CN107895130A - 一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法 - Google Patents

一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，属于射频识别技术领域，本方法根据碰撞标签的个数和碰撞位数自适应地选择八叉碰撞树或二叉碰撞树搜索，在碰撞标签数大于等于4时选择八叉碰撞树搜索，通过发送查询命令获得碰撞序列的前三位碰撞位信息来确定新的查询前缀；在碰撞标签数小于4时选择二叉碰撞树搜索。本发明通过优化查询前缀实现无空闲时隙八叉树搜索，有效避免了在标签个数较多时二叉树的搜索效率低的缺点，也解决了多叉树搜索会增加空闲时隙的问题。与现有技术相比，本发明实现了在搜索过程中无空闲时隙，并在大幅减少了碰撞时隙的同时有效减少了系统总时隙数，提高了系统识别速率和吞吐率。

Description

一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法
技术领域
本发明涉及一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，属于射频识别技术领域。
背景技术
射频识别(RFID)技术兴起于二十世纪八九十年代，由于其快捷方便，识别时无需人为干预，可靠性高等特点在自动识别系统中被广泛地应用。一般RFID系统由读写器，电子标签和后台数据处理系统三部分组成。RFID系统要求读写器对标签快速准确地识别，但多个标签同时向读写器发送信息时会形成碰撞，导致识别失败。
为解决多标签同时响应读写器的问题，许多标签防碰撞算法应运而生。RFID系统中标签防碰撞算法主要分为两类：一是基于时隙分配的ALOHA算法和二是基于树的防碰撞算法。ALOHA防碰撞算法虽然相较于基于树的防碰撞算法而言算法简单，识别速度快，易于实现，但由于其时隙随机分配的特点存在“标签饥饿”的问题，所以能做到百分之百识别的基于树的确定性防碰撞算法成为研究的热点和技术发展的趋势方向。
但基于树的防碰撞算法一般比较复杂，识别时间长，搜索效率低。为解决这一问题，产生了Collision Tree(碰撞树，CT)算法可以完全消除算法中的空闲时隙，但由于其为基于二叉树的特性，相较于多叉树识别效率较低。而单纯采用多叉树虽然可以减少碰撞时隙数，但会造成空闲时隙的增加，叉数越高，空闲时隙数比例也相应会越高。现还有混合多叉树方法结合二叉树、四叉树和八叉树搜索，但仍没有解决在采用多叉树搜索时产生的大量空闲时隙的问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的问题，本发明目的在于提供一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，基于碰撞标签个数和碰撞位个数自适应选择八叉树搜索或二叉树搜索，使得整个搜索过程中无空闲时隙，能够有效提高基于树的防碰撞算法的搜索效率。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，该方法包括如下步骤：
(1)读写器从查询堆栈读取查询前缀，发送搜索命令；初始状态时，查询堆栈为空，查询前缀为空串；
(2)满足查询前缀的标签响应并将各自序列号中除去查询前缀后剩下的部分发送回读写器作为响应；查询前缀为空串时，所有接收到搜索命令的标签都响应；
(3)读写器根据标签响应状况确定时隙状态，若只有一个标签响应则成功识别，读取标签并将其静默，进入步骤(5)，若多个标签同时响应则读写器判断为碰撞时隙，进入步骤(4)；
(4)读写器根据碰撞标签数和碰撞位数自适应地选择八叉碰撞树或二叉碰撞树搜索，确定新的查询前缀并压入查询堆栈，进入步骤(5)；包括：在碰撞标签数大于等于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择八叉碰撞树搜索，通过发送查询命令获得各个碰撞标签序列号的前三位碰撞位信息并据此得到新的查询前缀并压入查询堆栈；在碰撞标签数小于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择二叉碰撞树搜索，生成两个新的查询前缀并压入查询堆栈；
(5)读写器判断查询堆栈是否为空，如不是则进入步骤(1)，若是则结束。
