CN112380884B - 一种减少通信复杂度的树形搜索rfid防碰撞方法 - Google Patents

一种减少通信复杂度的树形搜索rfid防碰撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，解决了RFID搜索树防碰撞算法中数据通信量大、识别时延长等问题，本发明方法中在标签中引入前缀长度寄存器和响应标志寄存器，在阅读器堆栈区存储前缀个数信息，阅读器通过发送前缀长度信息，对标签进行分类搜索，阅读器和标签不再发送对方已经识别的序列号，有效减少了通信数据量。仿真结果表明，与传统的二叉树搜索防碰撞算法相比，该算法可明显减少系统通信复杂度，提高了标签的搜索速率。

Description

一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法
技术领域
本发明属于RFID系统防碰撞技术领域，具体涉及一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法。
背景技术
典型的RFID系统一般由电子标签和阅读器组成，RFID防碰撞问题主要有三种情况：(1)一个阅读器作用范围内有多个标签；(2)多个阅读器作用范围内有一个标签；(3)多个阅读器作用范围内有多个标签。涉及的问题主要有：多个标签碰撞问题和多个阅读器碰撞问题，由于标签的成本低、能量少、内存小、计算处理能力弱，RFID碰撞问题的难点主要集中在多标签防碰撞问题。在第一种情况下，由于所有的电子标签与阅读器共用一个信道，当有多个标签处于同一阅读器的作用范围内，在同一时刻向阅读器发送数据时，就会发生碰撞，导致阅读器不能读取标签数据。
现阶段多标签防碰撞算法一般是基于时分多路的方法，主要有：基于二进制搜索树的防碰撞方法和基于ALOHA的防碰撞方法，ALOHA算法是一种基于概率统计的防碰撞方法，读取量大、速度快，但很多情况下读取率达不到100％，存在由于多次读不到某一标签而出现“饥饿”问题，二进制树算法是一种确定性算法，不存在“饥饿”问题，读取率可以达到100％，但通信量大、读取时间长。
在搜索树算法中，除了总时隙指标以外，通信复杂程度也是非常重要的指标，它是识别所有标签所需传送的总比特数，在查询时隙相同的情况下，单位时隙通信数据量越少，则通信复杂度越低，本发明以二叉树搜索为载体，重点解决单位时隙的通信复杂度问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法解决了现有的RFID防碰撞技术中，阅读器搜索次数多，阅读器和标签之间通信复杂度高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，包括以下步骤：
S1、在标签中设置前缀长度寄存器Q和响应标志寄存器R，并将其初始化为0，同时在阅读器中设置堆栈存储区；
其中，前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息，响应标志寄存器R的值为表征0子集的0或表征1子集的1；
S2、使阅读器发送初始搜索命令request(ε)；
其中，初始搜索命令request(ε)为所有接收到该命令的标签同时将其序列号数据发送至阅读器的命令；
S3、判断阅读器是否接收到序列号数据；
若是，进入步骤S4；
若否，进入步骤S5；
S4、基于接收到的序列号数据，进行碰撞位检测，基于碰撞位检测结果判断是否识别到标签；
若是，进入步骤S5；
若否，进入步骤S6；
S5、判断阅读器的堆栈存储区中的数据是否为空；
若是，则进入步骤S8；
若否，则进入步骤S7；
S6、对接收到的序列号数据进行处理，得到前缀长度值并存入阅读器的堆栈区，并使阅读器发送0子集搜索命令request(0,P)，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S7、弹出堆栈存储区数据，并使阅读器发送1子集搜索命令request(1,P)，前缀长度寄存器Q为P的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S8、结束搜索，实现RFID防碰撞。
进一步地，所述步骤S1中，所述阅读器的堆栈存储区中存储有1子集的前缀长度信息，并按后进先出的原则对其进行存取。
进一步地，所述步骤S4中：
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为0时，则识别到一个标签，进入步骤S5；
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为1时，则识别到两个标签，进入步骤S5。
进一步地，所步骤S6具体为：
对接收到的序列号数据，设最高序列号的碰撞位为标签的第K位，则将前缀长度值P＝N-K-1存入到阅读器的堆栈存储区中，并使阅读器发送request(0,P)请求命令，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
其中，N为该标签ID的长度。
进一步地，所述步骤S6中的0子集搜索命令request(0,P)的响应方式为：更新前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息为P，设K＝N-P-1，将第K位为0的标签的第K-1～0位数据返回至阅读器，并将第K位1的标签的标志寄存器R的值更新为1。
