CN113194036B - 一种用于多标签网络的路由方法、系统、设备及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多标签网络的路由方法、系统、设备及可读存储介质，采用读写器与电子标签发送信息的帧结构，保证了低功率的反射信号在进行信息反馈时的准确性，被激励的无源标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源，根据多跳标签网络的不同应用场景的需求，对所提路由方案进行优化，通过多跳路由实现无源标签的远距离传输，增加了多跳标签网络的吞吐量，提高了信息传输的有效性，将每一个标签要发送的数据信息调制到从读写器发来的激励信号上，保证每一跳的无源标签有足够的能量进行译码和包络检波，实现邻接信息的反射。

Description

一种用于多标签网络的路由方法、系统、设备及可读存储介质
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种反向散射背景下的多跳标签网络中的路由方案以及多跳标签的协同信息传输，具体涉及一种用于多标签网络的路由方法、系统、设备及可读存储介质。
背景技术
由于RFID技术中的无源电子标签低成本、小尺寸、寿命长等突出特点，在提出了电子标签间可以相互通信的标签到标签通信网络(T2T)后，多标签网络成为RFID系统中热门研究之一。由于射频信号的功率限制，FCC规范中读写器的发射功率为1Watt，同时无源电子标签的反射信号在反射的过程中受到信号衰减的影响，使得到达下一跳标签的信号功率不足以支持该标签进行反射，因此标签到标签网络的通信只能实现厘米级距离的反射通信。
为了实现远距离的标签通信，有通过多跳中继标签转发和通过读写器进行转发的两种方式。目前，关于多标签网络的路由算法，有时延较大的将读写器作为中继进行信息转发的集中式路由；有利用调制深度作为链路成本的最优链路成本多径路由协议(OLCMR)，但标签选择路径难度大，且标签间信息干扰严重。如何在不增加标签复杂性的同时快速、准确的寻找到一条从源标签到目的标签的通信链路，是标签到标签通信的一大挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于多标签网络的路由方法、系统、设备及可读存储介质，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于多标签网络的路由方法，包括以下步骤：
S1、利用激励信号源多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
S2、被激励的无源标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
S3、激励信号源对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵；
S4、根据邻接矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签；
S5、依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而得到源标签到目的标签的路由方案。
进一步的，激励信号源采用读写器。
进一步的，激励信号源按层发现标签，被激励的标签采用不同码片的传输速率进行μcode编码，反射给激励信号源，当激励信号源接收并译码各标签的ID信息后即可得到该网络中包含的无源标签。
进一步的，采用涡轮反向散射原理，将每一个标签要发送的数据信息调制到从读写器发来的激励信号上。
进一步的，利用深度优先搜索算法，根据源标签和目的标签的ID和标签的邻接矩阵得到源标签至目的标签存在的N条路径。
进一步的，对源标签发送含有导频信息的激励信号，依次通过路径中的多跳标签经由目的标签将信息反射给激励信号源，通过计算译码解调后的信号与导频信号的错误比特信息计算出该条路径信息传输的误码率，以最小误码率所对应的路径进行协同信息传输。
进一步的，给最小误码率所对应的路径上的标签发送激励指令，对其余标签发送静默指令；源标签将要传输的数据信息进行μcode编码和ASK调制，反射给下一跳标签；多跳中继标签利用协同网络编码技术，将译码解调得到的数据信息与自身数据信息进行异或处理，将信息调制到激励信号上进行反射，直至目的标签通过协同网络译码和μcode译码依次得到前K-1个标签发送的数据信息。
一种用于多标签网络的路由系统，包括激励信号源单元和多个环形分布于激励信号源四周的无源标签单元；
激励信号源单元用于多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
无源标签单元用于对接收到激励信号的以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
