CN110135208A - 一种基于分组频率和标签估计的rfid标签防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，采用Vogt算法估算待识别标签数目，采用不同频率的标签参与识别工作，将多频标签引入动态帧时隙算法，建立多频标签在相应帧时隙的通信，并进行仿真。本发明随着待识别标签数目的增加，又增加了分组识别和多频标签的概念，结合了传统动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法的特点，并在此基础上进行了优化和改进，与已有机制相比，系统吞吐量提高了274％，所用时隙减少了36％，具有一定的理论和工程应用价值。

Description

一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法

技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)通信领域，尤其是一种RFID标签防碰撞方法。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式的自动识别技术，能通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，在物流、安全、产品供应等众多领域应用广泛。RFID系统由阅读器和电子标签组成，阅读器负责读取标签内信息，受制造工艺所限，一般标签采用无源结构，由阅读器激活。当多个电子标签处于同一阅读器作用范围时，同一时刻可能有2个或多个标签向阅读器发送信息，使阅读器不能正确识别标签，即发生了标签冲突。为了提高系统吞吐率，RFID系统需要采用一定的防冲突协议来解决此类问题。

目前标签防碰撞算法主要有两类：确定性树形算法和不确定性Aloha算法。前者将标签进行树形分类，逐步缩小响应标签群的范围，后者要求标签在发生碰撞后重新随机选择发送时隙。这两类防碰撞算法的目的都是缩小标签响应范围，最终使同一个时刻只有一个标签对阅读器的查询命令做出响应。为此，阅读器和标签之间需要多次协调通信，从而使得单标签识别时间加长，阅读器的标签识别率降低。

确定性树形算法在整个识别过程不存在随机性，提高了信号传输速率，信道的利用率比较高，性能稳定，但是算法存在复杂度大、系统识别时延大等缺点，当标签数过多时，系统效率降低。而不确定性Aloha算法由于标签发送的随机性，标签发射时间不需要同步，算法实现起来比较简单。因而，本发明重点针对不确定性Aloha算法。

Lee.S提出了一种增强型动态帧时隙算法(EDFSA)，该算法通过分组来减少标签数目增多对算法性能的影响，但未对如何分组做相应说明。Wang.C提出了一种基于帧内分组和精确标签估计的标签防碰撞算法(CGA)，在受限帧长情况下，随着标签数目的增多，依然不能有效解决碰撞问题。Ali.K提出了一种基于距离分簇的防碰撞算法，但采用固定的分簇步长，制约了分簇的合理性，给实际应用造成了一定的困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，既可解决标签数目增多，算法效率下降的问题，又可精确估算标签数目，并可通过自适应调节帧长的方式减少系统所用的时隙。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：对阅读器和标签做如下定义：

定义1：同一工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中只有一个标签响应的概率P_i为：

其中n_i为第i组内标签的数目；

当前帧内可成功识别时隙数S₁为：

对S₁以变量n_i求导，并让的值等于0，以求得达到最大标签可识别数目时，对应的n_i值为：

在帧长与组内标签数目保持一致时，系统识别效率最高；

定义2：不同工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中有α个标签响应的概率为：

在同一时隙中，如果存在多个不同频率的标签同时响应，其中只要有标签可被识别，即可认为该时隙为成功时隙，则可识别标签数目S_α如下：

定义3：RFID系统吞吐率

RFID系统吞吐率为阅读器在一个识别帧长的时间内成功识别的标签占总标签数目的比例，如下式进行计算：

步骤2：采用Vogt算法估算待识别标签数目n；

步骤2.1：当待识别标签数目N小于等于354时，采用动态帧时隙Aloha算法对标签直接进行识别，若待识别标签数目大于354时，则对标签进行分组处理，所述分组方法为将标签数目除以354，并向上取整，确定分组数目，并进入步骤2.2；

步骤2.2：首次识别时，初始化当前识别的组编号t＝1，开始对第1组进行识别，采用Vogt算法估算待识别标签数目；再将t加1，对新的第t组进行再次识别，直至将所有标签进行识别；

步骤3：对于待识别标签数目n，优化调整分组，建立新型标签分组结构；

步骤3.1：令待识别标签数目n除354，并向上取整，求得分组数g；

步骤3.2：在1至g中随机选择一个数s，作为标签所在的组别编号，同时记录每组内的所有标签的总数目，当某组的标签总数目等于354时，该组将不再接收标签；

步骤4：基于步骤3的标签分组结构，采用不同频率的标签参与识别工作；

步骤4.1：令所在场景内的标签具有若干不同的频率，即n个标签具有m个频率，m大于1且小于n，标签在响应阅读器请求的上行链路中使用不同的工作频率，对阅读器信号进行调制；调制方式为采用曼彻斯特码的数字调制；

