CN108616858A

CN108616858A - 一种基于拍卖机制的rfid多阅读器信道资源分配方法

Info

Publication number: CN108616858A
Application number: CN201810407759.XA
Authority: CN
Inventors: 郑嘉利; 石静
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2018-10-02

Abstract

本发明涉及无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)中的多标签‑多阅读器防碰撞技术，具体地说是一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法。具体步骤包括RFID多阅读器信道模型建立、信道信任值计算、多标拍卖投标、多标拍卖赢家判决。本发明在RFID多标签‑多阅读器环境中引入多标拍卖机制来解决信道资源的分配问题。在该机制中，标签以信道信任值及平均传输速率为依据对信道进行投标，阅读器根据赢家判决算法来实施具体的分配方案，并在每个时隙末以数据发送成功与否作为反馈来动态更新信道的信任值。对分配过程中可能出现的标签碰撞采用等待一个时隙后再次进行信道选择接入，从而实现了信道资源的合理利用，提高了系统吞吐率。

Description

一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)中的多标签-多阅读器防碰撞技术，具体地说是一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法。

背景技术

无线射频识别(RFID)技术是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术。射频识别技术以它特有的无接触、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料及可工作于恶劣环境、可同时识别多个目标等优点逐渐成为自动识别技术中最优秀和应用领域最广泛的技术之一，被广泛应用在物品识别和数据采集等领域。

作为一种新兴的物联网核心应用技术之一，RFID应用系统近些年得到迅猛地发展。传统的RFID系统中只有一个阅读器，由于单个阅读器的通信范围有限，一个阅读器与大量标签的数据通信已经难以满足实际应用的需求。在某些应用场景中需要阅读器大范围地快速读取大量标签，同时为了不漏读标签，需要在这个范围内高密度地布置多台阅读器，一旦有标签需要与阅读器进行数据通信，便在实际应用过程中产生了RFID多标签-多阅读器碰撞问题，将导致大量的数据丢失和错误，严重影响系统的准确度和性能。RFID系统中主要存在着两种形式的冲突方式：一种是同一标签同时收到不同阅读器发出的命令，称为阅读器碰撞；另一种是一个阅读器同时收到多个标签返回的数据，称为标签碰撞。

目前，在标签防碰撞问题的研究上，各种标签防碰撞算法已经得到了广泛的研究，最常见的算法为基于时分复用(TDMA)的方法，包括基于ALOHA的不确定性防碰撞算法和基于二叉树的确定性防碰撞算法并在此基础上进行的各种改进算法。但是，为了解决整个RFID系统的碰撞问题，仅仅解决标签防碰撞的问题是不够的，还需要解决多标签与多阅读器的通信信道冲突问题。

现有技术中常采用基于调度的算法来解决多标签-多阅读器之间信道分配问题，通过全网的体系结构来统一收集RFID系统中存在的冲突消息，并通过一定的调度策略来分配时隙或频率资源，防止多个阅读器同时发送信号给标签而产生信号干扰，使可能发生的碰撞通信分布在不同的时隙或频率上，从而避免了碰撞的发生。然而该方法必然导致无法最大化的利用空闲概率较大的信道，且不能根据系统实际的通信情况，合理地对标签进行信道的动态分配，降低了RFID系统的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，在各信道相互独立，多阅读器之间碰撞可能性小的情况下，对有限的信道资源采用多标拍卖机制进行动态分配，提高了RFID系统吞吐率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，包括：

步骤1)RFID多阅读器信道模型建立：在RFID系统中，多阅读器环境实际上具备了多信道通信的特征，因此多标签对应多阅读器碰撞问题可转化为多用户动态接入多信道的资源分配问题，即解决未知信道环境先验知识下的机会式多信道的选择与接入问题，引入多标拍卖机制来求解此资源分配模型，每一个拍卖轮次对应一个时隙，标签所处的RFID环境可看作市场，市场中销售的货物是可供标签择机选择使用的信道资源；

步骤2)信道信任值计算：标签根据历史决策和观测结果得出每个信道状态为空闲的概率，定义为信道的信任值，每一个拍卖轮次后，都将根据上一时隙末数据发送成功与否作为反馈来动态更新信道的信任值；

步骤3)多标拍卖投标：假设所有参与投标的标签都是“自私的”、“理性的”，即标价不可能高于信道的价值，并假设每个标签都是诚实的投标者，若标签k需要与阅读器进行数据通信，那么该标签需要从周围的无线环境中寻找合适的信道构成通信链路来发送数据，因此标签k需根据各信道当前信任值、平均传输速率为参考因素，选择标价值最高的信道进行投标，对分配过程中可能出现的标签碰撞问题，采用等待一个时隙根据更新后的信任值再次进行投标；

