CN108563884B - 一种面向大规模rfid系统的最值估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向大规模RFID系统的最值估计方法，可以同时估计标签值的最大值与最小值。本发明利用了动态调整帧内时隙数的思想，弥补了以往二分搜索不能充分考虑两个时间帧之间额外开销的不足。主要包括以下步骤：(1)区间处理一：根据初始最大值与最小值的区间，细化成三个区间使最大值与最小值的区间相同或不相交；(2)区间处理二：当最大值与最小值在同一区间时，迭代划分区间直到两个区间不相交或时间用完；(3)区间处理三：当最大值与最小值在不同区间时，重新排列时间帧。在一个时间帧的前半部分估计最小值，后半部分估计最大值，分别迭代估计最值区间。(4)拓展时隙：当剩余时间不满足两个连续的正常时间帧时，本发明考虑将剩余时间拓展成一个时间帧。

Description

一种面向大规模RFID系统的最值估计方法
技术领域
本发明公开了一种面向大规模RFID系统的最值估计方法，主要用于在大规模RFID系统中利用动态调整帧内时隙数思想解决RFID标签的最值问题。
背景技术
RFID标签可以携带一个值，称为标签值。在RFID系统中，估算标签值的统计量非常重要。一种直接的方法是逐个读取标签。虽然这可以提供准确的统计量，但所消耗的时间与标签数量成正比，在大规模RFID系统中消耗过大。因此，研究人员提出了各种协议来在较短的时间内估计统计量，例如中值或直方图。本发明着重于估计标签值的最大值和最小值。一个简单的方法是使用二分搜索方法来迭代搜索最小值(或最大值)。此时，读写器广播一个候选值和一个由一个时隙组成的帧，要求所有小于候选值的标签在该时隙中响应。如果有标签响应，则最小值小于候选值。如果没有标签响应，那么最小值不小于候选值。通过选择适当的候选值，我们可以使用一个时间帧将最值的搜索范围缩小一半，这种方法称为二分搜索协议。但是，这种二分搜索协议在实践中可能会浪费太多时间，原因是在两个时间帧之间存在额外的时间开销。考虑到开销很长的极端情况，大部分时间都花在等待下一个时间帧上。因此，它在RFID系统中可能不是最佳的。
本发明同时估计最小值和最大值，其基本思想是将帧中的时隙数量设置为未知参数，并针对给定的RFID系统对其进行优化，以在分配的时间固定时最小化估计误差。由于帧包含多个时隙，因此我们可以提出更多问题并减少帧间开销的影响。
发明内容
[发明目的]：为了优化二分搜索不能充分考虑两个时间帧之间的额外开销的不足，本发明提出大规模RFID系统的环境下利用动态调整帧内时隙数思想解决RFID标签中的最值问题，在给定时间内最小化估计最值的误差。
[技术方案]：本发明方案主要包括以下内容：
1)区间处理一阶段
根据初始最大值与最小值的区间，细化成三个区间使最大值与最小值的区间相同或不相交。
2)区间处理二阶段
当最大值与最小值在同一区间时，迭代地划分区间直到两个区间不相交或时间用完。区间与标签回复的时隙一一对应。
3)区间处理三阶段
当最大值与最小值在不同区间时，重新排列时间帧。在一个时间帧的前半部分估计最小值，后半部分估计最大值，分别迭代地估计最值区间。当最小值落在最后一个区间时，标签不回复。当最大值落在第一个区间时，标签不回复。
4)拓展时隙阶段
当剩余时间不满足两个连续的正常时间帧时，本发明考虑将剩余时间拓展成一个时间帧。
[有益效果]：本发明在给定时间内同时估计最大值与最小值，相较于以往的二分搜索协议，能够充分利用现有的时间，极大降低额外时间开销和最值估计误差。
[附图说明]：
图1为最值估计运行流程图；
图2为帧结构图；
图3为模拟结果图
[具体实施方式]：
以下结合附图和具体实例对本发明做具体的介绍。
如附图1所示，本发明为一种面向大规模RFID系统的最值估计方法，分为四个阶段，区间处理一，区间处理二，区间处理三，拓展时隙阶段。
1.区间处理一
此步骤的目的是根据初始的最值区间将其细化成三个区间使其相同或不相交，以供后续步骤使用。假设初始最小值区间是[l1，h1]，最大值区间是[l2，h2]，并且l1≤l2＜h1≤h2。将初始区间细化后，最小值所在区间情况如下：
至少有一个标签在第一个时隙回复，则最小值的区间落在[l1，l2]；没有标签在第一个时隙回复且至少有一个标签在第二个时隙回复，则最小值的区间落在[l2，h1]；否则，最小值的区间落在[h1，h2]。
最大值所在区间情况如下：
如果没有标签在第二个时隙和第三个时隙中回复，则最大值的区间落在[l1，l2]；没有标签在第三个时隙回复且至少有一个标签在第二个时隙回复，则最大值的区间落在[l2，h1]；否则，最大值的区间落在[h1，h2]。
2.区间处理二
当最大值与最小值在同一区间时，读写器广播一个时间帧和三个值l，h，n1。时隙长度为Et，两个时间帧间额外时间开销是Wt，剩余时间是t。读写器收集标签端回复的时隙位置
Figure BSA0000162676440000021
其中，候选值是v。其中，n1的值的计算方式如下。令x0是方程
Figure BSA0000162676440000022
的唯一解，
Figure BSA0000162676440000023
令
Figure BSA0000162676440000024
或者
Figure BSA0000162676440000025
对于给定时间t，当x0＞2时，若h(x1)＜h(x2)，则最优值n1＝x1；若h(x1)≥h(x2)，则最优值n1＝x2；当x0≤2时，最优值取2。
2.1如果标签端只有一个时隙回复。更新最值区间和剩余时间，重复执行步骤2。
2.2如果标签端至少有两个时隙回复，记录第一个回复的时隙位置和最后一个回复的时隙位置，第一个回复的时隙对应的区间包含最小值，最后一个回复的时隙对应的区间包含最大值，更新剩余时间。读写器输出两个区间[l1，h1]，[l2，h2]分别估计最小值与最大值。如果时间剩余，执行步骤3。
3.区间处理三
当最大值与最小值在不同区间时，本发明对时间帧重新排列，如附图2所示。将一个时间帧的前半部分估计最小值，后半部分估计最大值。读写器广播一种含有2n2-2个时隙的时间帧和五个值l′1，h′1，l′2，h′2，n2，最小值的时隙长度是len1，最大值的时隙长度是len2。剩余时间是t。最小值回复的时隙位置
Figure BSA0000162676440000027
最大值回复的时隙位置
Figure BSA0000162676440000028
Figure BSA0000162676440000029
为了节约时间，最小值在第n2个区间不回复，最大值在第1个区间不回复。其中，n2的值的计算方式如下。令x0是方程
Figure BSA00001626764400000210
的唯一解，
Figure BSA00001626764400000211
令
Figure BSA00001626764400000212
或者
Figure BSA00001626764400000213
对于给定时间t，当x0＞2时，若h(x1)＜h(x2)，则最优值n2＝x1；若h(x1)≥h(x2)，则最优值n2＝x2；当x0≤2时，最优值取2。
3.1如果前n2-1个时隙中至少有一个时隙回复，记录第一个回复的时隙位置，更新最小值区间。否则，最小值落在第n2个区间内，更新最小值区间和剩余时间。
3.2如果后n2-1个时隙中至少有一个时隙回复，记录最后一个回复的时隙位置，更新最大值区间。否则，最大值落在第1个区间，更新最大值区间和剩余时间。如果时间剩余，重复执行步骤3。
4.拓展时隙阶段
在估计最值时，当剩余时间不满足两个连续的正常时间帧时，为了提高时间利用率，本发明将剩余时间拓展成一个时间帧。
实施案例
本发明的效果可以用以下仿真实验进一步说明。时隙长度为Et为0.4ms，两个时间帧间额外时间开销是Wt为1.0ms。在这种条件下，我们分别计算出n1值为5，n2值为3。在此基础上，我们给与读写器端不同的可用时间t，获得不同的估计最值结果，通过比较真实的最值与我们计算出来的估计最值之间的误差，来评估本发明的好坏。模拟发现，当给定时间逐渐增加时，我们的误差趋近于0。模拟结果如附图3所示。