激励信号源单元对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵，同时根据邻接矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签，最后依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而实现源标签到目的标签的路由方案。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述用于多标签网络的路由方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述用于多标签网络的路由方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种用于多标签网络的路由方法，利用激励信号源多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签，被激励的无源标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源，根据多跳标签网络的不同应用场景的需求，对所提路由方案进行优化，通过多跳路由实现无源标签的远距离传输，增加了多跳标签网络的吞吐量，提高了信息传输的有效性。
进一步的，采用读写器与电子标签发送信息的帧结构，保证了低功率的反射信号在进行信息反馈时的准确性。
进一步的，将协同网络编码和μcode编码相结合，不仅让所选路径上的每一跳标签都能传输自身信息给目的标签，还考虑到标签反射信号间的干扰，利用μcode编码后信息的正交性来降低干扰；根据多跳标签网络的不同应用场景的需求，对所提路由方案进行优化；通过多跳路由实现无源标签的远距离传输，增加了多跳标签网络的吞吐量，提高了信息传输的有效性。
采用涡轮反向散射原理，将每一个标签要发送的数据信息调制到从读写器发来的激励信号上，保证每一跳的无源标签有足够的能量进行译码和包络检波，实现邻接信息的反射。
利用协同网络编码技术进行自身信息的反射，可以提高通信系统的信息传输有效性；不同场景的具体优化模型更符合场景需求，提高路由方案的适用性。
附图说明
图1为本发明实施例中基于多跳标签网络的组成示意图。
图2为本发明实施例中进行路由方案中路径搜索的流程图。
图3为本发明实施例中帧结构示意图，3(a)为读写器向其覆盖范围的标签发送含有导频的激励信号示意图；图3(b)为数据帧结构进行信息反射示意图；图3(c)为将数据信息与自身数据信息进行异或处理反射示意图。
图4为本发明实施例中路径选择仿真结果图。
图5为本发明实施例中协同网络编码性能验证图。
图6为本发明实施例中路由方案优化必要性验证图。
图7为本发明实施例中路由方案优化场景1的仿真结果图，图7(a)为路由方案优化场景1信息传输所带来的时延仿真结果图；图7(b)为路由方案优化场景1筛选出符合条件的路径示意图。
图8为本发明实施例中路由方案优化场景2的仿真结果图，图8(a)为路由方案优化场景2筛选出符合条件的路径示意图；图8(b)为路由方案优化场景2信息传输所带来的时延仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种用于多标签网络的路由方法，所述多标签网络包括一个激励信号源和多个环形分布于激励信号源四周的无源标签，包括以下步骤：
S1、利用激励信号源多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
激励信号源采用读写器，本申请采用读写器与电子标签发送信息的帧结构，保证了低功率的反射信号在进行信息反馈时的准确性。
S2、被激励的无源标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
S3、激励信号源对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵；
S4、激励信号源根据邻接矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签；
S5、读写器依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而实现源标签到目的标签的路由方案。
本发明由读写器作为中央控制器，将选择的最优路径信息发送至其范围内的电子标签，对所选路径上的标签进行激励，实现多跳标签信息的协同传输。将协同网络编码和μcode编码相结合，不仅让所选路径上的每一跳标签都能传输自身信息给目的标签，还考虑到标签反射信号间的干扰，利用μcode编码后信息的正交性来降低干扰。根据多跳标签网络的不同应用场景的需求，对所提路由方案进行优化。通过多跳路由实现无源标签的远距离传输，增加了多跳标签网络的吞吐量，提高了信息传输的有效性。
激励信号源采用读写器，读写器按层发现标签，被激励的标签采用不同码片的传输速率进行μcode编码，反射给读写器，当读写器接收并译码各标签的ID信息后，可知该网络中包含的无源标签。
采用涡轮反向散射原理，将每一个标签要发送的数据信息调制到从读写器发来的激励信号上，保证每一跳的无源标签有足够的能量进行译码和包络检波，实现邻接信息的反射。利用深度优先搜索算法，根据源标签和目的标签的ID和标签的邻接矩阵得到源标签至目的标签存在的N条路径。
读写器对源标签发送含有导频信息的激励信号，依次通过路径中的多跳标签经由目的标签将信息反射给读写器，读写器通过计算译码解调后的信号与导频信号的错误比特信息计算出该条路径信息传输的误码率，通过选择最小误码率所对应的路径进行协同信息传输；最小误码率所对应的路径即为最优路径。
读写器给最优路径上的标签发送激励指令，对其余标签发送静默指令；源标签将要传输的数据信息进行μcode编码和ASK调制，反射给下一跳标签；多跳中继标签利用协同网络编码技术，将译码解调得到的数据信息与自身数据信息进行异或处理，将信息调制到激励信号上进行反射，直至目的标签通过协同网络译码和μcode译码依次得到前K-1个标签发送的数据信息。