进一步地，所述步骤S7中的1子集搜索命令request(1,P)为标志寄存器R为1，前缀长度寄存器Q中前缀长度信息为P的响应方式为：设K＝N-P-1，返回第K-1～0位的数据至阅读器，并将该标签的标志寄存器R的值更新为0。
本发明的有益效果为：
(1)本发明对现有的二叉树搜索算法做了比较和分析，并提出了新的解决方案，在标签中设置前缀长度寄存器以便存储前缀长度信息，设置标志寄存器以便区分和搜索标签0子集和1子集，阅读器仅需发送前缀长度信息即可对标签进行分类搜索，提高了阅读器的搜索效率；
(2)本发明方法中，在在阅读器设置堆栈存储区，按后进先出的原则存储标签前缀序列号长度信息，配合后退式算法进行标签搜索，在阅读器接收数据只有一个碰撞位时，直接识别两个标签，提高了标签识别时间；
(3)本发明基于上述措施，有效减少了二叉树算法中阅读器搜索标签的次数，减少了阅读器和标签间的数据通信量，减少了标签的能量消耗，减少了阅读器识别标签的时间，提高了阅读器搜索标签的效率；
(4)本发明方法以二叉树搜索为载体，其主要贡献在于减小了阅读器每个查询时隙的通信数据量，该方法同样适合多叉树搜索，减小多叉树中单位时隙通信数据量，最终减小总的通信复杂度，提高搜索速率，具有较大的推广价值和应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法流程图。
图2为本发明实施例中的各种算法的总时隙对比示意图。
图3为本发明实施例中的各种算法的单位时隙通信复杂度对比示意图。
图4为本发明实施例中的各种算法的总通信复杂度对比示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
如图1所示，一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，包括以下步骤：
S1、在标签中设置前缀长度寄存器Q和响应标志寄存器R，并将其初始化为0，同时在阅读器中设置堆栈存储区；
其中，前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息，响应标志寄存器R的值为表征0子集的0或表征1子集的1；
S2、使阅读器发送初始搜索命令request(ε)；
其中，初始搜索命令request(ε)为所有接收到该命令的标签同时将其序列号数据发送至阅读器的命令；
S3、判断阅读器是否接收到序列号数据；
若是，进入步骤S4；
若否，进入步骤S5；
S4、基于接收到的序列号数据，进行碰撞位检测，基于碰撞位检测结果判断是否识别到标签；
若是，进入步骤S5；
若否，进入步骤S6；
S5、判断阅读器的堆栈存储区中的数据是否为空；
若是，则进入步骤S8；
若否，则进入步骤S7；
S6、对接收到的序列号数据进行处理，得到前缀长度值并存入阅读器的堆栈区，并使阅读器发送0子集搜索命令request(0,P)，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S7、弹出堆栈存储区数据，并使阅读器发送1子集搜索命令request(1,P)，前缀长度寄存器Q为P的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S8、结束搜索，实现RFID防碰撞。
本实施例的步骤S1中，响应标志寄存器R取值为0或1，以区分和搜索当前0子集和1子集，实现返回式搜索；
设标签ID的长度为N，按位表示为[N-1,N-2,...,1,0]，前缀长度寄存器及响应标志寄存器的初始值均为0，所述阅读器的堆栈存储区中存储有1子集的前缀长度信息，并按后进先出的原则对其进行存取。
在本实施例的步骤S4中：
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为0时，则识别到一个标签，进入步骤S5；
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为1时，则识别到两个标签，进入步骤S5。
本实施例的步骤S6具体为：
对接收到的序列号数据，设最高序列号的碰撞位为标签的第K位，则将前缀长度值P＝N-K-1存入到阅读器的堆栈存储区中，并使阅读器发送request(0,P)请求命令，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
其中，N为该标签ID的长度。
其中，0子集搜索命令request(0,P)的响应方式为：更新前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息为P，设K＝N-P-1，将第K位为0的标签的第K-1～0位数据返回至阅读器，并将第K位1的标签的标志寄存器R的值更新为1。
本实施例的步骤S7中的1子集搜索命令request(1,P)的响应方式为：设K＝N-P-1，返回第K-1～0位的数据至阅读器，并将该标签的标志寄存器R的值更新为0。