进一步地，步骤(4)中还包括：在碰撞标签数等于4且碰撞位数等于2时，直接将两个碰撞比特位分别置00，01，10和11，然后读取四个标签信息后将其静默。
进一步地，步骤(4)中还包括：在碰撞标签数等于2且碰撞位数等于1时，直接将碰撞比特位置0和1，然后识别读取这两个标签后将其静默。
进一步地，步骤(4)中读写器发送查询命令获得碰撞标签序列号的前三位碰撞位信息的步骤包括：
(4.1)读写器收到多个标签的同时响应的信息后确定碰撞位置，将碰撞位的前三位置1，其余位置0，形成一个EPC(Electronic Product Code，电子产品编码)号发送给此碰撞时隙中的标签；
(4.2)各个标签收到命令后将EPC号中置1位置的信息提取，形成各自的三位的二进制序列a1a2a3；
(4.3)各个标签初始化一个八位的全零序列N_EPC，并将N_EPC序列中a1a2a3对应十进制数位置1后(从左到右分别为0至7位)回应给读写器；
(4.4)读写器收到标签回应进行解码后得到收到的序号的碰撞位位置，将所有碰撞位置分别做十—二进制转换得到三位二进制序列，从而得到多个由各标签号前三位碰撞位组成的序列b1b2b3。
进一步地，步骤(4)中，当采用八叉碰撞树搜索时，读写器生成新的查询前缀的步骤包括：读写器通过解码得到前三位碰撞位的在响应信息中的位置，分别记为d1，d2，d3；将通过查询命令得到各个碰撞位信息序列b1b2b3分别置入碰撞位，即第d1位置b1，第d2位置b2，第d3位置b3。旧查询前缀后加上接收到的响应部分的前d3位则得到多个新的查询前缀；
进一步地，步骤(4)中，当采用二叉碰撞树搜索时，读写器生成新的查询前缀的步骤包括：读写器通过解码得到第一位碰撞位在响应信息中的位置，记为d；旧查询前缀后加上接收的响应部分的前d位且第d位分别置入0和1，则得到两个新的查询前缀。
有益效果：本发明方法根据碰撞标签的个数和碰撞位数自适应地选择八叉碰撞树或二叉碰撞树搜索，通过优化查询前缀实现无空闲时隙八叉树，有效避免了在标签个数较多时二叉树的搜索效率低的缺点，也解决了多叉树搜索会增加空闲时隙的问题；并利用好二叉树的优点，避免在标签个数少时无空闲时隙八叉树搜索效率不高的问题。与现有技术相比，本发明方法实现了在搜索过程中无空闲时隙，并在大幅减少了碰撞时隙的同时有效减少了系统总时隙数，提高了系统识别速率和吞吐率。
附图说明
图1为RFID系统工作模式图；
图2为本发明实施例的流程框图；
图3为本发明实施例的算法详细流程图；
图4为本发明实施例完成5个待识别标签具体实例的识别过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请要求所限定的范围。
如图1所示，为RFID系统工作模式图。标签通过天线与读写器进行信息交互，当若干个标签同时向读写器回应信息时就会互相干扰，读写器难以正确识别各个标签。由于RFID系统中通常采用曼彻斯特编码，这一特性使其可以得到碰撞位的信息。
为解决图1场景中多标签同时响应读写器的问题，本发明实施例提供的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，如图2所示，主要包括如下步骤：
(1)读写器从查询堆栈读取查询前缀，发送搜索命令。其中初始状态时，读写器初始化查询堆栈S为空，查询前缀为空串，并发送ε搜索命令，即要求所有标签响应；
(2)满足查询前缀的标签响应并将各自序列号中除去查询前缀后剩下的部分发送回读写器作为响应。首次搜索时，所有接收到ε搜索命令的标签都将自己的完整序列号发送给读写器作为响应，有查询前缀时，假设查询前缀为m位，与查询前缀匹配一致的标签将自己序列号中剩下的(k-m)位发送给读写器作为响应，其中，k为标签序列号长度；
(3)读写器根据标签响应状况确定时隙状态，若只有一个标签响应则成功识别，读取标签并将其静默，跳转至步骤(5)，若多个标签同时响应则读写器判断为碰撞时隙，进入步骤(4)；
(4)在碰撞时隙中读写器根据碰撞标签数和碰撞位数自适应地选择八叉碰撞树或二叉碰撞树搜索，确定新的查询码并压入查询堆栈栈首，进入步骤(5)；
(5)读写器判断查询堆栈是否为空，如不是，则返回步骤(1)，若是，则读取过程结束。
