CN113435220B - Rfid系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法与装置 - Google Patents

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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法与装置。本发明主要分为两个过程：首先是标签响应时隙的分配过程，根据帧时隙ALOHA通信协议，阅读器先广播随机数和帧长度，阅读器和标签将通过Hash函数来计算标签在响应帧中对应的时隙。然后是标签回复及丢失标签的数量估计过程，在标签响应的过程中，引入随机误差模型，模拟信息在不可靠信道上传递时所受到的干扰。在存在干扰的情况下，通过对阅读器收到的第一个预期非空然而未收到响应的时隙进行分析，从而估计出整个标签群体中丢失标签的数量。整个标签估计的过程可能重复多轮，以满足给定的精度要求。与现有方法相比，本发明更适用于真实应用场合，具有更高的估计精度。

Description

RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法与装置
技术领域
本发明涉及物联网领域，特别涉及一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签的数量估计方法与装置。
背景技术
RFID(射频识别)技术是一种非接触式的自动识别技术，是物联网技术不可缺少的一环，它在仓储管理，物流配送，目标追踪等领域都有着广泛的应用。在实际的应用中，可以在商品或货物上附着标签(具有唯一电子编码)，用于记录物品信息，例如生产日期，物品种类或商标等信息，这样就可以通过阅读器扫描标签，以检查物品的状态。考虑一个忙碌的仓库或超市，货品随时可能被存放或取出。在货物转移的过程中，由于运输过程中的疏忽，货物可能会丢失或被放置在错误的储存地点。这些事件在RFID通信系统中都可以被认定为标签“丢失”行为，发生这种情况就有可能对物品所有者造成巨大的损失。同时，在超市或仓库等场所可能存在较多的干扰源，使得标签向阅读器发送的响应产生误差，导致对丢失标签进行估计时所产生的结果不够精确。因此研究在不可靠信道上估计丢失标签数量的方法是很有必要的。
丢失标签数量估计最原始的方法当然是靠人工进行比对，但这显然会浪费大量的时间及人力成本。而引入RFID系统后，我们可以在ALOHA通信协议的框架下解决这个问题。目前可用于丢失标签数量的估计方法有ZDE(Qingjun Xiao；Bin Xiao；Shigang Chen,“Differential estimation in dynamic RFIDsystems”,2013Proceedings IEEE INFOCOM,pp.295-299,2013)协议，HZE和SZE(Honglong Chen,Guolei Ma,Zhibo Wa ng,QianWang,Jiguo Yu,“MAC Missing Tag Iceberg Queries for Multi-Category RF IDSystems”,IEEE Transactions on Vehicular Technology,Vol.67,No.10,pp.9947-9958,2018)协议。但这些协议都假定标签和阅读器在理想信道上进行通信。显然，当在真实场景中采用这些协议进行丢失标签数量估计时，由于场景中存在的干扰，得到的结果可能与真实值有较大的偏差。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的问题，本发明目的在于提供RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法与装置，以提高检测精度。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供的一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，在标签响应阅读器的查询时，引入随机误差模型，模拟真实信道上的噪音，并在后续阶段通过检查实际响应帧中第一个丢失的标签的位置，进而估计丢失标签数量。具体过程包括以下步骤：
步骤1、阶段k开始时，阅读器选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm，rk)∈[0，f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0，f-1]范围的时隙内；
步骤2、阅读器设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm，rk)mod f；
步骤3、阅读器设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
步骤4、阅读器广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
步骤5、阅读器和所有收到信息的标签根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
步骤6、现存标签依据被分配好的时隙发送响应，信息传输过程中发生比特传输误差的概率为q；
步骤7、阅读器从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复步骤1至步骤7到设定的轮数，计算检测时隙位置的平均值M；
步骤8、根据标签总数n、帧长f、M值以及比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量。
作为优选，所述步骤8中根据如下公式估计丢失标签的数量
Figure BDA0003114608650000021
Figure BDA0003114608650000022
作为优选，所述步骤1中帧长f为系统中待检测的标签总数。
作为优选，所述步骤5中阅读器和标签根据如下方法确定标签的响应时隙：
定义一个函数Γ(·)，当Gk[w]为1时，Γ(w)←u，其中u为Gk[w]前的Gk向量中比特位为1的个数；当Gk[w]为0时，Γ(w)←(-1)；记Gk中比特位为1的总个数为WH(Gk)，对于一个长度为WH(Gk)的响应帧Rk，一个预计在w时隙响应的标签应在响应帧中的Rk[u]发送响应，其中，0≤u＝Γ(w)。
作为优选，所述步骤6中现存标签依据被分配好的时隙发送一位短响应以证明自己的存在。
作为优选，所述步骤7中当阅读器检测到Rk[u]未有标签发送响应时，终止本轮，设置
