CN113850095B

CN113850095B - 一种多点选择的商用rfid系统的未知标签识别方法

Info

Publication number: CN113850095B
Application number: CN202111111564.9A
Authority: CN
Inventors: 林凯; 陈鸿龙; 闫娜; 邓晓刚; 刘伟锋
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2041-09-23
Also published as: CN113850095A

Abstract

本发明涉及一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法，其步骤为：阅读器首先构建一个掩码集，为了降低空时隙的比例，提高未知标签的识别效率，掩码集被均分为多批，每批包含多个Select命令用于未知标签的选择。此外，为了消除多个Select命令共同作用导致的时隙冲突问题，阅读器将产生冲突的Select命令进行分解。这时，阅读器在问询标签前，将一批Select命令广播出去。被这些Select命令选择的标签会向阅读器发送回应，若出现冲突，则将该批的Select命令分解重新选择，通过多点的选择方式，本方法能够在降低空时隙比例的基础上避免了多个Select命令导致的时隙冲突问题，大大提高了未知标签的识别效率。

Description

一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法

技术领域

本发明属于射频识别和物联网技术领域，涉及射频识别系统，具体地说，涉及了一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法。

背景技术

一般来说，一个Gen2射频识别(英文：Radio Frequency Identification，简称：RFID)系统由一个配备一个或多个天线的读写器、一个后端服务器以及许多无源标签组成。阅读器可以通过发送射频(RF)信号询问在其通信范围内的标签。后端服务器提供强大的计算和存储能力使得阅读器可以有效地调节和同步无源标签。每一个附加在目标对象上的无源标签具有惟一的电子产品代码(英文：Electronic Product Code，简称：EPC)，并且EPC长度通常为96位。无源标签没有内部电源，其功能实现所需的电源依赖于阅读器发送的射频信号。

在Gen2 RFID系统中，例如一个大规模仓库，所有标签EPC是需要记录在后端服务器的数据库中，用于实时监测系统中的标签。然而，一些意料之外的标签(例如，新进入的标签和错位标签)被认为是未知标签，它们将严重干扰正常的标签监测。更重要的是，经济损失甚至安全事故可能会随之而来，例如，有毒物质化学品不小心进入了医院仓库，这里存储着不同种类的药物，这对于病人来说将是一个巨大的安全隐患。因此，高效准确的未知标签识别在实际应用中是一项非常重要的技术。

在过去的十年里，RFID技术得到了很好的研究，许多研究者在帧时隙Aloha协议的基础上致力于提高效率阅读器和标签之间的通信效率。其核心是他们假定RFID标签拥有哈希功能。一般来说，阅读器和标签之间的通信由多个时隙化的帧组成，每个帧包含许多时隙。阅读器与标签之间的通信是随着阅读器广播Query查询命令开始的。在收到使用Query命令，每个标签伪随机地选择一个时隙使用哈希函数向阅读器回应一个1位的消息。标签的存在可以通过期望时隙中是否有标签回应来有效的确定。在帧时隙Aloha协议的基础上采用哈希函数在通信效率和隐私方面具有非常地优势，因为阅读器与标签之间的通信不需要传输96位标签EPC。

然而不幸的是，前面提到的非常精彩的新奇的设计从未付诸实践。Gen2协议指定的无源标签是无内部电源供电的，标签只能通过捕捉自阅读器发出的射频信号来使其运行。为了实现哈希功能，成千上万的被广泛应用于评估硬件设计的效率和可用性Gateequivalent(GEs)是必需的，这对于目前的Gen2 RFID标签是完全负担不起的。高额的制造成本和能量消耗限制了哈希函数在实践中的应用。考虑到这些限制，我们在实践中把将未知标签识别问题融入到Gen2 RFID设备中，这是为RFID技术在未来的广泛应用奠定了非常重要的基础。

发明内容

在商用RFID系统中，由于无源标签的诸多限制，导致现有的很多方法及协议无法被广泛应用，极大地限制了RFID技术的快速发展。本发明针对现有技术及方法在实际应用中的局限性，提供了一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法。该方法能够快速准确地识别商用RFID系统中的未知标签，减少已知标签的干扰，提高识别效率。