步骤(4)中选择选择八叉碰撞树或二叉碰撞树的主要判断依据是：在碰撞标签数大于等于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择八叉碰撞树搜索，在碰撞标签数小于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择二叉碰撞树搜索。选择八叉碰撞树搜索时通过发送查询命令获得各个碰撞标签序列号的前三位碰撞位信息并据此得到新的查询前缀并压入查询堆栈；二叉碰撞树搜索则直接在旧查询前缀(即本轮碰撞时隙对应的查询前缀)之后加上在首位碰撞位置和其之前的响应信息，且在首位碰撞位分别置0和1，生产两个新的查询前缀压入到查询堆栈。在其它可以明确确定碰撞比特位的数值时，直接设置碰撞的值识别标签。本实施例的具体判别规则如下，详细算法流程如图3所示。
(A)如果碰撞标签数M≥4且碰撞位个数大于等于3，选择八叉碰撞树搜索，即读写器先向标签发送查询此次碰撞序列的前三位命令，标签接收后返回由本轮碰撞时隙中前三位碰撞位序列进行二—十进制转换后确定的消息码，读写器根据标签发送来的消息码确定新的前缀，并全部压入查询堆栈S。
(B)如果碰撞标签数M＜4，选择二叉碰撞树搜索；如果只有一个碰撞位，则读写器直接将碰撞比特位置0和1，然后识别读取这两个标签后将其静默。如果有两个及以上碰撞位，则读写器生成两个新的查询前缀，并压入查询堆栈S。查询前缀的生成规则为读写器解码得到第一个碰撞位在相应信息中的位置为第d位，旧查询前缀后加上接收到的响应部分的前d位且分别将第d位置1和0，则形成两个新的查询前缀。
(C)如果碰撞标签数M＝4且碰撞位个数等于2，只存在一种情况，即两位碰撞分别为00,01,10,11，所以此时不需要再生成查询前缀。读写器直接将两个碰撞比特位分别置00，01，10和11，然后读取这四个标签信息后将其静默。
规则(A)中，选择八叉树搜索后新的查询前缀可由以下步骤生成：
(1)读写器收到多个标签的同时响应的信息后确定碰撞位置，得到前三位碰撞位分别在响应信息中排在d1，d2，d3，将碰撞位的前三位置1，其余位置0，形成一个EPC号发送给标签；
(2)标签收到命令后将EPC号中置1位置的信息提取，形成三位的二进制序列a1a2a3；
(3)标签端初始化一个八位的全零序列N_EPC，将序列号a1a2a3进行二—十进制转换后得到十进制数x，使N_EPC序列的第x位置1。在本轮碰撞时隙中的各个标签将各自生成的N_EPC序列回应给读写器；
(4)读写器收到标签回应进行解码后可得到收到的序号的碰撞位信息，将所有碰撞位置(从左到右分别为0到7位)分别做十—二进制转换形成对应的三位二进制序列b1b2b3，将各个b1b2b3分别置入第d1，d2，d3位，旧查询前缀后加上接收到的响应部分的前d3位，则形成多个新的查询前缀。
下面以5个标签为例，结合附图4对本发明实施例做进一步的详细说明。
记5个标签分别为：A:00000110，B:00010100，C:01000000，D:01000011，E:10100011，本发明实施例的具体实施过程如下：
(1)读写器初始化查询堆栈S为空，发送ε搜索命令；
(2)ABCDE5个标签此时全部响应，发送各自序列号给读写器；
(3)读写器收到信息解码后得“XXXX0XXX”，X表示为碰撞位。此时碰撞标枪个数大于4且碰撞位数大于3，采用八叉树搜索，所以读写器发送“11100000”命令要求标签回应前三位碰撞位信息；
(4)标签收到命令后将各自前三位碰撞位做二—十变换x，x分别为0,0,2,2,5，标签回复在x位置1其他位置0的序列号返回给读写器；
(5)读写器收到信息解码后得“X0X00X00”，可知碰撞位为0,2,5，做十—二转换后得到000,010,101，分别置入前三位碰撞位后得到前缀为000,010,101；
(6)读写器发送前缀000，AB两个标签响应；
(7)读写器收到信息解码后得“X01X0”,此时标签个数较少采用二叉树搜索，将两个新的前缀0000和0001压入堆栈栈首，此时堆栈状态为0000,0001,010,101；
(8)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀0000，此时只有标签A响应，则读取成功；
(9)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀0001，此时只有标签B响应，则读取成功；
(10)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀010，此时CD两个标签响应；