在本发明实施例中，本方法的核心思想有两个：(1)减少阅读器的搜索次数；(2)减少搜索时阅读器和标签间通信的数据比特数；在仔细分析现有的BS算法、RBS算法和CT算法，会发现，处于标签选取的需要，阅读器和标签间通信的部分数据在反复的发送，这增加了数据发送量，影响了标签搜索的速度。在本发明提出的BCC算法中，把标签中的阅读器已知的高位数据屏蔽掉，阅读器和标签不再重复发送数据，只发送少陵数据就可以准确的搜索标签；通过这种方法有效的减少了阅读器和标签收发数据的比特数，减少了能耗，提高了标签搜索的速率；当发现只有一个碰撞位时，可直接识别出两个标签，减少了标签搜索的次数，进一步提高了标签搜索的速率。
实施例2：
假设阅读器作用范围内有4个标签，序列号为10位，即N＝10，如表1所示。
表1标签及其序列号
阅读器具体搜索过程如下：
(1)阅读器发送命令request(ε)，所有标签返回完整序列号给阅读器。
(2)阅读器收到数据为“01XX1XXXXX”，最高碰撞位为K＝7，P＝N-K-1＝10-7-1＝2，“2”存于阅读器堆栈区；阅读器发送命令request(0,2)，由于R初始值为0，则所有标签响应命令，更新Q寄存器为2，K＝N-P-1＝10-2-1＝7,第7位为‘0’的标签A返回数据“1101001”给阅读器，第7位为‘1’的标签B、C、D更新R为1。
(3)阅读器收到数据为:“1101001”,识别标签A，对标签A进行数据读写，让其处于“无声”状态，不再响应阅读器命令。
(4)阅读器堆栈区弹出数据P＝2，阅读器发送命令request(1,2)，Q为2的标签B、C、D响应命令，更新R为0，K＝N-P-1＝10-2-1＝7,返回第6～0位数据给阅读器；
(5)阅读器收到数据为“01XX1XX”，最高碰撞位为K＝4，P＝N-K-1＝10-4-1＝5，“5”存于阅读器堆栈区；阅读器发送命令request(0,5)，R为0的标签B、C、D响应命令，更新Q寄存器为5，K＝N-P-1＝10-5-1＝4,第4位为‘0’的标签C、D响应命令，返回第3～0位数据先给阅读器，第4位为‘1’的标签B更新R为1。
(6)阅读器收到数据为:“X1XX”,最高碰撞位为K＝3，P＝N-K-1＝10-3-1＝6，“6”存于阅读器堆栈区；阅读器发送命令request(0,6)，R为0的标签C、D响应命令，更新Q寄存器为6，K＝N-P-1＝10-6-1＝3,第3位为‘0’的标签D响应命令，返回第2～0位数据给阅读器，第3位为‘1’的标签C更新R为1。
(7)阅读器收到数据为:“101”,识别标签D，对标签D进行数据读写，让其处于“无声”状态，不再响应阅读器命令。
(8)阅读器堆栈区弹出数据Q＝6，阅读器发送命令request(1,6)，Q为6的标签C响应命令，更新R为0，K＝N-P-1＝10-6-1＝3，返回第2～0位数据给阅读器；
(9)阅读器收到数据为:“110”,识别标签C，对标签C进行数据读写，让其处于“无声”状态，不再响应阅读器命令。
(10)阅读器堆栈区弹出数据Q＝5，阅读器发送命令request(1,5)，Q为5的标签B响应命令，更新R为0，K＝N-P-1＝10-5-1＝4,返回第3～0位数据给阅读器；
(11)阅读器收到数据为:“0111”,识别标签B，对标签B进行数据读写，让其处于“无声”状态，不再响应阅读器命令。
RCC防碰撞算法识别标签过程见表2。
表2 RCC防碰撞算法识别过程
由上述可以看出，RCC算法和CT算法相比，在搜索次数和通信复杂度方面都得到了进一步的减少。
(1)搜索次数减少。CT算法的搜索次数为：2N-1次；设阅读器接收数据中仅出现一个碰撞位的情况为H次，则RCC防碰撞算法的搜索次数为2N-2H-1次，次数少了2H次。
(2)通信复杂度减少。由于阅读器仅发送查询前缀长度信息，标签仅返回碰撞位以后信息，阅读器和标签间的通信数据量大大减少。假设标签序列号长度为N，搜索前缀长度为L，则每个查询时隙中，CT算法的通信数据比特数为N,RCC算法的通信数据比特数为(log2 L+N-L)，RCC算法相比CT算法每个查询时隙减少了(L-log2 L)比特通信数据量。
为了检验和比较算法的性能，利用Matlab软件对算法进行了仿真，假设信道是理想的，标签ID的长度为128bit，标签数量在0-100之间变化，仿真100次取平均值，不计控制命令前缀、后缀及检验冗余等开销，对查询时隙和通信等指标进行仿真和比较。
图2为总时隙数对比图，由图可见，BS算法和DBS算法的总时隙数大致相同，具有最大的总时隙数，CT算法和RBS的总时隙数大致相同。所有算法中，RCC算法的总时隙数最小。
图3为单位时隙通信复杂度对比图，即平均每个查询时隙阅读器和标签间数据通信比特数，由图可见，在每个查询时隙中，BS算法和RBS算法具有大致相同的通信复杂度，CT算法和DBS算法具有大致相同的通信复杂度。所有算法中，RCC算法具有最小的通信复杂度。
图4为总通信复杂度对比图，即完成所有标签识别所需要的通信数据比特数，由图可见，BS算法具有最大的总通信复杂度，这是由于BS算法不仅具有最大的总时隙数，还具有最大的单位时隙通信复杂度，在标签数较大时，DBS算法比RBS算法具有更大的通信复杂度，这是由于DBS算法的总时隙数大于RBS算法，但单位时隙通信复杂度小于RBS算法，且随着标签数的增大，DBS算法总时隙数的增长斜率逐渐增大。所有算法中，RCC算法具有最小的总通信复杂度。
由仿真结果可以看出，本发明方法和传统二叉树搜索算法相比，阅读器和标签间的数据通信量更少，阅读器识别时间更快，可见，本方法优于传统的二叉树搜索算法。