步骤4)多标拍卖赢家判决：信道n在第t轮拍卖中被分配给哪个标签是由赢家判决算法决定的，各阅读器根据收到的投标结果来判断赢家，完成信道分配，赢家判决算法的基本原则就是最大化拍卖者的收益。

作为本发明的进一步说明，所述步骤1)中RFID多阅读器信道模型建立，具体包括：假设在RFID多标签-多阅读器系统中存在着标签集合为{1，2，...，K}的K个标签，标签可以择机地使用任一信道与阅读器进行数据通信，信道集合为{1，2，...，N}的N条信道与N个阅读器一一对应，各信道相互独立，多阅读器之间碰撞的可能性小，且N＜K；系统中各信道被划分为多个时隙，且信道状态在每个时隙内保持不变，标签与阅读器之间的数据通信均在一个时隙内完成，定义信道状态空闲为1，忙碌为0，则信道状态空间可表示为S＝{s₁(t)，s₂(t)，...，s_N(t)}∈{0，1}^N；对于信道n，g_n，k表示信道n分配给标签k时，标签k所获得的平均传输速率。

作为本发明的进一步说明，所述步骤2)中信道信任值的计算，具体包括：假设系统中所有的标签在同一时刻对相同环境的感知结果是一致的，定义信道信任值为信道状态空闲的概率，在时隙t的开始阶段，标签根据历史决策和观测结果得出每个信道状态为空闲的概率，定义W_k(t)＝{ω_1，k(t)，ω_2，k(t)，...，ω_N，k(t)}，ω_n，k(t)表示标签k在时隙t开始时，感知信道n的状态为1的概率，为标签k对N个信道感知结果向量，标签在数据传输后得到反馈信息a_n，k(t)∈{0(NAK)，1(ACK)}；在时隙t+1，标签k根据上一时隙的感知结果和应答信息a_n，k(t)，对信道信任值按如下公式进行更新：

其中，f(ω_n，k(t))＝ω_n，k(t)p_n(11)+(1-ω_n，k(t)p_n(01))。

作为本发明的进一步说明，所述步骤3)中多标拍卖投标，具体包括：标签之间没有信息的交互，假设所有的标签可以同时对N条可用信道进行完美感知，且感知结果可以为无差错且完美的，用B_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的标价向量，b_n，k(t)∈B_k(t)表示标签在第t轮拍卖中为信道n所出的标价，则B_k(t)＝{b_n，k(t)|n∈N}，用V_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的价值向量，v_n，k(t)∈V_k(t)表示标签在第t轮拍卖中拍得信道n所得到的价值，v_n，k(t)取决于在第t轮拍卖时，信道当前信任值ω_n，k(t)以及平均传输速率g_n，k，则V_k(t)＝{v_n，k(t)＝ω_n，k(t)g_n，k|n∈N}；当投标的结果产生冲突，即出现标签碰撞问题时，发生碰撞的标签等待一个时隙后根据更新后的信道信任值再次进行投标。

作为本发明的进一步说明，所述步骤4)中多标拍卖赢家判决，具体包括：信道n经过第t轮拍卖被分配给哪个竞标标签是由赢家判决算法来决定的，标签k在第t轮拍卖时的标价向量与其价值向量呈线性变化，即B_k(t)＝aV_k(t)，其中a为不大于1的非零常数，赢家判决算法的基本原则是最大化拍卖者的收益，即最大化信道的利用价值，受限于

本发明所设计的赢家判决算法可表示如下：

本发明实现的原理：将多标签-多阅读器环境中的数据传输问题转化为多用户动态接入多信道的资源分配问题。本发明利用多标拍卖机制来解决了RFID多阅读器有限信道资源的分配问题，标签根据历史经验积累给予每个信道一定的信任值(本发明中定义为信道空闲概率)，各标签基于当前信任值以及相应的平均传输速率对具有最高拍得价值的信道进行投标，阅读器根据赢家判决算法来决定对应的信道n在第t轮拍卖中分配给哪个投标标签，对分配过程中可能出现的标签碰撞问题，采用等待一个拍卖时隙后再次对信道进行投标，实现了信道资源的合理利用，提高了系统吞吐率。

本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法产生了以下良好效果：

(1)在RFID系统中，通过引入多标拍卖机制，在标签对信道状态以及信道使用情况未知的环境下，标签利用各个信道的信任值以及平均传输速率为参考因素选择最高价值的信道进行投标，并根据标签与阅读器数据传输后的反馈信息a_n，k(t)来动态调整各个信道的信任值，使标签尽可能地选择最优信道与阅读器进行数据通信，实现了信道资源的优化合理利用；

(2)当在分配过程中出现了标签碰撞问题，标签将等待一个时隙后再次对更新信任值后的信道进行投标，在一定程度上可以保证标签在最优信道上进行有序的数据通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明现有技术中的技术方案或实施例，下面将对技术方案或实施例中所需要使用的附图作简单地介绍；