步骤4.2：阅读器与标签进行通信时，阅读器的下行链路频率与标签的工作频率相同；

步骤5：将多频标签引入动态帧时隙算法，建立多频标签在相应帧时隙的通信；

步骤5.1：在分组内采用动态帧时隙Aloha算法完成标签识别；

步骤5.2：不同频率标签在相同时隙进行识别，可识别标签数目S_α如下：

其中帧长为L，组内标签数目为n，不同频率个数为t，同一时刻响应的标签数目为α；

步骤6：对步骤1-5和已有机制进行仿真，验证步骤1-步骤5在系统吞吐率和系统所用时隙方面的优越性。

所述步骤6中已有机制为动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法。

本发明的有益效果是由于采用一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，随着待识别标签数目的增加，又增加了分组识别和多频标签的概念。本发明结合了传统动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法的特点，并在此基础上进行了优化和改进。与已有机制相比，系统吞吐量提高了274％，所用时隙减少了36％，具有一定的理论和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法流程图。

图2为本发明与动态帧时隙Aloha算法、分组动态帧时隙Aloha算法系统吞吐率对比图。

图3为本发明与动态帧时隙Aloha算法、分组动态帧时隙Aloha算法系统所用时隙对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法。首先对标签赋予不同频率，并让阅读器对标签随机所选的时隙进行扫描统计，并发送给每一个标签，标签再进行相应地时隙调整，使阅读器跳过空闲时隙与碰撞时隙，自适应地分配有效时隙，进而对标签进行快速识别。当未识别标签数目较大时，采用分组及动态调整帧长的方式，减少时隙处理时间。

仿真结果表明：本发明提高了单位时间内系统的吞吐率并减少了碰撞时隙，最高可达69％以上，比已有的动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法相比系统吞吐量提高了274％，所用时隙减少了36％，具有一定的理论和应用价值。

步骤1：对阅读器和标签做如下定义：

定义1：同一工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中只有一个标签响应的概率P_i为：

其中n_i为第i组内标签的数目；

当前帧内可成功识别时隙数S₁为：

对S₁以变量n_i求导，并让的值等于0，以求得达到最大标签可识别数目时，对应的n_i值为：

在帧长与组内标签数目保持一致时，系统识别效率最高；

定义2：不同工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中有α个标签响应的概率为：

在同一时隙中，如果存在多个不同频率的标签同时响应，其中只要有标签可被识别，即可认为该时隙为成功时隙，则可识别标签数目S_α如下：

定义3：RFID系统吞吐率

RFID系统吞吐率为阅读器在一个识别帧长的时间内成功识别的标签占总标签数目的比例，如下式进行计算：

步骤2：采用Vogt算法估算待识别标签数目n；

步骤2.1：当待识别标签数目N小于等于354时，采用动态帧时隙Aloha算法对标签直接进行识别，若待识别标签数目大于354时，则对标签进行分组处理，所述分组方法为将标签数目除以354，并向上取整，确定分组数目，并进入步骤2.2；

步骤2.2：首次识别时，初始化当前识别的组编号t＝1，开始对第1组进行识别，采用Vogt算法估算待识别标签数目；再将t加1，对新的第t组进行再次识别，直至将所有标签进行识别；

步骤3：对于待识别标签数目n，优化调整分组，建立新型标签分组结构；

步骤3.1：令待识别标签数目n除354，并向上取整，求得分组数g；

步骤3.2：在1至g中随机选择一个数s，作为标签所在的组别编号，同时记录每组内的所有标签的总数目，当某组的标签总数目等于354时，该组将不再接收标签；

步骤4：基于步骤3的标签分组结构，采用不同频率的标签参与识别工作；

步骤4.1：令所在场景内的标签具有若干不同的频率，即n个标签具有m个频率，m大于1且小于n，标签在响应阅读器请求的上行链路中使用不同的工作频率，对阅读器信号进行调制；调制方式为采用曼彻斯特码的数字调制；

步骤4.2：阅读器与标签进行通信时，阅读器的下行链路频率与标签的工作频率相同；

步骤5：将多频标签引入动态帧时隙算法，建立多频标签在相应帧时隙的通信；

步骤5.1：在分组内采用动态帧时隙Aloha算法完成标签识别；

步骤5.2：不同频率标签在相同时隙进行识别，可识别标签数目S_α如下：

其中帧长为L，组内标签数目为n，不同频率个数为t，同一时刻响应的标签数目为α；

步骤6：对步骤1-5和已有机制进行仿真，验证步骤1-步骤5在系统吞吐率和系统所用时隙方面的优越性。

所述步骤6中已有机制为动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法。

本发明实施例提供了一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，如图1所示，包括标签估计、标签分组、标签识别三个阶段，具体过程如下：

1.标签估计阶段

1.1首次识别时，做初始化处理，对当前待识别的组别编号为1，并对第1组进行识别，并采用Vogt算法估算待识别标签数目；

1.2当待识别标签数目N小于等于354时，采用动态帧时隙Aloha算法对标签进行识别，若待识别标签数目大于354时，则对标签进行分组处理。

1.3首次识别时，初始化当前识别的组编号t＝1，开始对第t组进行识别，采用Vogt算法估算待识别标签数目；再将t加1，对新的第t组进行再次识别，直至将所有标签进行识别；