(11)读写器收到信息解码后得“000XX”，两个标签响应时采用二叉树搜索，将两个新的前缀0100000和0100001压入堆栈栈首，此时堆栈状态为0100000,0100001,101；
(12)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀0100000，此时只有标签C响应，则读取成功；
(13)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀0100001，此时只有标签D响应，则读取成功；
(14)读写器读取查询堆栈栈首前缀，即发送前缀101，此时只有标签E响应，则读取成功；
(15)此时堆栈状态为空，则识别过程结束。

Claims (6)

1.一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)读写器从查询堆栈读取查询前缀，发送搜索命令；初始状态时，查询堆栈为空，查询前缀为空串；
(2)满足查询前缀的标签响应并将各自序列号中除去查询前缀后剩下的部分发送回读写器作为响应；查询前缀为空串时，所有接收到搜索命令的标签都响应；
(3)读写器根据标签响应状况确定时隙状态，若只有一个标签响应则成功识别，读取标签并将其静默，进入步骤(5)，若多个标签同时响应则读写器判断为碰撞时隙，进入步骤(4)；
(4)读写器根据碰撞标签数和碰撞位数自适应地选择八叉碰撞树或二叉碰撞树搜索，确定新的查询前缀并压入查询堆栈，进入步骤(5)；包括：在碰撞标签数大于等于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择八叉碰撞树搜索，通过发送查询命令获得各个碰撞标签序列号的前三位碰撞位信息并据此得到新的查询前缀并压入查询堆栈；在碰撞标签数小于4且不能确定碰撞比特位的数值时选择二叉碰撞树搜索，生成两个新的查询前缀并压入查询堆栈；
(5)读写器判断查询堆栈是否为空，如不是则进入步骤(1)，若是则结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：步骤(4)中还包括：在碰撞标签数等于4且碰撞位数等于2时，直接将两个碰撞比特位分别置00，01，10和11，然后读取四个标签信息后将其静默。
3.根据权利要求1所述的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：步骤(4)中还包括：在碰撞标签数等于2且碰撞位数等于1时，直接将碰撞比特位置0和1，然后识别读取这两个标签后将其静默。
4.根据权利要求1所述的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：步骤(4)中读写器发送查询命令获得碰撞标签序列号的前三位碰撞位信息的步骤包括：
(4.1)读写器收到多个标签的同时响应的信息解码后确定碰撞位置，将碰撞位的前三位置1，其余位置0，生成一个EPC号发送给此碰撞时隙中的标签；
(4.2)各个标签收到命令后将EPC号中置1位置的信息提取，形成各自的三位的二进制序列a1a2a3；
(4.3)各个标签初始化一个八位的全零序列N_EPC，并将N_EPC序列中a1a2a3对应十进制数位置1后回应给读写器；
(4.4)读写器收到标签回应进行解码后得到收到的序号的碰撞位位置，将所有碰撞位置分别做十—二进制转换得到三位二进制序列，从而得到多个由各标签号前三位碰撞位组成的序列b1b2b3。
5.根据权利要求1所述的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：步骤(4)中，当采用八叉碰撞树搜索时，读写器生成新的查询前缀的步骤包括：读写器通过解码得到前三位碰撞位的在响应信息中的位置，分别记为d1，d2，d3；将通过查询命令得到各个碰撞位信息序列b1b2b3分别置入碰撞位，即第d1位置b1，第d2位置b2，第d3位置b3；旧查询前缀后加上接收到的响应部分的前d3位则得到多个新的查询前缀。
6.根据权利要求1所述的一种基于碰撞树的自适应多叉树防碰撞方法，其特征在于：步骤(4)中，当采用二叉碰撞树搜索时，读写器生成新的查询前缀的步骤包括：读写器通过解码得到第一位碰撞位在响应信息中的位置，记为d；旧查询前缀后加上接收的响应部分的前d位且第d位分别置入0和1，则得到两个新的查询前缀。
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