本发明提供一个实施例，用于多标签网络的路由系统，包括激励信号源单元和多个环形分布于激励信号源四周的无源标签单元；
激励信号源单元用于多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
无源标签单元用于对接收到激励信号的以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
激励信号源单元对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵，同时根据邻接矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签，最后依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而实现源标签到目的标签的路由方案。
实施例提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器采用中央处理单元(CPU)，或者采用其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于多标签网络的路由方法的操作。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体采用计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机可读存储介质包括终端设备中的内置存储介质，提供存储空间，存储了终端的操作系统，也可包括终端设备所支持的扩展存储介质。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关多标签网络的路由方法的相应步骤。
以两层分布的十个无源标签网络为例。如图1所示，该网络由一个处于中心的读写器，数十个按层环形分布的电子标签组成；这里设每个标签按照如图1所示的箭头方向单向反射信号，且每个标签的反射系数λk由自身决定。读写器发送不同功率的激励信号，对每层的电子标签分别进行激励，被激励的电子标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，设源标签为T1，目的标签为T10，标签T1将自身ID信息进行编码并反射信息，读写器和标签T2会收到反射信号并进行μcode译码，标签T2在译码出标签T1的ID信息后，将标签T1和标签T2的标签ID信息反射到读写器处，此时读写器根据译码所得的信息得知标签T1和标签T2之间存在链路，可以进行通信。以此类推，直到每个标签将各自的邻接信息反馈到读写器处，读写器对多跳标签网络的邻接信息进行整合，得到相应的邻接信息表，并转换成邻接矩阵，进行存储。
在路径搜索过程中，读写器按如图2所示的深度优先搜索算法搜索到从源标签T1到目的标签T10存在的4条路径，读写器向其覆盖范围的标签发送含有导频的激励信号(如图3(a)所示)，依次让每一条路径上的标签被激励，当所有标签接收并解调读写器发送的信号后，将ID信息部分与自身ID进行比较，当发射信号的ID信息中包含自身ID信息时，该标签被激励，当不存在自身ID信息时，该标签被静默。
源标签被读写器激励后，通过包络检波得到导频信息，再对导频信息进行ASK调制，将源标签的ID信息和计算所得的CRC校验码调制到激励信号上，反射给下一跳标签，中继标签节点对接收到的前一个标签的反射信号进行解调，并将自身的ID信息和解调后的信息一起调制到载波上，按照如图3(b)所示的数据帧结构进行信息反射，直到目的标签对前一跳标签的反射信号进行解调，并将解调所得的导频信息和标签ID信息调制后反射到读写器处，在读写器处进行信号的解调，并与初始导频信息进行比较，计算出该路径的误码率，当读写器遍历了所有存在的路径后，对计算所得的N个误码率进行比较，选择误码率最小的路径作为多跳标签网络中从源标签到目的标签信息传输的最优路径。
图4所示给出了当标签反射系数矩阵为Λ＝[0.9,0.7,0.9,0.8,0.9,0.8,0.7,0.7,0.6,0.7]时，四条路径的误码率曲线，虽然每条路径的误码率都随着信噪比的增加而减小，但第一条路径的误码率始终低于其他路径的误码率，因此读写器对第一条路径上的标签进行激活并进行协同信息传输。
读写器给最优路径上的标签发送激励指令，对其余标签发送静默指令。源标签将要传输的数据信息进行μcode编码和ASK调制，反射给下一跳标签，中继标签利用协同编码技术，将译码解调得到的数据信息与自身数据信息进行异或处理，并按照图3(c)所示的结构进行反射，直至目的标签依次解码得到前K-1个标签发送的数据信息。
图5为所选路径上的标签采用协同网络编码技术进行信息传输和未采用该技术的吞吐量比较结果，证明了当路径上的标签采用异或网络编码的吞吐量要比没有采用协同网络编码的吞吐量要提升约50％。
图6所示为在信噪比为8dB时，从源标签到目的标签的14条路径对应的误码率、功耗和时延三个参数的变化曲线，证明了三个参数无法同时满足最优，因此针对不同场景的需求进行优化是有必要的。