Figure BDA0003114608650000031
其中Γ-1(u)表示Γ(w)的反函数；由于信道不可靠，重复R轮以减小误差，记录每轮
Figure BDA0003114608650000032
的值，并计算平均值
Figure BDA0003114608650000033
基于相同的发明构思，本发明提供的一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，包括：
时隙分配模块，用于在每个阶段k开始时，由阅读器选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm，rk)∈[0，f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0，f-1]范围的时隙内；并设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm，rk)mod f；以及设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
广播模块，用于阅读器广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
响应时隙确定模块，用于阅读器和所有收到信息的标签根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
标签回复模块，用于现存标签依据被分配好的时隙发送响应，信息传输过程中发生比特传输误差的概率为q；
以及标签数量估计模块，用于阅读器从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复多轮计算检测时隙位置的平均值M，并根据标签总数n、帧长f、M值以及比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量。
基于相同的发明构思，本发明提供的一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，包括阅读器和标签，所述阅读器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现如下步骤：
步骤11、阶段k开始时，选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm，rk)∈[0，f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0，f-1]范围的时隙内；
步骤12、设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm，rk)mod f；
步骤13、设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
步骤14、广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
步骤15、根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
步骤16、从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复步骤11至步骤16到设定的轮数，计算检测时隙位置的平均值M；
步骤17、根据标签总数n、帧长f、M值以及标签响应传输过程中的比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量；
所述标签包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现如下步骤：
步骤21、接收阅读器广播的信息，根据指示向量Gk过滤空时隙，计算在响应帧中的时隙；
步骤22、依据被分配好的时隙发送响应。
有益效果：与现有建立在假设标签-阅读器之间的通信信道是理想信道基础上的估计方法相比，本发明通过引入信道误差模型，得到了更适用于真实应用场合中的通信协议，能够更为准确地得到与真实值接近的丢失标签数量估计值。实验证明，相较于其他现有的方案，本发明方案在不可靠的信道下对同等样本条件的RFID系统进行丢失标签估计时更能保证满足所要求的估计精度。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图；
图2为不同标签总数下检测精度对比图；
图3为不同丢失标签数量下检测精度对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种在不可靠信道下的大规模RFID系统中快速估计丢失标签数量的方法，引入随机误差模型，利用响应帧中第一个丢失标签的位置对这个系统中丢失标签的数量进行估计。在探究信道干扰对标签响应的影响时，我们只考虑干扰对单时隙所造成的误差。理论上，丢失标签的事件也有可能发生在碰撞时隙(两个及以上的标签选择了同一个时隙进行响应)。之所以不选择这些时隙作为估计的输入条件，是因为我们在选择帧长时使单时隙的所占的比例更大，而且碰撞时隙的误差分析会使得最终得出的估计公式非常复杂，这无疑增加了系统的复杂度。忽略这些时隙可能会使我们的算法运行时间增加，但经过仿真实验表明，我们的算法在不可靠信道的估计问题上性能稳定，优于现存的其他算法。
实施例：
考虑一个有着5500个标签的RFID系统(n＝5500)，由于运输转移过程中的疏忽，其中丢失了500个标签(m＝500)。信息传输过程中发生比特传输误差q的概率为0.1。然后我们分别用HZE，SZE，ZDE以及我们的方法对该系统的丢失标签的数量进行估计，并对实验结果取平均，本发明实施例的基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，具体步骤如下：
步骤1、阶段k开始时，阅读器选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm，rk)∈[0，f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0，f-1]范围的时隙内。经实验证明，选择帧长等于已知的预期存在的标签数量可构造出较为合适的时间帧，故设置f＝5500。为了便于示意，图1中仅截取一个标签集合Tk＝{t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8}，其中{t7，t8}标记为丢失标签；