图1.本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法所建立的系统信道模型：

图2.本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法系统协议流程；

图3.本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法实例中阅读器和标签的分布情况；

图4.本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法求解信道模型流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：

下面举例说明本算法的一个具体实施过程：

参见图1，为本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法所建立的系统信道模型。在RFID系统的信道模型中，将系统中的N个阅读器与N条信道相对应，标签可以择机地使用此N条被划分为多个时隙的信道，每一个拍卖轮次对应一个时隙，信道状态在每个时隙内保持不变，阅读器与标签之间的数据通信均在一个时隙t内完成；

参见图2，为本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法系统协议流程。主要包括标签标价值比较，投标，赢家判决，反馈分配结果，信道感知，数据传输，反馈应答信息，信任值更新等流程。

步骤1)RFID多阅读器信道模型的建立：参见图3，为本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法实例中阅读器和标签的分布情况。在图3中，假设在RFID多阅读器系统中存在标签集合为{1，2，3，4，5}的5个标签，所有标签均处于阅读器的读写范围内且尽量避免了阅读器之间的碰撞；标签可以择机地使用一段被划分成信道集合为{1，2，3}的3个信道与阅读器进行数据通信，分别为信道1、2、3，且3条信道相互独立，阅读器之间碰撞的可能性小，信道状态空间S＝{s₁(t)，s₂(t)，s₃(t)}∈{0，1}³；对于信道n，定义信道n分配给标签k时，该标签获得的平均传输速率为g_n，k。

参见图4，为本发明一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法求解信道模型流程图。

步骤2)信道信任值计算：W_k(t)＝{ω_1，k(t)，ω_2，k(t)，ω_3，k(t)}，其中ω_n，k(t)表示标签k在时隙t开始时，感知信道n的状态为1的概率，为标签k对3个信道感知结果向量，假设在RFID系统，标签与阅读器开始进行数据传输之前，时隙t开始时，3条信道的状态均为空闲，即S＝{1，1，1}，根据历史决策和观测结果，各信道分配给各标签时，标签获得的平均传输速率g_n，k如表1所示：

表1 各标签获得的平均传输速率g_n，k

标签在时隙开始时，感知各信道的状态为1的概率ω_n，k(t)如表2所示：

表2 标签在时隙t开始时，感知各信道的状态为1的概率ω_n，k(t)

因此，在时隙t开始时，标签1、2、3、4、5对3个信道的感知结果向量可分别表示为：

由表2可知，对于各信道，其空闲的概率p_n(11)＝0.4，占用的概率p_n(01)＝0.6，假设a＝0.6，则根据标价向量的解析式B_k(t)＝aV_k(t)可算出标签对各信道的标价值如表3所示：

表3 信道的标价值b_n，k(t)

其中，B_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的标价向量，b_n，k(t)∈B_k(t)表示标签在第t轮拍卖中为信道n所出的标价，则B_k(t)＝{b_n，k(t)|n∈3}，V_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的价值向量，v_n，k(t)∈V_k(t)表示标签在第t轮拍卖中拍得信道n所得到的价值，V_k(t)＝{v_n，k(t)＝ω_n，k(t)g_n，k|n∈3}。

步骤3)多标拍卖投标：由表3计算出信道的标价值b_n，k(t)可知，在时隙t，标签1拟选择信道1进行投标，标签2拟选择信道1进行投标，标签3拟选择信道3进行投标，标签4拟选择信道2进行投标，标签5拟选择信道3进行投标。由于在时隙t，标签4选择的信道2没有与其他标签冲突，可不参与拍卖，直接顺利进行数据传输并返回应答信息a_2，4(t)＝1，而标签1与标签2因同时选择最优信道1，标签3与标签5因同时选择最优信道3而需要进行步骤4)通过赢家判决算法来进行最优信道的分配。

步骤4)多标拍卖赢家判决：在最大化拍卖者收益的赢家判决算法的引导下，由表3中参与投标的标签的标价值b_n，k(t)可知，阅读器将最终将信道3分配给标签3并返回应答信息a_3，3(t)＝1，由于标签1与标签2对信道1给出的标价值b_n，k(t)完全相同，产生了标签碰撞，标签1、2需在下一时隙t+1根据跟新后的信道信任值进行投标，在时隙t返回应答信息a_1，1(t)＝1、a_1，2(t)＝1；

在下一时隙t+1的开始，剩下的标签k将根据上一时隙t的感知结果和应答信息a_n，k(t)，对信道信任值按公式进行更新。标签在时隙t+1开始时，感知各信道的状态为1的概率，即更新后的ω_n，k(t+1)如表4所示：

表4 更新后的ω_n，k(t+1)