2.标签分组阶段

2.1令待识别标签n除354，并向上取整，求得分组数g；

2.2标签在1至g中随机选择一个数s，作为自身所在的组别编号，同时记录每组所在标签数，当某组标签量等于354时，该组将不再接收标签；

2.3令所在场景内的标签具有不同的频率，在响应阅读器请求的上行链路中使用不同的工作频率，对其信号进行调制；

2.4阅读器与不同频率的标签进行通信时，阅读器的下行链路与标签使用同一频率；

3.标签识别阶段

3.1在分组内采用动态帧时隙Aloha算法完成标签识别工作；

3.2不同频率标签可在相同时隙进行识别，采用动态帧时隙Aloha算法可识别的不同频率的标签数，可识别标签数目S_α如下：

其中帧长为L，组内标签数目为n，不同频率个数为t，同一时刻响应的标签数目为α；

通过计算机仿真验证本发明和已有机制动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法的性能优劣。

仿真环境：20m*20m的区域，阅读器处于仿真区域中心，其通信半径为10m，在该环境中标签数目在0到600之间变化，动态帧时隙Aloha算法的初始帧长设为16，最大帧长可达256，分组动态帧时隙Aloha算法可根据组内标签数目确定起始帧长，并随未识别标签数目的减少而递减帧长，所有算法的最大帧长均设为256。本发明标签频率采用3种。

统计以下三个方面的数据：(1)系统吞吐量；(2)系统所用时隙；仿真结果为仿真100次的平均值。

采用本发明的RFID标签防碰撞方法，参照图1进行算法设计，在预设条件下，本发明和传统的动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法进行系统吞吐率对比，结果参照图2。进行系统所用时隙对比，结果参照图3。

Claims (2)

1.一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：对阅读器和标签做如下定义：

定义1：同一工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中只有一个标签响应的概率P_i为：

其中n_i为第i组内标签的数目；

当前帧内可成功识别时隙数S₁为：

对S₁以变量n_i求导，并让的值等于0，以求得达到最大标签可识别数目时，对应的n_i值为：

在帧长与组内标签数目保持一致时，系统识别效率最高；

定义2：不同工作频率时标签数目与帧长的关系

假设帧长为L，标签数目为n，则在第i组内某一给定时隙中有α个标签响应的概率为：

在同一时隙中，如果存在多个不同频率的标签同时响应，其中只要有标签可被识别，即可认为该时隙为成功时隙，则可识别标签数目S_α如下：

定义3：RFID系统吞吐率

RFID系统吞吐率为阅读器在一个识别帧长的时间内成功识别的标签占总标签数目的比例，如下式进行计算：

步骤2：采用Vogt算法估算待识别标签数目n；

步骤2.1：当待识别标签数目N小于等于354时，采用动态帧时隙Aloha算法对标签直接进行识别，若待识别标签数目大于354时，则对标签进行分组处理，所述分组方法为将标签数目除以354，并向上取整，确定分组数目，并进入步骤2.2；

步骤2.2：首次识别时，初始化当前识别的组编号t＝1，开始对第1组进行识别，采用Vogt算法估算待识别标签数目；再将t加1，对新的第t组进行再次识别，直至将所有标签进行识别；

步骤3：对于待识别标签数目n，优化调整分组，建立新型标签分组结构；

步骤3.1：令待识别标签数目n除354，并向上取整，求得分组数g；

步骤3.2：在1至g中随机选择一个数s，作为标签所在的组别编号，同时记录每组内的所有标签的总数目，当某组的标签总数目等于354时，该组将不再接收标签；

步骤4：基于步骤3的标签分组结构，采用不同频率的标签参与识别工作；

步骤4.1：令所在场景内的标签具有若干不同的频率，即n个标签具有m个频率，m大于1且小于n，标签在响应阅读器请求的上行链路中使用不同的工作频率，对阅读器信号进行调制；调制方式为采用曼彻斯特码的数字调制；

步骤4.2：阅读器与标签进行通信时，阅读器的下行链路频率与标签的工作频率相同；

步骤5：将多频标签引入动态帧时隙算法，建立多频标签在相应帧时隙的通信；

步骤5.1：在分组内采用动态帧时隙Aloha算法完成标签识别；

步骤5.2：不同频率标签在相同时隙进行识别，可识别标签数目S_α如下：

其中帧长为L，组内标签数目为n，不同频率个数为t，同一时刻响应的标签数目为α；

步骤6：对步骤1-5和已有机制进行仿真，验证步骤1-步骤5在系统吞吐率和系统所用时隙方面的优越性。

2.根据权利要求1所述的一种基于分组频率和标签估计的RFID标签防碰撞方法，，其特征在于：

所述步骤6中已有机制为动态帧时隙Aloha算法与分组动态帧时隙Aloha算法。