步骤2、阅读器设置一个长度为f的虚拟帧Fk，编号为从0到f-1，用于存放上面Hash函数的结果。预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm，rk)mod f。集合Tk所映射的虚拟帧为Fk＝{(t5)，(t2，t4)，(○)，(t1，t3，t7)，(t8)，(t6)}；
步骤3、阅读器设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态。当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，既为空时隙时，设置Gk[w]为0。其中，可得集合Tk的指示向量为Gk＝{1，1，0，1，1，1}；
步骤4、阅读器广播随机数rk、帧长度f和Gk给范围内的所有标签；
步骤5、阅读器和所有收到信息的标签执行以下步骤：
步骤501、定义一个函数Γ(·)。当Gk[w]为1时，Γ(w)←u，其中u为Gk[w]前的Gk向量中比特位为1的个数；
步骤502、当Gk[w]为0时，Γ(w)←(-1)；
步骤503、将Gk中比特位为1的总个数表示为WH(Gk)。可得Γ(Gk)＝{0，1，-1，2，3，4}，WH(Gk)＝5；
步骤6、现存标签依据被分配好的时隙发送一位短响应以证明自己的存在。在这个过程中，我们引入传输比特误差概率为q的误差模型；
步骤7、设置一个长度为WH(Gk)的响应帧Rk。由于响应帧中过滤了空时隙，则一个预计在w时隙响应的标签应在响应帧中的Rk[u]发送响应，其中，0≤u＝Γ(w)；
步骤8、当检测到Rk[u]未有标签发送短响应时，此时终止本轮，设置
Figure BDA0003114608650000061
Γ-1(u)表示Γ(w)的反函数，即根据u计算得到对应的w。至此可检测出标签集合Tk中丢失的标签
Figure BDA0003114608650000071
(仅对应图1所示8个标签的场景)；
步骤9、由于信道不可靠，上述过程将持续R轮以减小误差。记录每轮
Figure BDA0003114608650000072
的值，并计算平均值设置为
Figure BDA0003114608650000073
运行10轮算法，得出
Figure BDA0003114608650000074
的一个集合为{2，9，15，7，12，19，13，5，17，10}，求得
Figure BDA0003114608650000075
步骤10、根据标签总数n、帧长f、比特传输误差概率q以及计算出的M值估计丢失标签的数量
Figure BDA0003114608650000076
假设运行一轮协议后，在
Figure BDA0003114608650000077
位置检测到标签响应异常的事件为E。可知E由E1，E2两个事件组成，其中，m个丢失标签中的至少一个选择且n-m个正常标签都未选择一个未受干扰的时隙的事件为设为E1，n-m个正常标签中至少一个标签选择受到干扰的时隙的事件设为E2。通过求解E1，E2的概率我们可以求出E的概率，并求出E的期望。整理E的期望公式我们便得到了最终的估计公式如下：
Figure BDA0003114608650000078
将n＝f＝5500，q＝0.1，M＝10.9带入求解可得
Figure BDA0003114608650000079
检测精度
Figure BDA00031146086500000710
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，包括：时隙分配模块，用于阅读器在每个阶段k选择随机数rk和帧长f进行Hash映射，设置虚拟帧Fk以及指示向量Gk；广播模块，用于阅读器广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；响应时隙确定模块，用于阅读器和所有收到信息的标签根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；标签回复模块，用于现存标签依据被分配好的时隙发送响应，信息传输过程中发生比特传输误差的概率为q；以及标签数量估计模块，用于阅读器从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复多轮计算检测时隙位置的平均值M，并根据标签总数n、帧长f、M值以及比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，包括阅读器和标签，阅读器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现时隙分配、信息广播、响应时隙确定以及标签数量估计等步骤；所述标签包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现信息接收、响应时隙计算以及发送响应等步骤。
上述装置实施例与方法实施例属于同一发明构思，具体实施细节参见上述方法实施例，此处不再赘述。
将我们的方法(RMTE)与其他3种丢失标签估计方案在同样的样本条件下进行对比实验，得到图2、3结果。通过对比图2，我们可以看出，在不同标签整体的数量下，其它3种算法由于没有考虑到信道上可能存在的干扰，在计算估计公式时没有引入误差参数，它们估计出的丢失标签的数量远远大于真实数值。随着标签整体数量的增加，其它3种算法的误差逐渐增大，而我们的算法估计出的数值与真实数值接近，与丢失标签的数量的比值一直稳定在1附近。对比图3，我们可以看出随着丢失标签数量的增加，其它3种算法的估计精度虽然有所提升，但与真实值仍然存在较大的偏差。我们的算法在丢失标签数量较少时检测精度波动较大，当丢失标签数量增加时，检测精度趋于稳定。

Claims (10)

1.一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、阶段k开始时，阅读器选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm,rk)∈[0,f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0,f-1]范围的时隙内；
步骤2、阅读器设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm,rk)modf；
步骤3、阅读器设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
步骤4、阅读器广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