商用RFID系统中包含一个后端服务器，一个RFID阅读器和若干Gen2 RFID标签。系统中所有的集合为T＝(N₁,…,N_n,U₁,…,U_u)，其中N_i(1≤i≤n)表示已知标签，U_j(1≤j≤u)表示未知标签，已知标签的数量为n，未知标签的数量为u，所有已知标签的EPC存储于后端服务器中，而阅读器无法获知任何未知标签的信息，包括未知标签的EPC以及数量。

本发明提供的多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法通过利用选择(Select)命令筛除掉已知标签的干扰，从而提高未知标签的识别效率。在此基础上本发明通过Select命令的分批次广播可以大大减少空时隙的比例，提高未知标签的识别效率。Gen2协议指定的Select命令可以允许阅读器通过用户自定义的规则选择一组期望的标签集合。一个Gen2标签基于特定的问询标志设定启动，每一个标签在四个会话(分别记为S0,S1,S3，和S4)中分别持有四个不同的问询标志，每个标志具有A和B两个值。在任意一个会话中，标签可以获取问询标志的状态。给定一个会话，读取器可以从A到B问询标签，也可从B退回到A问询标签。

当Select命令断言或取消断言标签的标记变量SL时，标签也可以被启动。标记变量SL可以被应用在任何会话中，并且只有当标签失去能量的时间大于标记变量SL的时间时，标记变量SL才会被重置。标记变量SL和问询标志都可以决定要参加标签清点的标签集合，但是它们不能被同时修改。

一个Select命令中包含多个参数域来共同完成标签的选择，其中有六个必选的，它们分别是Target、Action、MemBank，Pointer，Length，Mask。它们的介绍详细如下。

Target：Target表示选择是否修改一个标签的SL标记变量或它的问询标志。如果是问询标志时，Target应进一步指定四个会话中的任意一个。值得注意的是，SL标志和问询标志不能通过一个Select命令同时修改。Target指令中的101₂、110₂和111₂是为将来保留使用(Reserved for Future Use，RFU)。

Action：Action用于指定标签的行为是匹配还是不匹配。符合的标签MemBank、Pointer、Length和Mask的参数字段称为一个匹配的标签。否则，它是一个不匹配的标签。

MemBank：MemBank指示标签如何搜索Mask用于比较。如果MemBank＝00₂，则标签将搜索至少一个匹配FileType文件类型的Mask。如果MemBank＝01₂、10₂或者11₂，则标签将在EPC MemBank、TID MemBank或File_0中搜索分别用于Mask的比较。一个文件类型或内存组可以通过单个Select命令指定。

Pointer：Pointer是一个可扩展位向量(Extensible Bit Vector,EBV)，用于指定MemBank中Mask比较的起始位地址。

Length：Length指Mask的长度，其大小为8位。当MemBank＝00₂时Length长度应该设置为Length＝00001000₂。如果MemBank＝00₂且Length设为00001000₂，那么标签将忽略此Select命令。

Mask：如果MemBank＝00₂则Mask的类型是FileType。在这种情况下，一个标签只有在它有一个文件的类型是指定的FileType类型时才是一个匹配标签，否则它是不匹配的标签。如果MemBank≠00₂，则Mask是一个字符串，在这种情况下，标签将Mask与从指定MemBank中第Pointer位到第(Pointer+Length-1)位的字符指进行比较。如果Mask与该字符串匹配，则标签为匹配标签，否则为不匹配标签。则本发明基于Select命令提出的多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法的步骤为：

(一)我们首先在清点标签之前构造Select命令以完成标签的选择。特别地，Target被设置为100₂，即选择命令操作标签的SL标志。MemBank设置为01₂，则标签将在EPCMemBank中寻找字符串与Mask进行比较。Pointer设置为00000000₂，表示在MemBank中用于与Mask比较的字符串的起始地址是第1位。Length则设为l。Action设置为001₂，这表示匹配的标签将确认其SL标记，而不匹配的标签不进行任何动作。然而，为了避免每个批次之间的影响，以下的Select命令的Action域设为000₂：