Claims (2)

1.一种面向大规模RFID系统的最值估计方法，其特征在于：包括以下四个步骤：
(1)区间处理一阶段，根据初始最大值与最小值的区间，细化成三个区间使最大值与最小值的区间相同或不相交；
(2)区间处理二阶段，当最大值与最小值在同一区间时，迭代划分区间直到两个区间不相交或时间用完，区间与标签回复的时隙一一对应；
(3)区间处理三阶段，当最大值与最小值在不同区间时，重新排列时间帧；在一个时间帧的前半部分估计最小值，后半部分估计最大值，分别迭代估计最值区间；当最小值落在最后一个区间时，标签不回复；当最大值落在第一个区间时，标签不回复；具体而言，
(3.1)读写器广播一种含有2n2-2个时隙的帧，前n2-1个时隙用于估计最小值，后n2-1个时隙用于估计最大值；其中参数n2的计算方式如下：
(3.1.1)令x0是方程
Figure FSB0000193919960000011
的唯一解，
Figure FSB0000193919960000012
其中Wt为两个时间帧间的额外时间开销，Et为时隙长度；
(3.1.2)令
Figure FSB0000193919960000013
或者
Figure FSB0000193919960000014
(3.1.3)对于给定时间t，当x0＞2时，若h(x1)＜h(x2)，则最优值n2＝x1；若h(x1)≥h(x2)，则最优值n2＝x2；当x0≤2时，最优值n2取2；
(3.2)读写器广播五个值l’1，h’1，l’2，h’2，n2，其中，l’1为最小值的下限，h’1为最小值的上限，l’2为最大值的下限，h’2为最大值的上限，n2是(3.1)中反应时隙个数的参数；
(3.3)最小值回复的时隙位置为
Figure FSB0000193919960000015
最大值回复的时隙位置为
Figure FSB0000193919960000016
其中v为候选值，len1为最小值的时隙长度，len2为最大值的时隙长度，l1为标签接收到的最小值的下限，l2为标签接收到的最大值的下限，n2为(3.1)计算得到的反应时隙个数的参数；
(3.4)如果前n2-1个时隙中至少有一个时隙回复，记录第一个回复的时隙位置，更新最小值区间；否则，最小值落在第n2个区间内，更新最小值区间和剩余时间；
(3.5)如果后n2-1个时隙中至少有一个时隙回复，记录最后一个回复的时隙位置，更新最大值区间；否则，最大值落在第1个区间，更新最大值区间和剩余时间；
(4)拓展时隙阶段，当剩余时间不满足两个连续的正常时间帧时，将剩余时间拓展成一个时间帧。
2.根据权利要求1所述的面向大规模RFID系统的最值估计方法，其特征在于：所述步骤(2)区间处理二阶段主要包括以下2个步骤：
(2.1)如果标签端只有一个时隙回复，更新最值区间和剩余时间；
(2.2)如果标签端至少有两个时隙回复，记录第一个回复的时隙位置和最后一个回复的时隙位置，第一个回复的时隙对应的区间包含最小值，最后一个回复的时隙对应的区间包含最大值，更新剩余时间。
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