CN112215029B - 超高频被动式标签实时并行解码方法、存储介质及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高频被动式标签实时并行解码方法、存储介质及设备，多参考标签选择性读取标签，发送两条SELECT命令选择两个参考标签，设置Query命令选择相同时隙进行响应；使用反向推理方法对碰撞信号进行解码，先进行前导码检测，使用互相关方法检测前导码，利用滑动窗口将接收到的信号与构造的前导码序列进行比较，定位前导码部分并找到RN16部分的起点；解码冲突的RN16，通过与din相邻的dout推断出din的符号，然后利用单标签解码机制解码标签RN16，利用解码的RN16生成一个随机数作为ACK命令；发送ACK命令，标签回复的EPC证明成功实现解码。本发明可以高效实现阅读器与标签之间的通讯，提高通讯吞吐率。

Description

超高频被动式标签实时并行解码方法、存储介质及设备
技术领域
本发明属于物联网传感技术领域，具体涉及一种超高频被动式标签实时并行解码方法、存储介质及设备。
背景技术
随着射频识别在零售、仓储、物流等许多应用中广泛部署，无源射频技术(RFID)技术已成为项目管理、对象跟踪、人体感知等应用十分有前景的解决方案。使用超高频无源RFID标签通讯，在一次盘点中有多个标签等待通信时，会发生不同标签都选择相同的时隙进行响应，这会导致接收器端发生冲突。对于商用阅读器，它将丢弃冲突信号并且无法读取冲突标签中的任何一个。
与现有的离线并行解码方法不同，实时并行解码面临着挑战如下：
(1)解码过程是在线的，SDR阅读器应在协议的时限内解码冲突的RN16。根据EPCC1G2协议，必须在0.5毫秒内完成包括信号接收，处理，解码和传输在内的整个过程。
(2)许多动态因素(例如标签移动或环境变化)将引入不可预测的错误，这使得解码容易出错。但是，即使只有一位被错误地解码，通信也会失败。
(3)如何区分两个标签并分别估计它们的接收信号也是一个难题。需要从发生冲突的RN16推断另一个标签的信号，该信号即使对于相同的标签也是随机变化的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超高频被动式标签实时并行解码方法、存储介质及设备，显著增加通信吞吐量，并实时解码标签，监测用户。
本发明采用以下技术方案：
一种超高频被动式标签实时并行解码方法，包括以下步骤：
S1、多参考标签选择性读取标签，发送两条SELECT命令选择两个参考标签，设置Query命令选择相同时隙进行响应；
S2、使用反向推理方法对碰撞信号进行解码，先进行前导码检测，使用互相关方法检测前导码，利用滑动窗口将接收到的信号与构造的前导码序列进行比较，确定前导码部分并找到RN16部分的起点；
S3、解码冲突的RN16，通过与din相邻的dout推断出din的符号，然后利用单标签解码机制解码标签RN16，利用解码的RN16生成ACK命令；发送ACK命令，标签回复的EPC证明成功实现解码。
具体的，步骤S1中，SELECT命令如下：
S1(EPC,ID1,0),S2(EPC,ID2,1)
其中，ID1和ID2分别是参考标签1和参考标签2的电子产品代码，S1和S2分别为发送的两条SELECT命令，EPC代表标签的电子产品代码存储区。
具体的，步骤S2中，使用长度为max(t1)～min(t1)的滑动窗口，其中t1为阅读器Query命令与标签回复间的时间长度(见商用协议)，并将接收到的信号与构造的前导码序列进行比较，通过观察32个采样点来解码碰撞信号。
具体的，步骤S3中，在单标签机制中，通过考虑先前一个din和当前din的符号，正确解码单个标签；当解码冲突信号时，单标签机制无效；根据当前din的接下来的dout推断出din的符号，根据估计的din符号并使用单标签解码机制对标签1进行解码。
进一步的，长度差din具体为：
Figure GDA0003652827930000021
其中，Re(·)和Im(·)是实值和虚值函数；
Figure GDA0003652827930000022
和
Figure GDA0003652827930000023
分别表示从一个完整的数据位的前一半和后一半的采样点；Im(N)是在前导码中标签ON状态时的虚部值。
本发明的另一个技术方案是，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
本发明的另一个技术方案是，一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种超高频被动式标签实时并行解码方法，可以高效实现阅读器与标签之间的通讯，提高通讯吞吐率。
进一步的，使用互相关方法检测前导码，可以有效检测出前导码，定位前导码部分并找出RN16部分的起点。
进一步的，通过确定的dout的符号值，可以推断出din的符号值，进而可以在信号发生冲突时解码标签信号。
综上所述，使用超高频被动式实时解码方法避免了在两个标签信号发生冲突时，丢弃冲突信号并且无法读取两个标签中的任何一个的情况发生。可以在信号发生冲突时，解码标签信号。有效的提高通讯吞吐率，减少最佳时隙数，减少运行时间。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为实时并行解码方法的通讯设定图；