1)每个批次的第一个Select命令；

2)导致冲突时隙的一个批次的Select命令分割成的两组Select命令中每组的第一个Select命令；

3)直行最大分解次数后每个独立执行的Select命令。

(二)然后阅读器构建一个掩码集M＝{m₁，m₁，…，m_k}，该掩码集包含k个l位长的字符串，每个字符串都是标签EPC的一部分。对于Length的大小l，从00…0₂到11…1₂的字符串共有2^l个，因此为了消除已知标签的影响并通过Select命令选择系统中的未知标签，本发明将2^l个字符串中对应于已知标签的字符串剔除掉，从而可以消除已知标签的干扰。然后阅读器将掩码集中的元素依次作为Select的Mask字段，这样共有k个Select命令需要广播。为了避免空时隙的比例，提高识别效率，本发明将掩码集的元素分为批，其中每批包含h个元素。然后阅读器首先将第一批Mask对应的Select命令依次广播给系统中的标签。

(三)一旦标签接收到Select命令，每个标签都会Select命令中指定的Pointer，Length和MemBank检查是否匹配Mask。如果标签与Mask匹配，则标签确认它的标志变量SL，否则，将取消SL。然后阅读器广播一个查询命令询问标签，SL标记被确认的标签分别向阅读器反向散射一个16位的随机数RN16。此时，标签对阅读器的回应会产生以下三种情况：

1)如果阅读器没有接收到任何RN16，则该时隙为一个空时隙，则阅读器将基于另一批掩码的h个Select命令再次依次广播给系统中的标签以重新选择未知标签。

2)如果阅读器只接收到一个RN16，那么阅读器就发送一个包含RN16的ACK给标签，标签会将96位的EPC发给阅读器。然后一个未知的标签便可以被正确识别。接下来，阅读器将基于另一批掩码的h个Select命令再次依次广播给系统中的标签以重新选择未知标签。

3)如果阅读器收到多个RN16，则表示不止一个未知标签回应了阅读器。在这种情况下，h个Select命令将被分为两个小组广播出去发起两个新的标签问询。然而，标签的回应仍然会有三种情况发生，即空时隙，单时隙，或冲突时隙。如果出现空时隙或单时隙，则以下识别过程将遵守上述1)和2)的两种情况。如果冲突时隙重新出现，则每个组中的个Select命令进一步分为两个子组，和阅读器再执行两个新的Select批来开始两个标签问询。上述过程将重复进行，直到无冲突时隙出现为止。

(四)Select命令被分解的次数越多，则时间效率越低。为此，本发明引入了一个变量s_max，该变量表示一批Select命令可以被分解的最大次数。如果冲突时隙在经过s_max分解后仍然存在，则当前组的每个Select命令都被将单独广播，使得每个Select命令分别启动一个标签选择。这样，可以避免冲突时隙的大量产生，也可以避免由于过多分解带的时间效率低下等问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明对商用RFID系统中的未知标签进行高效准确的识别，将未知标签识别算法应用于实际中。

(2)本发明基于Select命令利用标签EPC的字符串片段选择未知标签，可以消除未知标签的影响，提高未知标签的识别效率。

(3)本发明所提方法被应用于实际的Gen2 RFID设备中，实现了理论与实际的跨越。

附图说明

图1为阅读器与Gen2 RFID标签之间的时序链路图。

图2为Gen2协议指定的Select命令参数组成。

图3为多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法过程示意图。

图4Gen2 RFID系统示意图。

图5为α＝0.85,u＝500时多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法的识别时间随已知标签数量变化的仿真比较示意图。

图6为α＝0.9,u＝500时多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法的识别时间随已知标签数量变化的仿真比较示意图。

图7为α＝0.85,n＝1000时多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法的识别时间随未知标签数量变化的仿真比较示意图。

图8为α＝0.9,n＝1000时多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法的识别时间随未知标签数量变化的仿真比较示意图。

图9为α＝0.85,u＝10时利用Gen2 RFID设备实现多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法所用时间随已知标签数量变化示意图。

图10为α＝0.9,u＝10时利用Gen2 RFID设备实现多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法所用时间随已知标签数量变化示意图。

图11为α＝0.85,n＝30时利用Gen2 RFID设备实现多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法所用时间随未知标签数量变化示意图。

图12为α＝0.9,n＝30时利用Gen2 RFID设备实现多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法和现有方法所用时间随未知标签数量变化示意图

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，一个商用RFI D系统中包含n个已知标签，u个未知标签，每个标签具有一个唯一的96位的EPC。阅读器与标签之间的通信通过Select命令开启，Select命令用于选择一组期望的标签来参与后面的清点过程。当阅读器广播完Select命令后，阅读器通过Query命令问询系统中被选择的标签，被选择的标签向阅读器回应一个16位的随机数RN16，收到RN16后阅读器向标签广播包含RN16的ACK命令。收到ACK命令的标签将其96位的EPC发送给阅读器。

