CN108898037B - 一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法 - Google Patents

一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，属于射频识别技术领域，本方法基于读写器端解码获取的碰撞的位数结合后退锁位机制自适应地进入不同叉数的搜索树模式，在碰撞位数大于等于四时选择八叉树后退锁位搜索模式；在碰撞位数小于四时选择二叉树后退锁位搜索模式。本发明通过读取碰撞位的个数来自适应地选择搜索方式，并采用基于后退锁位思想与多叉搜索树特点的结合设计出的位检测机制，有效减少了在大规模标签环境下识别标签所需的时隙数和时间，也减少了识别过程中传输的数据量，降低了所需能耗。与现有技术相比，本发明大幅减少了系统总时隙数，搜索时间和能量消耗，提高了系统识别效率和能量效率。

Description

一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法
技术领域
本发明涉及一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，属于射频识别技术领域。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种支持长距离通信的无线通信技术。RFID标签方便快捷，成本低廉，细致精确，可靠性高的特点使其成为物联网的一个重要组成部分。而同时随着物联网的日益普及，RFID技术在工业和学术领域也得到了广泛的关注。RFID技术已经广泛应用于供应链、仓库管理、零售业、室内定位等多个自动目标识别应用之中。
但由于标签非常有限的通信和计算能力，如何快速识别标签是RFID技术面临的一个急需解决的问题。尤其在大规模标签的环境下，标签的快速精准识别是一项极具挑战性的问题。RFID技术中标签防碰撞算法主要可以分为两类，分别为基于ALOHA的算法和基于树的防碰撞算法。ALOHA防碰撞算法是一种概率型算法，它允许标签在随机的时间间隔内对读写器作出响应，从而导致一些标签长期不能被识别，发生标签遗漏。而基于树的算法是一种确定型算法，它通过将标签组分裂成更小的子群来避免标签ID之间的冲突。所以，基于树的算法具有更高的稳定性。
然而，常见的基于二叉树的算法每次碰撞时只能分成两个子树，在识别分裂过程中会发生许多冲突，缺乏灵活性。尤其在大规模标签环境下，此类算法会造成搜索深度过深，识别时间长，搜索效率低的问题。基于多叉树的防碰撞算法可以通过增加分裂子树的数量来降低搜索深度，但此类算法会产生较多空闲时隙，损坏系统效率。并且随着叉数的增加，空闲时隙比例也会急剧上升。同时能量消耗也是一个很大的问题，因为读写器不仅需要为自身操作提供能量，还需为有源标签提供能量。而标签电池寿命与识别时间和传输的数据量有关。减少识别过程中的数据量可以有效提高系统的能量效率。现还有混合多叉树方法结合二叉树、四叉树和八叉树搜索，但没有一个结合能源消耗、识别效率和对环境的适应性三方面考虑的解决方案。
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能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，基于碰撞位的个数来自适应地选择搜索方式，并通过采用基于后退锁位思想与多叉搜索树特点的结合设计出的位检测机制，有效减少了在大规模标签环境下识别标签所需的时隙数和时间，减少了识别过程中传输的数据量，降低了所需能耗，增加了系统的灵活性。
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)读写器持续发送Request(11…111)命令，其长度等于标签ID的长度，直到有标签响应为止；
(2)有标签响应时，读写器根据标签响应状况确定时隙状态。如果单个标签响应，无碰撞位则成功鉴别，跳转至步骤(4)；如果有多个标签响应，存在碰撞位则为碰撞时隙，进入步骤(3)；
(3)读写器根据接收到的碰撞信息，检测碰撞位数，记录碰撞节点位置，并根据碰撞位数自适应地选择OS(octree search)模式或BS(binary tree search)模式；包括：若碰撞位数大于等于4，选择OS模式，即读写器先向标签发送锁位查询命令，并通过标签回复的序列确定OS模式查询命令；如果碰撞位数小于4，选择BS模式，即读写器根据LID确定最高碰撞位位置x，发送新的BS模式查询命令；进入步骤(2)；
