CN111523337B - 基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法 - Google Patents

基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，该方法基于二进制树形搜索方法和曼切斯特编码原理，对读写器覆盖区域的标签ID所构成的集合按照冲突的BIT进行分组，通过分组再分组的递归方式实现标签ID的准确识别。读写器读取到多个标签的信息之后，根据曼彻斯特编码原理检查冲突的BIT位，当冲突的标签ID信息BIT位确定之后，再根据冲突的BIT位来划分标签的子集，从而逐步缩小分组的大小，直到读出所有标签ID；本方法识别精度高、速度快，此外，在标签多且标签ID过长的情况下的延时短，耗时短、识别效率高。

Description

基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法
技术领域
本发明涉及RFID通信领域，尤其涉及一种基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法。
背景技术
目前，RFID系统的标签防冲突方法大多采用基于时分多址技术，主要有基于ALOHA的随机性方法和基于树的确定性方法。纯ALOHA方法中，若读写器检测出信号存在相互干扰，就会以向标签发命令命其停止向读写器传输信号；标签在接收到命令信号之后，就会停止发送信息，并会随机待命一段时间，才会重新向读写器发送信息。各个电子标签待命时间片段长度是随机的，这样可以减少碰撞的可能性。当读写器成功识别某一个标签后，就会立即对该标签下达命令使之进入到休眠的状态。而其他标签则会一直对读写器所发出命令进行响应，并重复发送信息给读写器，当标签被识别后，就会一一进入到休眠状态，直到读写器识别出所有在其工作区内的标签后，方法过程才结束。二进制树形搜索法的基本思想是将冲突中的标签分为左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有冲突则正确识别标签，若仍有冲突再分裂。然后把子集0分成00和01两个子集，依次类推，直到识别出子集0中的有所标签。子集1中的标签也按照此方法识别。这种方法是利用标签的ID号的唯一性，根据标签ID的比特位划分子集来遍历整个标签ID组成的二叉树来实现的。基于ALOHA的方法与基于树的方法各有千秋，前者实现简单，然而会出现“标签饥饿”的问题，也就是可能存在标签长时间不能被成功识别的现象。与此相反，基于树的方法不会出现这种问题，识别精度高，但是方法计算复杂度高，需要较长的时间延时，尤其是在标签ID过长的情况下。
因此，亟需一种耗时短、效率高的RFID系统的标签防冲突方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种耗时短、效率高的基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法。
本发明提供一种基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
S1：读写器向其射频范围内的若干RFID标签发送索取RFID标签ID的命令，RFID标签收到所述命令后向RFID读写器发送自身ID，读写器读取RFID标签ID；
S2：读写器根据曼切斯特编码原理，获得所述若干RFID标签ID的冲突码序列；
S3：读写器解析所述冲突码序列前N位，解析获得原码，其中，所述N为预设值；
S4：读写器根据所述原码类型进行分组，获得分组集合A，
A＝∑dn (1)
其中，A表示所述若干RFID标签的分组集合，dn表示分组集合A的各个子集合，n表示变量且n小于等于L转换码，其中，L转换码表示转换码的比特位位数；
S5：读写器判断子集合dn内是否存在标签冲突，若是，则RFID读写器向子集合dn下发掩码Ⅱ，相匹配的RFID标签接收掩码将自身ID发送至读写器，进入步骤S2；若否，进入步骤S6；
S6：读写器识别子集合dn内标签ID，RFID读写器判断是否n大于转换码的长度L转换码，若否，则令n＝n+1，进入步骤S5，若是，则进入步骤S7；
S7：RFID读写器判断是否所有RFID标签均被识别，若是，则结束；若否则进入步骤S1。
进一步，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31：读写器从突码序列的高位取窗口LW的长度，发送LW的掩码Ⅰ至标签端；所述高位为，从左往右，排位靠左的为高位。
S32：标签收到读写器发送的掩码Ⅰ后，根据所述掩码Ⅰ中1的位置，找到自身ID中对应位置的原码，同时，码按全译码器原理获得原码的转换码，将自身ID和转换码发送至读写器；
S33：读写器根据曼切斯特编码原理，解码得到ID和转换码的冲突信息；
S34：读写器根据转换码的冲突码，将冲突码译码得到原码。
