间隔为2s。该实验不断增加读卡器读卡周期长度，直到满足漏读率低于10-4的标准要求。当算法IBBIGA的参数q取值为2和3时，漏读率数据几乎相同，比使用随机方法生成发射间隔的ALOHA和INCITS371.1漏读率更低。仿真中，q值取为0表示每个标签的发射间隔相等，都为2s。当q取值为0和1时，由于标签的发射间隔选择范围过小，连续碰撞的概率较高，导致漏读率无法达到要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种井下即时定位标签防连续碰撞方法，其特征在于，
标签和读卡器工作在同一个无线信道下，设读卡器的读卡周期为Tr，标签发射识别码占用信道时间为ts，有任意两个标签A、B长时间处于某个读卡器的读卡范围内，发射周期分别为Tta、Ttb，两个标签同时处于识别区域的第一次发射存在一个时间差Δt，满足Δt≤max(Tta，Ttb)；
若两个标签的发射的时间重叠时造成碰撞，可知必存在整数m、n，使得不等式
|mTtb-nTta-Δt|＜ts (1)
成立；若两个标签会发生连续碰撞，则相当于在第一碰撞后的连续k个周期内也满足碰撞的条件，即：
|mTtb-nTta+k(Ttb-Tta)-Δt|＜ts (2)；
由(1)式和(2)可得两个标签连续碰撞可达到k+1次的条件是
Figure FDA0002779700960000011
当
Figure FDA0002779700960000012
或
Figure FDA0002779700960000013
时会出现标识码漏读；
由(3)式可知，当任意两个标签的发射周期之差的绝对值小于发射时间的两倍时，会出现连续碰撞的情况；任意两个标签之间的任意接入间隔差的绝对值大于等于2ts，相互碰撞的标签在下一次发射时不会再次碰撞；
设标签发射的平均间隔为
Figure FDA0002779700960000014
标签每次发射需要消耗能量为Et，主动式标签携带电池的电量为E，要求标签的最小工作时长为T，得
Figure FDA0002779700960000015
当标签经过一个读卡器的读卡范围时，设最大的通过速度为v，读卡器识别区域的半径为d，则标签通过识别区域的时间为
Figure FDA0002779700960000016
标签应在通过时间内至少发射nt次信号以确保读卡器能收到识别码，若采用可变间隔发射方法，标签连续两次的发射间隔最大可达平均间隔的两倍，可知
Figure FDA0002779700960000021
由以上分析可知平均间隔
Figure FDA0002779700960000022
的取值范围为
Figure FDA0002779700960000023
为了能取到合适的平均间隔，应保证取值范围中下限小于上限，即
Figure FDA0002779700960000024
由(6)式可知给标签配备的电池电量必须满足
Figure FDA0002779700960000025
已知平均间隔长度内支持的不发生连续碰撞的时间间隔总数为
Figure FDA0002779700960000026
令
Figure FDA0002779700960000027
(7)式中N用于识别码的取余运算，q将根据识别区域允许出现的最大标签数量进行调整，标签的第r次接入间隔TBI计算方法如下：
Figure FDA0002779700960000028
(8)式中r′＝r％2q，ID为标签的识别码，该方法使每个标签在2q个不同的发射间隔中轮流取值；
设处于同一读卡器识别范围内任意两个标签A、B的ID对N取余后为ida、idb且ida≠idb，则根据方法计算出的A、B标签发射间隔可能取值的差为
|TBIa-TBIb|＝|ida±idb|×2ts+hN×2ts (9)；
(9)式中h为一随机非负整数，与A、B标签的发射次数和q的取值有关，在h可以取值的范围内，由于ida≠idb，得|TBIa-TBIb|≥2ts，可知若某次两个标签发射的信号发生了碰撞，下一次发射时不会再次碰撞，若ID取余后相等，即ida＝idb，当标签出现在同一识别区域碰撞发生时，只有当下一次发射间隔取值相同时会再次碰撞，即可得连续碰撞的条件概率为
Figure FDA0002779700960000029
为了防止这种情况出现，可以在设置识别码时使用连续数进行编码，同时扩大N的取值，任意一个标签在2q个发射间隔之间轮流取值，将2q个发射间隔相加可得，
Figure FDA00027797009600000210
Figure FDA0002779700960000031
即每个标签的平均发射时间间隔均为
Figure FDA0002779700960000032
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