Claims (5)

1.一种减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在标签中设置前缀长度寄存器Q和响应标志寄存器R，并将其初始化为0，同时在阅读器中设置堆栈存储区；
其中，前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息，响应标志寄存器R的值为表征0子集的0或表征1子集的1；
S2、使阅读器发送初始搜索命令request(ε)；
其中，初始搜索命令request(ε)为所有接收到该命令的标签同时将其序列号数据发送至阅读器的命令；
S3、判断阅读器是否接收到序列号数据；
若是，进入步骤S4；
若否，进入步骤S5；
S4、基于接收到的序列号数据，进行碰撞位检测，基于碰撞位检测结果判断是否识别到标签；
若是，进入步骤S5；
若否，进入步骤S6；
S5、判断阅读器的堆栈存储区中的数据是否为空；
若是，则进入步骤S8；
若否，则进入步骤S7；
S6、对接收到的序列号数据进行处理，得到前缀长度值并存入阅读器的堆栈区，并使阅读器发送0子集搜索命令request(0,P)，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S7、弹出堆栈存储区数据，并使阅读器发送1子集搜索命令request(1,P)，前缀长度寄存器Q为P的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
S8、结束搜索，实现RFID防碰撞；
所步骤S6具体为：
对接收到的序列号数据，设最高序列号的碰撞位为标签的第K位，则将前缀长度值P＝N-K-1存入到阅读器的堆栈存储区中，并使阅读器发送request(0,P)请求命令，标志寄存器R为0的标签响应命令并返回数据，返回步骤S3；
其中，N为该标签ID的长度。
2.根据权利要求1所述的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述阅读器的堆栈存储区中存储有1子集的前缀长度信息，并按后进先出的原则对其进行存取。
3.根据权利要求2所述的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S4中：
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为0时，则识别到一个标签，进入步骤S5；
当接收到的序列号数据中，发生碰撞的数据位为1时，则识别到两个标签，进入步骤S5。
4.根据权利要求1所述的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S6中的0子集搜索命令request(0,P)的响应方式为：更新前缀长度寄存器Q中存储标签的前缀长度信息为P，设K＝N-P-1，将第K位为0的标签的第K-1～0位数据返回至阅读器，并将第K位1的标签的标志寄存器R的值更新为1。
5.根据权利要求4所述的减少通信复杂度的树形搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S7中的1子集搜索命令request(1,P)的响应方式为：设K＝N-P-1，返回第K-1～0位的数据至阅读器，并将该标签的标志寄存器R的值更新为0。
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一种减少通信复杂度的 ＲFID 搜索树防碰撞算法;莫磊，唐斌，房梦旭;电讯技术;第61卷(第10期);全文 *
位屏蔽多叉树搜索射频识别防碰撞算法;莫磊，陈伟，任菊;电子学报;第46卷(第5期);全文 *

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CN112380884A (zh) 2021-02-19

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