(4)读写器对识别标签进行读取，通信完毕后将其静默，进入步骤(5)；
(5)读写器识别过程返回上一碰撞节点，发送相应查询命令，进入步骤(2)；若已遍历所有碰撞节点则识别过程结束。
进一步地，标签端通过设状态位控制标签响应过程，规则为：初始时刻所有标签的状态位RS初始为0，当标签端收到指定前缀的查询命令时，状态位RS为0且满足查询前缀的标签进行回应，未回应标签的标签状态位RS加1；当标签是收到OS模式锁位查询命令时，状态位RS为0且满足查询命令的标签进行回应，未回应标签的标签状态位RS不变；当标签端收到静默命令时，状态位RS为0的标签响应，所有未响应标签的标签状态位RS减1。
进一步地，步骤(2)中，满足查询前缀的标签将各自TID中除去查询前缀后剩下的部分发送会读写器作为响应，所述TID为标签根据LID中碰撞位所在位置提取自身ID生成的临时ID。
进一步地，步骤(2)中还包括：碰撞位数等于1时，读写器直接将碰撞位置0和1，自动识别这两个标签ID，不再进行查询操作。
进一步地，步骤(3)中在碰撞位数大于等于4，进入OS模式时，锁位查询命令为Request(LID,A)，即首先通过将碰撞位置1，非碰撞位置0，得到锁位信息LID(Locked ID)；其次要求标签根据LID回应由最高三位碰撞位生成的二进制序列；其中A为用于区分查询命令的固定符号串。
进一步地，步骤(3)中标签在收到锁位查询命令Request(LID,A)后生成回复序列的步骤还包括：
(3.1)标签根据LID“1”所在位置提取自身ID，生成新的TID(Temp ID)，之后查询过程中只对于TID进行操作；
(3.2)标签提取TID中最高三位的值生成一个3比特二进制数，将其转化为一位十进制数x；
(3.3)标签初始化一个8比特二进制数，左为高位，第x位置1，其余位置0，将此8比特二进制数回应给读写器。
进一步地，步骤(3)中在OS模式中，读写器收到标签端对于锁位查询命令的回应后，检测碰撞位，获取碰撞位下标数组，将数组中所有值进行十—二进制转换生成一个二进制形式记录碰撞位下标的数组，并根据此数组更新OS模式查询命令Request(abc)，其中abc为数组中的二进制数。
进一步地，步骤(3)中当选择BS模式时，读写器获取最高碰撞位下标x，并发送BS模式查询命令Request(x,a)，其中a分别取0或1。
有益效果：本发明方法根据碰撞位数自适应地选择搜索模式(OS模式或BS模式)，有效克服了大规模标签环境下基于二叉树的算法搜索深度过深的问题，并利用了多叉树的优点，结合基于后退锁位思想与多叉搜索树特点设计出的位检测机制，有效减少了在大规模标签环境下识别标签所需的时隙数和时间，同时大幅减少了识别过程中传输的数据量，降低了所需能耗。与现有技术相比，本发明方法实现了时间复杂度和能量消耗的降低，大幅减少了搜索总时隙数，识别时间和传输数据量，有利于延长标签电池的寿命，提高了系统识别速率和能量效率。
附图说明
图1为RFID系统多标签碰撞模型；
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6个待识别标签树状结构图；
图5为本发明实施例完成6个待识别标签具体实例的识别过程流程图；
图6为本发明与其他方法的传输数据量的对比图；
图7为本发明与其他方法的每个标签平均识别时间的对比图；
图8为本发明与其他方法的所需识别时隙数的对比图；
图9为本发明与其他方法的系统吞吐量的对比图。
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系统多标签碰撞模型。许多RFID应用系统需要在大规模标签环境下比如大型仓库，集装箱码头等对物件进行快速准确的识别。当多个附有电子标签的物体进入读写器天线覆盖的范围内时，读写器与标签之间就可以通过无线信道进行通信。由于多个标签同时对读写器进行响应时，就会发生标签碰撞，从而导致标签识别失败和数据传输失败。所以对于RFID系统中多标签的碰撞问题需要建立防碰撞机制来协调读写器与标签之间的通信过程，提高系统的识别效率，实现读写器快速准确得对所有物体进行读取。
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能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，如图2所示，主要包括如下步骤：