进一步，所述窗口LW的长度，2≤LW≤LX≤L原码，其中，其中，LW表示窗口的比特位位数，LX表示冲突信息的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。
进一步，所述掩码包括掩码DM和冲突掩码，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，冲突掩码为1。
进一步，所述掩码Ⅱ包括掩码DM、匹配掩码和信息码HX，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，匹配码为0，信息码HX的比特位位数与标签ID的位数相同，信息码HX码头为子集合dn中的码字，其余BIT位信息码置0。
进一步，所述L转换码转换码的长度采用如下方法确定，
Figure BDA0002460242250000031
其中，L转换码表示转换码的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。
本发明的有益技术效果：本方法基于二进制树形搜索方法，根据曼切斯特编码原理，准确识别标签冲突的比特位，通过预设滑动窗口大小对冲突的比特位序列依次识别，从而逐步缩小分组的大小，直到读出所有标签ID；本方法识别精度高、速度快，此外在标签很多且标签ID过长的情况下的延时短，耗时短、识别效率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的标签ID子集划分树形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
在本发明中所述长度为比特位的位数。标签冲突问题是普遍存在的，因为所有标签与读写器的通信都采用同一个频率的信道，读写器也不知道其磁场感应范围内的标签数量，而当多个标签同时响应读写器的查询时，冲突就产生了，浪费时间，增加能耗，系统的识别效率降低。RFID系统中，每个标签都拥有唯一的识别号，标签通常是被附在被识别物体上。读写器通过发送射频信号来读取标签内存储的被识别物品的数据。读写器为了能将所有的标签一一识别，应该让标签根据一定的规则有序地给读写器发送自己的信息，这个规则其实就是标签防冲突方法。因为识别效率是RFID系统性能的一个重要指标。
本发明提供一种基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
S1：读写器向其射频范围内的若干RFID标签发送索取RFID标签ID的命令，RFID标签收到所述命令后向RFID读写器发送自身ID，读写器读取RFID标签ID；
S2：读写器根据曼切斯特编码原理，获得所述若干RFID标签ID的冲突码序列；读写器通常采用曼彻斯特编码原理来判断冲突位，在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示"0"，从高到低跳变表示"1"，中间不发生跳变的为错误编码，下面将举个例子说明一下曼彻斯特编码检测冲突位的原理。假设有两标签，标签1和标签2的ID号分别为：10110001和11010110。依据曼彻斯特编码可识别出冲突位，两标签同时向读写器发送数据标签，读写器根据曼彻斯特编码的特性，解码得到：1XX10XXX。即1XX10XXX为冲突码。
S3：读写器解析所述冲突码序列前N位，解析获得原码，其中，所述N为预设值；所述N等于窗口LW的长度。前N位表示从左往右数前N位。
S31：读写器从ID冲突信息的高位取窗口LW的长度，发送LW的掩码Ⅰ至标签端；
S32：标签收到读写器发送的掩码Ⅰ后，根据所述掩码Ⅰ中1的位置，找到自身ID中对应位置的原码，同时，按全译码器原理获得原码的转换码，将自身ID和转换码发送至读写器；全译码器如3-8译码器、4-16译码器。
S33：读写器根据曼切斯特编码原理，解码得到ID和转换码的冲突信息；
S34：读写器根据转换码的冲突码，将冲突码译码得到原码。
S4：读写器根据所述原码类型进行分组，获得分组集合A，
A＝∑dn (1)
其中，A表示所述若干RFID标签的分组集合，dn表示分组集合A的各个子集合，n表示变量且n小于等于L转换码表示转换码的长度；如图2所示，
S5：读写器判断子集合dn内是否存在标签冲突，若是，则RFID读写器向子集合dn下发掩码Ⅱ，相匹配的RFID标签接收掩码将自身ID发送至读写器，进入步骤S2；若否，进入步骤S6；
S6：读写器识别子集合dn内标签ID，RFID读写器判断是否n大于转换码的长度L转换码，若否，则令n＝n+1，进入步骤S5，若是，则进入步骤S7；
S7：RFID读写器判断是否所有RFID标签均被识别，若是，则结束；若否则进入步骤S1。本方法基于二进制树形搜索方法，根据曼切斯特编码原理，准确识别标签冲突的比特位，通过预设滑动窗口大小对冲突的比特位序列依次识别，从而逐步缩小分组的大小，直到读出所有标签ID；本方法识别精度高、速度快，此外在标签很多且标签ID过长的情况下的延时短，耗时短、识别效率高。