图2为碰撞信号的幅度和I-Q平面图，其中，(a)为碰撞信号的幅度图，(b)为碰撞信号的I-Q平面图，(c)为对接受信号下采样后的图；
图3为单标签解码机制图，其中，(a)为数据状态转换，(b)为当前标签符号判断；
图4为使用FIR滤波器滤波之后的信号图；
图5为不同状态转换下的d的符号图；
图6为双标签解码机制图；
图7为成功实现实时并行解码图；
图8为实时并行解码方法的解码精度图。
具体实施方式
本发明一种超高频被动式标签实时并行解码方法，包括以下步骤：
S1、多参考标签选择性读取标签，发送两条SELECT命令选择两个参考标签，设置Query命令选择相同时隙进行响应；
多参考标签选择性阅读采用了目前商用EPC C1G2协议中设计的基于ID的选择性读取方法。发送SELECT命令来选择想要与之通信的标签，然后通过在Query命令中设置参数来实现对所选标签的高效读取。
将SELECT命令和Query命令简化为两个元组S和Q如下所示：
Figure GDA0003652827930000041
其中，SELECT命令中元素MemBank指定考虑的标签内存Bank(例如EPC内存Bank，USER内存Bank等)。元组S表示在MemBank b中具有相同的m掩码的标签将执行操作a。在元组Q中，将元素Sel设置为true以选择符合SELECT命令中所述要求的标签，使其可以在当前盘点循环中做出响应。元素Q是时隙数参数，它通知所选标签此盘点回合中的时隙数为2q。发送两个带有以下参数的SELECT命令：
S1(EPC,ID1,0),S2(EPC,ID2,1)
其中，ID1和ID2分别是参考标签1和2的电子标识码。在接下来的盘点中，只有两个参考标签将加入盘点。当有多个标签等待通信时，常见的解决方案是设置更大的时隙数，但这意味着更长的盘点时间。为了缩短通讯时常，可以设置Query命令中的Q值字段为0，即只有1个时隙，请参阅图1。这种情况下两个参考标签都将选择相同的时隙进行响应，这会导致接收器端发生冲突。对于商用阅读器，它将丢弃冲突信号并且无法读取两个标签中的任何一个。
S2、前导码检测，使用滑动窗口将接收到的信号与构造的前导码进行比较，定位前导码部分并找出RN16的起点；
首先，使用互相关方法检测前导码。根据商用协议，每个RN16均应以相同的前导码“NNFNFFNFFFNN”开头，N代表标签的“ON”状态，F代表标签的“OFF”状态。使用长度为max(t1)-min(t1)的滑动窗口，并将接收到的信号与构造的前导码序列进行比较。这里的t1是Query命令的终点到RN16的起点之间的时间，该时间在商业协议中定义。这样能够定位前导码部分并找出RN16部分的起点。
S3、解码冲突的RN16。在单标签机制中，可以通过考虑先前的din和当前din的符号，正确解码单个标签。当解码冲突信号时，单标签机制无效。我们观察状态转换，发现dout符号是确定的并且当前的din与相邻的下一个dout始终具有相反的符号，因此可以通过与din相邻的dout推断出din的符号。之后利用单标签解码机制解码标签RN16，利用解码的RN16生成ACK命令。发送ACK命令，标签回复的“EPC”证明成功实现解码。
两个标签同时响应阅读器，它们的信号在Rx端相互组合并形成碰撞信号。为了方便起见，将两个标签中具有较大振幅的标签称为标签1，另一个标签称为标签2。碰撞信号中的每个样本都是两个标签状态的组合，单个标签的状态有两种，按照调节自身阻抗与否分为ON和OFF，在此记为N和F。因此两个标签的碰撞信号具有4种可能的状态，即N1N2，N1F2，F1N2和F1F2，其中1和2表示该状态属于哪个标签。碰撞信号的幅度或I-Q分布曾被用于离线的标签碰撞解码。但是，标签实时解码时这两个指标都不可靠。请参阅图2展示了一系列示例。参阅图2(a)发现碰撞信号的幅度分布可能与非碰撞信号非常相似。另外，参阅图2(b)发现I-Q集群也混合在一起并且很难区分。为了有效地进行信号处理而对接收信号进行下采样后，情况变得更糟，请参阅图2(c)。因此，现有的基于聚类的离线并行解码方法不可行。
请参阅图3(a)，为了解决这个问题，首先介绍如何解码一个标签。根据商用协议，FM0的编码方式中，data-0和data-1之间的差异在于中间是否存在状态转换。通过比较一个bit两半的值，推断出数据是0还是1。因此，选择两个间隔为T/2的采样点，其中，T是数据位的长度，其差可计算为：
Figure GDA0003652827930000061
其中，Re(·)和Im(·)是实值和虚值函数；
Figure GDA0003652827930000062
和
Figure GDA0003652827930000063
分别表示从数据位的前一半和后一半获得的样本；Im(N)是在前导码中选择的“N”状态的虚部值；“N”和“F”的状态在幅度上存在差值；计算din结果，状态转换“N→F”的差din为正，而“F→N”为负。因此data-0可以轻松解码。但是，对于data-1，两个连续状态“N→N”或“F→F”的din的值是不确定的。