重复步骤2)信道信任值计算：由表4可知，对于各信道，其空闲的概率p_n(11)＝0.4，占用的概率p_n(01)＝0.6；

更新后的标价值b_n，k(t+1)如表5所示：

表5 信道更新后的标价值b_n，k(t+1)

重复步骤3)接入信道选择：由表5计算出信道的标价值b_n，k(t)可知，在时隙t+1，标签1拟选择信道2进行投标，标签2拟选择信道3进行投标，标签5拟选择信道1进行投标，由于标签选择的信道均没有与其他标签冲突，可不参与拍卖直接顺利进行数据传输并返回应答信息a_2，1(t)＝1、a_3，2(t)＝1、a_1，5(t)＝1，至此，整个实施例中标签与阅读器之间的数据通信完毕。

在本发明所列举的实施例中，5个标签在3个阅读器对应的3个信道中，基于拍卖机制的REID多阅读器信道资源具体分配方案可概括如表6所示：

表6 实施例中信道资源具体分配方案

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求内。本发明是在多位RFID系统防碰撞算法技术人员长期进行研究的经验积累基础上，通过创造性劳动而出，各标签根据信道的信任值选择标价值最大的信道进行投标，阅读器通过赢家判决算法来实现对信道资源的具体分配，并通过反馈信息对信道信息进行动态调整，加大了标签对信道资源的合理利用率，提高了系统吞吐率。

Claims

1.一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，约定各信道相互独立，且多阅读器之间发生碰撞的可能性小，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，其特征在于，所述步骤1)中RFID多阅读器信道模型建立，具体包括：

假设在RFID多标签-多阅读器系统中存在着标签集合为{1，2，...，K}的K个标签，标签可以择机地使用任一信道与阅读器进行数据通信，信道集合为{1，2，...，N}的N条信道与N个阅读器一一对应，各信道相互独立，多阅读器之间碰撞的可能性小，且N＜K；系统中各信道被划分为多个时隙，且信道状态在每个时隙内保持不变，标签与阅读器之间的数据通信均在一个时隙内完成，定义信道状态空闲为1，忙碌为0，则信道状态空间可表示为S＝{s₁(t)，s₂(t)，...，s_N(t)}∈{0，1}^N；对于信道n，g_n，k表示信道n分配给标签k时，标签k所获得的平均传输速率。

3.根据权利要求1所述的一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，其特征在于，所述步骤2)中信道信任值的计算，具体包括：

假设系统中所有的标签在同一时刻对相同环境的感知结果是一致的，定义信道信任值为信道状态空闲的概率，在时隙t的开始阶段，标签根据历史决策和观测结果得出每个信道状态为空闲的概率，定义W_k(t)＝{ω_1，k(t)，ω_2，k(t)，...，ω_N，k(t)}，ω_n，k(t)表示标签k在时隙t开始时，感知信道n的状态为1的概率，为标签k对N个信道感知结果向量，标签在数据传输后得到反馈信息a_n，k(t)∈{0(NAK)，1(ACK)}，在时隙t+1，标签k根据上一时隙的感知结果和应答信息a_n，k(t)，对信道信任值按如下公式进行更新：

其中，f(ω_n，k(t))＝ω_n，k(t)p_n(11)+(1-ω_n，k(t)p_n(01))。

4.根据权利要求1所述的一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，其特征在于，所述步骤3)中多标拍卖投标，具体包括：

标签之间没有信息的交互，假设所有的标签可以同时对N条可用信道进行完美感知，且感知结果可以为无差错且完美的，用B_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的标价向量，b_n，k(t)∈B_k(t)表示标签在第t轮拍卖中为信道n所出的标价，则B_k(t)＝{b_n，k(t)|n∈N}，用V_k(t)表示标签k在第t轮拍卖时的价值向量，v_n，k(t)∈V_k(t)表示标签在第t轮拍卖中拍得信道n所得到的价值，v_n，k(t)取决于在第t轮拍卖时，信道当前信任值ω_n，k(t)以及平均传输速率g_n，k，则V_k(t)＝{v_n，k(t)＝ω_n，k(t)g_n，k|n∈N}；当投标的结果产生冲突，即出现标签碰撞问题时，发生碰撞的标签等待一个时隙后根据更新后的信道信任值再次进行投标。

5.根据权利要求1所述的一种基于拍卖机制的RFID多阅读器信道资源分配方法，其特征在于，所述步骤4)中多标拍卖赢家判决，具体包括：

信道n经过第t轮拍卖被分配给哪个竞标标签是由赢家判决算法来决定的，标签k在第t轮拍卖时的标价向量与其价值向量呈线性变化，即B_k(t)＝aV_k(t)，其中a为不大于1的非零常数，赢家判决算法的基本原则是最大化拍卖者的收益，即最大化信道的利用价值，受限于

本发明所设计的赢家判决算法可表示如下：