在本实施例中，所述窗口LW的长度，2≤LW≤LX≤L原码，其中，其中，LW表示窗口的比特位位数，LX表示冲突信息的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。窗口LW的长度可根据实际标签ID位数来设置，可设置为2，3，4…，理论可设置为无穷大，但是考虑到实际应用应限制在5以内，这样转换码的长度被限制在32比特，避免过多的信息传送导致标签的访问延迟等问题。
在本实施例中，所述掩码包括掩码DM和冲突掩码，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，冲突掩码为1。
在本实施例中，所述掩码Ⅱ包括掩码DM、匹配掩码和信息码HX，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，匹配码为0，信息码HX的比特位位数与标签ID的位数相同，信息码HX码头为子集合dn中的码字，其余BIT位信息码置0。
所述L转换码转换码的长度采用如下方法确定，
Figure BDA0002460242250000061
其中，L转换码表示转换码的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。
本发明在二进制树形搜索方法的基础上，引入了一种基于标签序列号扩展分组的防碰撞协议，该防碰撞协议同样是基于曼彻斯特编码原理，对读写器覆盖区域的标签ID所构成的集合按照冲突的BIT(这里叫窗口大小)进行分组，通过分组再分组的递归方式实现标签ID的准确识别。
读写器读取到多个标签的信息之后，根据曼彻斯特编码原理检查冲突的BIT位，当冲突的标签ID信息BIT位确定之后，再根据冲突的BIT位来划分标签的子集。该方法中，当读写器检测到标签序列号冲突后，将冲突的BIT位按照一定的窗口将标签划分若干子集，窗口大小Wsize≥2，然后根据窗口的大小及位置下发冲突的BIT位信息给标签，标签收到后按照位扩展3-8译码器的原理将标签原始ID号连同转换码一起发送给读写器。读写器收到转换码后解析转换码，同时将窗口向右移动，再次将解析后的冲突BIT位连同下个窗口冲突的BIT位一起发送给标签，依次迭代直到所有的冲突BIT位都被解析，至此读写器所覆盖区域的标签ID号识别完成。
下面通过一个实例来说明：
假设某区域有12个标签，标签ID如下所示：标签1-000000，标签2-101010，标签3-010101，标签4-000001，标签5-110011，标签6-100011，标签7-111001，标签8-111111，标签9-000111，标签10-101011，标签11-101011，标签12-010011。
在本实施中，将读写器发送命令+标签响应+读写器处理所述标签响应设置为一步。详细步骤如下：
第一步
读写器设置于所述区域后，立即发送索取标签ID命令，所述ID命令的长度为标签ID的比特位数且各个位置1，在本实施例中索取标签ID命令为6位且各个位置1：111111，标签收到命令后发送自身的ID至读写器，根据曼切斯特编码原理，解码得到ID冲突信息：XXXXXX。
第二步
读写器从ID冲突信息的高位取窗口LW的长度，发送LW的掩码DM和冲突掩码至标签端。其中，所述窗口LW的长度(所述长度为比特位的位数)需满足以下式子：2≤LW≤LX≤L原码，其中，LW表示窗口的比特位位数，LX表示冲突信息的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数；在本实施例中，LW为2；掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，在本实施例中，掩码DM位110000；冲突掩码用1表示。在本实施例中，读写器向标签发送掩码DM和冲突掩码：110000 1。
标签收到读写器发送的掩码和冲突掩码后，根据所述掩码中1的位置，找到自身ID中对应位置的原码，同时，按3-8译码器原理获得原码的转换码，将自身ID和转换码发送至读写器；在本实施例中，各个标签向读写器发送的信息如下：标签1--000000 0001，标签2--101010 0100，标签3--010101 0010，标签4--000001 0001，标签5--110011 1000，标签6--100011 0100，标签7--111001 1000，标签8--111111 1000，标签9--000111 0001，标签10-1010110100，标签11-101011 0100，标签12-010011 0010。
读写器根据曼切斯特编码原理，解码得到ID和转换码的冲突信息：XXXXXX，XXXX。读写器根据转换码的冲突码，将冲突码译码得到原码，根据原码的类型来划分子集，在本实施例中，原码为：00、01、10、11，即划分为4个子集，d0、d1、d2、d3。