在智慧物流的场景中，每个包裹都被贴上电子标签，标签存储着相应的包裹信息，为了方便远距离的包裹更早地将信息发送至转运中心，利用较远包裹上的标签与距离转运中心近的包裹标签进行通信，达到信息及早更新以及提早开始物流准备工作的目的，在这一场景中，除了需要包裹信息传输的准确性，还要考虑信息传输所带来的时延，以及经过多跳中间包裹转发所损耗的功率，据此设计出相应的优化模型，如式(1)所示。
Figure BDA0003001996070000111
D(P)≤Dmax
s.t.E(P)≤Emax
0≤λk≤1，for k＝1，...，n (1)
本发明设计的优化模型1的性能仿真结果如图7所示，设置最大可接受时延Dmax为0.5s，最大可接受功耗Emax为0.3W，这里先利用约束条件筛选出符合条件的路径，分别为路径3、11、15，再进行误码率的比较，根据结果此时所选择的最优路径为第15条路径，大大降低了路由方案的时间复杂度。
在智能家居应用场景中，电子标签被贴附在家电上，用以实现信息的交互，更多时候信息交互发生在家里无人情况，因此当信息传输时延和准确性在可接受的范围内，着重考虑功率损耗，根据该场景建立的优化模型如式(2)所示。
Figure BDA0003001996070000112
D(P)≤Dmax
s.t.BER(P)≤Bmax
0≤λk≤1，for k＝1，...，n (2)
本发明设计的优化模型2的性能仿真结果如图8所示，其中最大时延Dmax为0.5s，可接受的最大误码率Bmax为0.025，在信噪比为5dB时，满足条件的路径只有4条，其中功耗最小的路径为第7条路径。

Claims (10)

1.一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用激励信号源多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
S2、被激励的无源标签以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
S3、激励信号源对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵；
S4、根据邻接信息矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签；
S5、依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而得到源标签到目的标签的路由方案。
2.根据权利要求1所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，激励信号源采用读写器。
3.根据权利要求1所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，激励信号源按层发现标签，被激励的标签采用不同码片的传输速率进行μcode编码，反射给激励信号源，当激励信号源接收并译码各标签的ID信息后即可得到该网络中包含的无源标签。
4.根据权利要求1所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，采用涡轮反向散射原理，将每一个标签要发送的数据信息调制到从读写器发来的激励信号上。
5.根据权利要求1所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，利用深度优先搜索算法，根据源标签和目的标签的ID和标签的邻接信息矩阵得到源标签至目的标签存在的N条路径。
6.根据权利要求1所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，对源标签发送含有导频信息的激励信号，依次通过路径中的多跳标签经由目的标签将信息反射给激励信号源，通过计算译码解调后的信号与导频信号的错误比特信息计算出该条路径信息传输的误码率，以最小误码率所对应的路径进行协同信息传输。
7.根据权利要求6所述的一种用于多标签网络的路由方法，其特征在于，给最小误码率所对应的路径上的标签发送激励指令，对其余标签发送静默指令；源标签将要传输的数据信息进行μcode编码和ASK调制，反射给下一跳标签；多跳中继标签利用协同网络编码技术，将译码解调得到的数据信息与自身数据信息进行异或处理，将信息调制到激励信号上进行反射，直至目的标签通过协同网络译码和μcode译码依次得到前K-1个标签发送的数据信息。
8.一种用于多标签网络的路由系统，其特征在于，包括激励信号源单元和多个环形分布于激励信号源四周的无源标签单元；
激励信号源单元用于多次发送不同功率的激励信号，按层依次发现每一层的无源标签；
无源标签单元用于对接收到激励信号的以不同的码片速率对标签ID信息进行μcode编码，每一跳的标签分别对接收到的反射信号进行μcode译码，并将译码后的标签ID信息和自身ID信息一起反射给激励信号源；
激励信号源单元对接收的反射信号进行解码并整合相应的邻接信息，生成并存储为邻接信息矩阵，同时根据邻接信息矩阵计算源标签到目的标签存在的N条路径，并依次对每一条路径上的标签发送导频信息，使导频信息从源标签经过多跳中继标签传输到目的标签，最后依次对接收到的反射信号进行解码，计算出N条路径对应的误码率并将误码率最小的路径信息分配给多标签网络，从而实现源标签到目的标签的路由方案。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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