为了解决上述问题，可以使用抽头为T/2且抽取率为T/10的FIR滤波器。请参阅图4，FIR滤波器能够使接收到的信号变得平滑并改变接收到的样本的幅度。从图中可以看出，使用滤波器后，对于data-1，第一个状态为“N”的值始终小于第二个状态的值。第一个状态为“F”的值始终大于第二个状态的值。因此，data-1的din符号确定。通过计算din符号判断data的值，同时考虑先前的din和当前的din，正确地解码一个标签。
单标签解码机制在两个标签的信号相互冲突时无效。上述过程中提及在碰撞信号中有4个状态，因此，在任何可能的时间点都可能发生16个状态转换。请参阅图5，如果仍然采用计算碰撞信号的差din的方法，则16个状态转换中的8个具有不确定的符号。RFID标签采用FM0调制，采用这种调制方式使标签在每个数据位边界更改状态。因此，在标签1的数据位之间将永远不会发生四个不确定的状态转换(参阅图5中最下面两行浅色标记)。此外，观察到四个剩余的不确定状态转换，标签1始终会更改其状态，而标签2不会。当选择振幅更大的标签作为标签1时，标签1的不同状态之间的振幅差始终大于标签2的振幅差。因此，如果计算每个数据位之间的状态差dout，也就是上一个数据位的第二个采样点及下一个数据位的第一个采样点之差，则dout符号仍然是确定的。
通过观察状态转换，我们发现状态差din与din相邻的下一个dout始终具有相反的符号；因此可以通过与din相邻的dout推断出din的正或负。
请参阅图6，通过后向推理方法，正确估计din的符号并使用单标签解码机制对标签1进行解码。请参阅图7成功的实时并行解码过程。两个标签的信号在接收器端发生冲突。利用此方法对它们进行解码，并向RN16附加ACK命令。标签回应的“EPC”证明，本发明通过无源RFID实现了正确，高效的实时并行解码。
本发明提出的实时并行解码问题可以避免使用商用读取器时，将丢弃冲突信号并且无法读取两个标签中的任何一个。在实验中，通过让两个标签选择相同时隙响应，发生信号冲突，观察实时并行解码在实际实验中的精度。将阅读器与标签的距离从0.1m变化到0.8m，每次增加0.1m，在每个距离处，发送2000次单时隙盘点。请参阅图8，观察解码结果发现，相比于使用单标签对冲突解码的精度52％，实时并行解码方法的精度始终大于86％并高达95％。因此使用实时并行解码方法对冲突信号解码，可以提高通讯吞吐率，从商业协议吞吐率上限37％增加到59％，提高了1.6倍。此外，由于商用协议的时隙最佳数目为F＝N，相比之下，使用实时并行解码方法最佳时隙数减少到
Figure GDA0003652827930000071
运行时间减少了1.4倍。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超高频被动式标签实时并行解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、多参考标签选择性读取标签，发送两条SELECT命令选择两个参考标签，设置Query命令使得两个标签选择相同时隙进行响应，RFID标签采用FM0调制；
S2、使用反向推理方法对标签碰撞的RN16信号进行解码，先进行前导码检测，使用互相关方法检测前导码，使用长度为max(t1)～min(t1)的滑动窗口，并将接收到的信号与构造的前导码序列进行比较，通过观察32个采样点来解码碰撞信号，定位前导码部分；
S3、解码冲突的RN16，通过与din相邻的dout推断出din的符号，然后利用单标签解码机制解码标签RN16，利用解码的RN16生成ACK命令；发送ACK命令，标签回复的EPC证明成功实现解码，在单标签机制中，通过考虑先前din和当前din的符号，正确解码单个标签；当解码冲突信号时，单标签机制无效；根据与din相邻的dout推断出din的符号，根据估计的din符号并使用单标签解码机制对标签1进行解码，标签1为两个参考标签中幅值大的标签，dout为上一个数据位的第二个采样点及下一个数据位的第一个采样点之差；
电平差din具体为：
Figure FDA0003652827920000011
其中，Re(·)和Im(·)是实值和虚值函数；
Figure FDA0003652827920000012
和
Figure FDA0003652827920000013
分别表示从标签数据位内部前半部分中间采样点的幅值和后半部分中间采样点的幅值；Im(N)是在前导码中标签ON状态下的虚部值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，SELECT命令如下：
S1(EPC,ID1,0),S2(EPC,ID2,1)
其中，ID1和ID2分别是参考标签1和参考标签2的电子产品代码，S1和S2分别为发送的两条SELECT命令，EPC代表标签的电子产品代码存储区。
3.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1或2所述的方法中的任一方法。
4.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1或2所述的方法中的任一方法的指令。
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