(1)读写器持续发送Request(11…111)命令，其长度等于标签ID的长度，直到有标签响应为止，所有标签状态位RS初始化为0；
(2)标签状态位RS等于0的标签根据不同查询命令进行回应。首次搜索时，所有接收到Request(11…111)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；
(3)有标签响应时，读写器根据标签响应状况确定时隙状态。如果单个标签响应，无碰撞位则成功鉴别，跳转至步骤(5)；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；如果有多个标签响应，存在碰撞位则为碰撞时隙，进入步骤(4)；
(4)读写器根据接收到的碰撞信息，检测碰撞位数并自适应地选择OS(octreesearch)模式或BS(binary tree search)模式；包括：若碰撞位数大于等于4，选择OS模式，即读写器先向标签发送锁位查询命令Request(LID,A)，并通过标签回复的序列确定OS模式查询命令Request(abc)；如果碰撞位数小于4，选择BS模式，即读写器根据LID确定最高碰撞位位置x，发送新的BS模式查询命令Request(x,a)；进入步骤(3)；
(5)读写器对识别标签进行读取，通信完毕后将其静默，进入步骤(6)；
(6)读写器识别过程采取后退策略返回上一碰撞节点，从上一次的参数的父节点处获取下一次查询命令的参数，发送相应查询命令，进入步骤(2)；若已遍历所有碰撞节点则识别过程结束。
上述算法过程中，标签端通过设置监测状态位控制标签响应过程：初始时刻，当标签端收到Request(111...111)命令时，所有标签响应，且回复自身ID给读写器；步骤(3)和(4)中，当标签端收到Request(abc)命令时，标签状态位RS等于0且TID前缀满足“abc”的标签回应，返回TID中除去abc的剩余部分，所有未回应标签的标签状态位RS加1；标签接收到Request(x,a)查询命令时，标签状态位RS等于0且TID的x位为“a”的标签回应读写器，返回除去第x位的剩余部分，所有未回应标签的标签状态位RS加1。步骤(5)中，当读写器读取命令Read()时，标签状态位RS等于0的标签会响应；当读写器发送静默命令Unselect()时，标签状态位RS等于0的标签会响应，此标签被静默进入休眠状态，而所有未响应标签的标签状态位RS减1。
步骤(4)中锁位查询命令Request(LID,A)中的A为用于区分查询命令的固定符号串，如本例中采用“111”。标签在收到锁位查询命令Request(LID,111)后生成回复序列的步骤包括：
(4.1)标签根据LID“1”所在位置提取自身ID，生成新的TID(Temp ID)，之后查询过程中只对于TID进行操作；
(4.2)标签提取TID中最高三位的值生成一个3比特二进制数，将其转化为一位十进制数x；
(4.3)标签初始化一个8比特二进制数，左为高位，第x位置1，其余位置0，将此8比特二进制数回应给读写器。
步骤(4)中选择选择OS搜索模式或BS搜索模式的主要判断依据是：在碰撞位数大于等于4时选择OS搜索模式，在碰撞位数小于4时选择BS搜索模式。选择OS搜索模式时读写器生成锁位号LID，发送锁位查询命令，并通过检测标签回应信号的碰撞位下标确定新的查询命令；选择BS搜索模式时读写器生成锁位号LID，获取做高位碰撞位下标，发送查询命令。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)如果碰撞位数M≥4，选择OS搜索模式，即读写器先向标签发送锁位查询命令为Request(LID,111)，即首先通过将碰撞位置1，非碰撞位置0，得到锁位信息LID；其次要求标签根据LID回应由最高三位碰撞位生成的二进制序列；读写器收到标签端对于锁位查询命令的回应后，检测碰撞位，获取碰撞位下标数组，将数组中所有值进行十—二进制转换生成一个二进制形式记录碰撞位下标的数组，并根据此数组更新OS模式查询命令Request(abc)，其中abc为数组中的二进制数。
(B)如果碰撞位数M＜4，选择BS搜索模式；读写器首先生成锁位信息LID，然后获取最高碰撞位下标x，发送查询命令Request(x,a)，其中a分别取0或1。
规则(A)中，标签接收到Request(abc)查询命令时，标签状态位RS等于0且TID前缀满足“abc”的标签回应，返回TID中除去abc的剩余部分，所有未回应标签的标签状态位RS加1。