步骤5、阅读器和所有收到信息的标签根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
步骤6、现存标签依据被分配好的时隙发送响应，信息传输过程中发生比特传输误差的概率为q；
步骤7、阅读器从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复步骤1至步骤7到设定的轮数，计算检测时隙位置的平均值M；
步骤8、根据标签总数n、帧长f、M值以及比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量。
2.根据权利要求1所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述步骤8中根据如下公式估计丢失标签的数量
Figure FDA0003114608640000011
Figure FDA0003114608640000012
3.根据权利要求1所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述步骤1中帧长f为系统中待检测的标签总数。
4.根据权利要求1所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述步骤5中阅读器和标签根据如下方法确定标签的响应时隙：
定义一个函数Γ(·)，当Gk[w]为1时，Γ(w)←u，其中u为Gk[w]前的Gk向量中比特位为1的个数；当Gk[w]为0时，Γ(w)←(-1)；记Gk中比特位为1的总个数为WH(Gk)，对于一个长度为WH(Gk)的响应帧Rk，一个预计在w时隙响应的标签应在响应帧中的Rk[u]发送响应，其中，0≤u＝Γ(w)。
5.根据权利要求1所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述步骤6中现存标签依据被分配好的时隙发送一位短响应以证明自己的存在。
6.根据权利要求4所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计方法，其特征在于，所述步骤7中当阅读器检测到Rk[u]未有标签发送响应时，终止本轮，设置
Figure FDA0003114608640000021
其中Γ-1(u)表示Γ(w)的反函数；由于信道不可靠，重复R轮以减小误差，记录每轮
Figure FDA0003114608640000022
的值，并计算平均值
Figure FDA0003114608640000023
7.一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，其特征在于，包括：
时隙分配模块，用于在每个阶段k开始时，由阅读器选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm,rk)∈[0,f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0,f-1]范围的时隙内；并设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm,rk)modf；以及设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
广播模块，用于阅读器广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
响应时隙确定模块，用于阅读器和所有收到信息的标签根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
标签回复模块，用于现存标签依据被分配好的时隙发送响应，信息传输过程中发生比特传输误差的概率为q；
以及标签数量估计模块，用于阅读器从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复多轮计算检测时隙位置的平均值M，并根据标签总数n、帧长f、M值以及比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量。
8.根据权利要求7所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，其特征在于，所述标签数量估计模块根据如下公式估计丢失标签的数量
Figure FDA0003114608640000031
Figure FDA0003114608640000032
9.一种RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，包括阅读器和标签，其特征在于，所述阅读器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现如下步骤：
步骤11、阶段k开始时，选择一个随机数rk和帧长f，通过一个Hash函数H(idm,rk)∈[0,f-1]，将标签idm和随机数rk映射到[0,f-1]范围的时隙内；
步骤12、设置一个长度为f的虚拟帧Fk，用于存放Hash函数的结果，预期存在的标签将在Fk[w]时隙进行回复，其中，w＝H(idm,rk)modf；
步骤13、设置一个指示向量Gk，并根据Fk[w]的状态设置Gk的状态，当预计有标签将在w时隙回复时，设置Gk[w]为1；预计没有标签回复，设置Gk[w]为0；
步骤14、广播随机数rk、帧长f和指示向量Gk给范围内的所有标签；
步骤15、根据指示向量Gk过滤空时隙，计算标签在响应帧中的时隙；
步骤16、从过滤了空时隙的响应帧，检测第一个预期非空时隙然而未收到响应的时隙的位置；重复步骤11至步骤16到设定的轮数，计算检测时隙位置的平均值M；
步骤17、根据标签总数n、帧长f、M值以及标签响应传输过程中的比特传输误差概率q估计出整个标签群体中丢失标签的数量；
所述标签包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现如下步骤：
步骤21、接收阅读器广播的信息，根据指示向量Gk过滤空时隙，计算在响应帧中的时隙；
步骤22、依据被分配好的时隙发送响应。
10.根据权利要求9所述的RFID系统中基于不可靠信道的丢失标签数量估计装置，其特征在于，所述阅读器根据如下公式估计丢失标签的数量
Figure FDA0003114608640000041
Figure FDA0003114608640000042
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