A＝∑dn其中，n≤L转换码
第三步
读写器将子集d0中的码字取出，在本实施例中d0中的码字为00。读写器向标签下发掩码DM+匹配掩码+信息码HX，其中，掩码DM如S2中的掩码设置；匹配码为0；信息码HX的长度与掩码DM的1的个数相等，信息码HX的后面补0补足标签ID的长度，在本实施例中信息码，信息码包括信息码头和信息码，信息码头为d0中的码字为00，其余BIT位信息码置0，即位000000，综上所述，读写器向标签下发掩码DM+匹配掩码+信息码HX，110000 0 000000。此外，读写器将子集d1、d2、d3压入堆栈中。
标签根据读写器下发的命令，根据所述掩码中1的位置，找到自身ID中对应位置的码字，同时，判断对应位置的码字与信息码对应位置的信息是否匹配，若不匹配则不发送，若匹配则将自身ID发送至读写器；在本实施例中，则有标签1—000000，标签4—000001，标签9—000111将自身ID发送至读写器。
判断是否再次冲突，若没有冲突，则直接进入第六步；若再有冲突，进入第四步。在本实施例中，读写器解码标签的响应，解码得到ID冲突信息：000XXX。存在冲突，进入第四步。
第四步
读写器判断生成新的冲突码序列，将冲突码的头部转换为相应的掩码，将掩码+冲突掩码+信息码HX发送至冲突的标签；在本实施例中，读写器判断生成新的冲突码序列，将冲突码的头部转换为相应的掩码000110+冲突掩码+信息码HX00发送给冲突的标签，在本实施例中，即发送000110 1 00至标签1、标签4和标签9。
标签收到读写器发送的掩码+冲突掩码+信息码头后，根据所述掩码中1的位置，找到自身ID中对应位置的原码，同时，码按3-8译码器原理获得原码的转换码，将自身ID和转换码发送至读写器；在本实施例中，各个标签向读写器发送的信息如下：标签1—0000000001，标签4—000001 0001，标签9—0001111000。
读写器解码标签的响应，解码得到ID冲突信息：000XXX X00X。读写器根据转换码的冲突码，将冲突码译码得到原码，根据原码的类型来划分子集，在本实施例中，原码为：00、11，即划分为2个子集，d00、d01。
d0＝∑d0n其中，n≤L转换码
第五步
读写器将子集d00中的码字取出，在本实施例中d00中的码字为00，读写器向标签下发掩码DM+匹配掩码+信息码HX，在本实施例中为：111100 0 000000。此外，读写器将子集d01压入堆栈中。
标签根据读写器下发的命令，根据所述掩码中1的位置，找到自身ID中对应位置的码字，同时，判断对应位置的码字与信息码对应位置的信息是否匹配，若不匹配则不发送，若匹配则将自身ID发送至读写器；在本实施例中，则有标签1—000000，标签4—000001将自身ID发送至读写器。
读写器判断是否再次冲突，若没有冲突，则直接进入第六步；若再有冲突，进入第四步。在本实施例中，读写器解码标签的响应，解码得到ID冲突信息：00000X。根据解码规则和标签数量，则可得到标签的原码信息，可直接判断出子集d00中的标签ID信息。可知，标签ID为000000和000001，即识别
第六步
根据扩展码解析出标签的ID信息，并于当前的标签进行信息交换。然后标签识别的过程被重复执行，读写器递归查询，直至获得每一个标签的ID信息。
实施例二：在本实施例中设定分组的窗口Wsize大小为2。
一、读写器下发全111..11序列号(ID)索取指令至标签端，标签
收到读写器下发的全1指令后立即上送自身的ID给读写器，这时候由于标签ID各不相同，各个标签上送的ID信号会在读写器端出现冲突，冲突的比特位是标签ID中的比特位0/1叠加造成的。如下表一所示，冲突的比特位用X表示，子集S0包含了所有发生冲突的标签ID。所有冲突的比特位构成了冲突码，此时的冲突码为X0。根据冲突码的前个冲突的比特位，再次划分子集S00\S01\S10\S11,其中S00子集是冲突码中前两比特位对应标签ID的相应比特位为00的所有标签集合。S01\S10\S11子集以此类推，分别是标签ID的对应位是01\10\11的标签ID集合。
二、读写器下发查询冲突码X0，X1指令给集合S0的所有标签，要求集合S0的所有标签上送X0，X1冲突位信息，标签收到指令后，按下方法组合指令并上送。
标签判断X0,X1在标签ID中的位置，得到X0，X1的原码，根据表四原码和转换码的转换关系，将原码转换为转换码。原码转换为对应转换码的思路类似3-8译码器，4-16译码器。转换码中1的不同位置代表原码信息。
标签ID冲突原码与转换码的公式为：
L转换码＝2L原码 (L原码≥2) (1)
D转换码＝(1＜＜N原码)|D0 (2)
标签将转换码发送至读写器，转换码必然会在读写器端再次产生冲突，读写器根据发生冲突的位置即可判断出原码的信息。
举例如下：
(1)假设转换码产生的冲突码为00XX，X的位置必然和转换码中1的位置相同，这样可以查表四破译出转换码由0001和0010组成，再翻译为原码00、01两个码字。