规则(B)中，标签接收到Request(x,a)查询命令时，标签状态位RS等于0且TID的x位为“a”的标签回应读写器，返回除去第x位的剩余部分，所有未回应标签的标签状态位RS加1。
下面以6个标签为例，结合附图4，图5对本发明实施例做进一步的详细说明。
记6个标签分别为：A:00000001,B:00001000,C:00001101,D:01000001,E:01010000,F:11001001本发明实施例的具体实施过程如下：
(1)读写器Request(11111111)命令，标签ABCDEF全部响应，发送各自序列号给读写器；
(2)读写器收到信息解码后得“XXXXXX0X”，其中X表示为碰撞位。由于所以标签碰撞，碰撞位数为8，选择OS模式，获得LID为11111101，读写器发送Request(11111101,111)锁定冲突位，并请求标签根据前三位冲突位响应8位二进制序列；
(3)标签A/B/C中的前三位冲突位是“000”，并将“000”转换为十进制数，即0。标签A/B/C然后将下标0设置为1，其他下标设置为1，因此它们将“00000001”发送回读写器。类似地，标签D/E将“010”转换为十进制数2，并将“00000010”返回给读写器。标签F将“110”转换为十进制数6，并将“01000000”返回给读取器。阅读器得到接收的序列“0x0000x0x”，因此，碰撞位的索引分别为0,2和6，可以分别转换为“000”、“010”和“110”；
(4)读写器发送请求Request(000)，符合前缀的标签响应。标签A、B和C响应并发送其余的ID。读写器解码获得“0xxx”；
(5)由于碰撞位数为3，选择BS模式；读写器发送BS模式查询命令Request(2，0)，以询问第二位是“0”的标签进行响应。只有标签A进行响应，被顺利识别。在信息交互之后，读写器将标签A沉默；
(6)搜索过程返回到最后一个冲突的节点，读写器发送请求Request(2，1)，接收后解码得到“XX”；
(7)读写器发送请求Request(1,0)，只有标签B响应，标签B被识别。标签B在信息交互后被读写器沉默；
(8)读写器返回到最后一个冲突节点，并发送请求Request(1，1)，只有标签C响应，标签C被识别。标签C在信息交互后被读写器沉默；
(9)搜索过程返回到最后一个冲突的节点。读取器发送请求Request(010)，标签D和E响应，读写器解码得到“X001”，只有一个碰撞位，读写器通过将冲突位设置为“0”和“1”来识别标签D和E；
(10)搜索过程返回到最后一个冲突的节点，读取器发送请求Request(110)，标签F是唯一一个响应标签，标签F在信息交互后被读写器沉默；
(11)此时所有标签均被识别，则识别过程结束。
为了验证本发明方法效果，通过仿真实验将本发明方法与现有方法进行了对比。如图6至图9所示，分别显示了在大规模标签环境下，本发明方法(在图中为ABLB)与其他方法(AMS:丁治国，朱学永，郭立，古今，“自适应多叉树防碰撞算法研究，”自动化学报，vol.3,no.2，pp.237-241,2010.ACT:X.Liu,Z.Qian,Y.Zhao,Y.Guo,“An Adaptive Tag Anti-collision Protocol in RFID Wireless Systems,”China Communications,vol.11,no.7,pp.117-127,2014.MDT:L.Zhang and W.Xiang,“An Energy-and Time-Efficient M-ary Detecting Tree RFID MAC Protocol,”in Proc.IEEE ICC,pp.2882-2887,2015.DBBS:L.Mo,H.Chen,M.Fang and J.Ren,“Backtracking and Dynamic Bit-shieldAnti-collision Algorithm in RFID System,”in Proc.IEEE 2nd AdvancedInformation Technology,Electronic and Automation Control Conference,pp.2500-2504,2017.)在数据传输量、每个标签平均识别时间、所需识别时隙数和系统吞吐量等方面的对比。可以清晰体现出与现有技术相比，本发明方法实现了时间复杂度和能量消耗的降低，大幅减少了搜索总时隙数，识别时间和传输数据量，有利于延长标签电池的寿命，提高了系统识别速率和能量效率。

Claims (8)

1.一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)读写器持续发送Request(11…111)命令，其长度等于标签ID的长度，直到有标签响应为止；
(2)有标签响应时，读写器根据标签响应状况确定时隙状态；如果单个标签响应，无碰撞位则成功鉴别，跳转至步骤(4)；如果有多个标签响应，存在碰撞位则为碰撞时隙，进入步骤(3)；
(3)读写器根据接收到的碰撞信息，检测碰撞位数，记录碰撞节点位置，并根据碰撞位数自适应地选择OS模式或BS模式；包括：若碰撞位数大于等于4，选择OS模式，即读写器先向标签发送锁位查询命令，并通过标签回复的序列确定OS模式查询命令；如果碰撞位数小于4，选择BS模式，即读写器根据锁位ID(Locked ID，LID)确定最高碰撞位位置x，发送新的BS模式查询命令；进入步骤(2)；所述LID标记了碰撞位与非碰撞位，LID长度与每次收到的标签回应序列长度相等；
(4)读写器对识别标签进行读取，通信完毕后将其静默，进入步骤(5)；
(5)读写器识别过程返回上一碰撞节点，发送相应查询命令，进入步骤(2)；若已遍历所有碰撞节点则识别过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：标签端通过设置监测状态位控制标签响应过程，规则为：初始时刻所有标签的状态位RS初始为0，当标签端收到指定前缀的查询命令时，状态位RS为0且满足查询前缀的标签进行回应，未回应标签的标签状态位RS加1；当标签是收到OS模式锁位查询命令时，状态位RS为0且满足查询命令的标签进行回应，未回应标签的标签状态位RS不变；当标签端收到静默命令时，状态位RS为0的标签响应，所有未响应标签的标签状态位RS减1。
3.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：步骤(2)中，满足查询前缀的标签将各自临时ID(Temp ID，TID)中除去查询前缀后剩下的部分发送回读写器作为响应，所述TID为标签根据LID中碰撞位所在位置提取自身ID生成的临时ID。
4.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：步骤(2)中，当读写器检测到只存在一位碰撞时，读写器将此碰撞位置0和1，自动识别这两个标签ID，不再进行查询操作。
5.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：步骤(3)中，在碰撞位数大于等于4，进入OS模式时，锁位查询命令为Request(LID,A)，即首先通过将碰撞位置1，非碰撞位置0，得到锁位信息LID；其次要求标签根据LID回应由最高三位碰撞位生成的二进制序列；其中A为用于区分查询命令的固定符号串。
6.根据权利要求5所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：标签在收到锁位查询命令Request(LID,A)后生成回复序列的步骤包括：
(3.1)标签根据LID“1”所在位置提取自身ID，生成新的TID，之后查询过程中只对于TID进行操作；
(3.2)标签提取TID中最高三位的值生成一个3比特二进制数，将其转化为一位十进制数；
(3.3)标签初始化一个8比特二进制数，左为高位，在步骤(3.2)转化的十进制数对应的位置1，其余位置0，将此8比特二进制数回应给读写器。
7.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：步骤(3)在OS模式中，读写器收到标签端对于锁位查询命令的回应后，检测碰撞位，获取碰撞位下标数组，将数组中所有值进行十—二进制转换生成一个二进制形式记录碰撞位下标的数组，并根据此数组更新OS模式查询命令Request(abc)，其中abc为数组中的二进制数。
8.根据权利要求1所述的一种能量节约型自适应后退锁位式防碰撞方法，其特征在于：步骤(3)中，当碰撞位数小于4，选择BS模式时，读写器获取最高碰撞位位置x，并发送BS模式查询命令Request(x,a)，其中a分别取0或1。
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