(2)假设转换码产生的冲突码为XXXX，这样可以查表四破译出转换码由0001和0010、0100、1000组成，再翻译为原码00、01、11、10四个码字。
三、读写器根据已知的ID比特位和冲突码查询子集S00中标签，再次获得子集S00中的标签上送ID信息所产生的冲突码X1如表三所示。读写器根据表二所描述的冲突码查询方法，再次破译获得X1中的前两个比特位信息。读写器根据已知的ID比特位和冲突码X0，X1中前两位比特位组成的已知码组将S00再次分组得到S0000/S0001/S0010/S0011。
四、读写器根据三中的描述查询S0000中的冲突码信息，并再次分组得到
S000001/S000010l两个子集，查询两个子得到标签4和标签5ID信息。再次查询S0010/S0010/S0011子集，得到标签1、2、3ID信息。
五、读写器递归查询S01\S10\S11子集读出所有标签。至此，所有标签ID查询完成，读写器可以根据已知的标签ID信息与标签进行数据交互。
表一：标签ID第一次分组
Figure BDA0002460242250000111
表二：标签ID第二次分组
Figure BDA0002460242250000121
表三：标签ID第三次分组
Figure BDA0002460242250000122
表四：冲突码中的比特位原码和转换码表
Figure BDA0002460242250000123
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
S1：读写器向其射频范围内的若干RFID标签发送索取RFID标签ID的命令，RFID标签收到所述命令后向RFID读写器发送自身ID，读写器读取RFID标签ID；
S2：读写器根据曼切斯特编码原理，获得所述若干RFID标签ID的冲突码序列；
S3：读写器解析所述冲突码序列前N位，解析获得原码，其中，所述N为预设值；
S4：读写器根据所述原码类型进行分组，获得分组集合A，
A＝∑dn (1)
其中，A表示所述若干RFID标签的分组集合，dn表示分组集合A的各个子集合，n表示变量且n小于等于L转换码，其中，L转换码表示转换码的比特位位数；
S5：读写器判断子集合dn内是否存在标签冲突，若是，则RFID读写器向子集合dn下发掩码Ⅱ，相匹配的RFID标签接收掩码将自身ID发送至读写器，进入步骤S2；若否，进入步骤S6；
S6：读写器识别子集合dn内标签ID，RFID读写器判断是否n大于转换码的长度L转换码，若否，则令n＝n+1，进入步骤S5，若是，则进入步骤S7；
S7：RFID读写器判断是否所有RFID标签均被识别，若是，则结束；若否则进入步骤S1；
所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31：读写器从突码序列的高位取窗口LW的长度，发送LW的掩码Ⅰ至标签端；
S32：标签收到读写器发送的掩码Ⅰ后，根据所述掩码Ⅰ中1的位置，找到自身ID中对应位置的原码，同时，码按全译码器原理获得原码的转换码，将自身ID和转换码发送至读写器；
S33：读写器根据曼切斯特编码原理，解码得到ID和转换码的冲突信息；
S34：读写器根据转换码的冲突码，将冲突码译码得到原码。
2.根据权利要求1所述基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述窗口LW的长度，2≤LW≤LX≤L原码，其中，其中，LW表示窗口的比特位位数，LX表示冲突信息的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。
3.根据权利要求1所述基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述掩码包括掩码DM和冲突掩码，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，冲突掩码为1。
4.根据权利要求1所述基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述掩码Ⅱ包括掩码DM、匹配掩码和信息码HX，所述掩码DM的比特位位数与标签ID的位数相同，前LW个冲突位X置1，其他BIT位全部置0，匹配码为0，信息码HX的比特位位数与标签ID的位数相同，信息码HX码头为子集合dn中的码字，其余BIT位信息码置0。
5.根据权利要求1所述基于标签序列号滑动窗口迭代分组的防冲突方法，其特征在于：所述L转换码转换码的长度采用如下方法确定，
Figure FDA0004189695750000021
其中，L转换码表示转换码的比特位位数，L原码表示标签ID的比特位位数。
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