一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法对上述商用RFID系统中的未知标签进行识别，其含有以下步骤：

步骤一：阅读器首先根据已有的标签EPC构建掩码集。Target被设置为100₂，MemBank设置为01₂，Pointer设置为00000000₂。对于n个已知标签，每个标签的前l位可以作为一个随机数，其范围为[0，2^l-1]。则任意一个l位的字符串与所有已知标签的前l位都不同的概率为：

因此，共有2^l(1-P_e)个期望的字符串与已知标签所对应，即2^l·P_e个字符串可被用于未知标签的识别，且这2^l·P_e个字符串构成了掩码集M。因此一个未知标签可以被正确识别的概率为：

由式(2)可知，未知标签的识别可靠性可以根据l的大小而动态地调整。阅读器将2^l·P_e个字符串作为掩码集的元素用于未知标签的选择。

步骤二：掩码集中的每个元素对应的Select命令逐一发送会导致大量空时隙的产生，造成识别效率的低下。为了提高效率，同时保证识别可靠性的前提下，阅读器将掩码集的元素分为批，其中每批包含h个元素。然后阅读器首先将第一批Mask对应的Select命令依次广播给系统中的标签。

步骤三：收到Select命令后，每个标签根据阅读器指定的Pointer，Length和MemBank检查其是否匹配Mask。如果该标签与Mask匹配，则标签确认它的标志变量SL，否则，将取消SL。然后阅读器广播一个Query命令问询系统中的标签，确认SL的标签将会向阅读器发送一个RN16，然后阅读器根据RN16广播一个ACK确认命令，当收到确认命令后，确认SL的标签将其96位的EPC发送给阅读器。参见图3，标签的回应会产生以下三种情况：

1)如果阅读器没有接收到任何RN16，则阅读器将基于另一批掩码的h个Select命令再次依次广播给系统中的标签以重新选择未知标签。

在标签问询阶段，一个时隙为空时隙，即对应的字符串不被任何标签所共享的概率为：

一个时隙为单时隙，即对应的字符串只被一个未知标签所共享的概率为：

一个时隙为冲突时隙，即对应的字符串被多个未知标签所共享且不被任何已知标签所共享的概率为：

步骤四：在标签被清点前，由于一批共h个Select命令被执行，导致接下来的时隙是冲突时隙的概率大大提高。一批Select命令共同选择标签，因此它们可以被认为是一个整体。为了消除冲突时隙对未知标签识别可靠性的影响，导致时隙冲突的Select被分为两组重新进行标签的选择，当仍有冲突时，每组Select命令再次被分解，以此类推。用u′表示l位的EPC片段与所有已知标签都不同的未知标签数量，则u′＝P_e·u。然后一批Select命令中对应多个未知标签的概率为：

步骤五：用C表示一批Select命令中对应未知标签的数量。则当C＝2时，冲突可以被一次分解成功所花费的时间为：

当C＝2时，冲突可以被两次分解成功所花费的时间为：

因此，当C＝2时，冲突可以被i次分解成功所花费的时间为：

当C＝2，s_max＝1时，冲突不可以被s_max次分解成功所花费的时间为：

当C＝2时，冲突不可以被i(1≤i≤s_max)次分解成功所花费的时间为：

然后可以得到一个Select命令冲突的期望执行时间，并得到当两个Select命令冲突被分解两次的期望执行时间是最少的，因此，可以得到：

则和s_max＝2为本方法的最优值。

步骤六：为了减少每个批次Select命令之间的干扰，除了以下Select命令的Action参数设置为000₂外，其他Select命令的Action参数设为设置为001 ₂：

1)每个批次的第一个Select命令；

3)直行最大分解次数后每个独立执行的Select命令。

步骤七：当阅读器实施了所有的Select命令后，系统中的未知标签会以很高的可靠性被阅读器识别，且消除了已知标签的干扰，提高了识别效率。

为了进一步说明本发明所述方法的优点，下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

实施例：参见图3，一个商用RFID系统中有5个已知标签和4个未知标签，掩码Mask的长度为4，则共有16个4位的字符串，分别从0000₂到1111₂。由于5个已知标签分别对应于0001₂、0011₂、0110₂和1000₂，因此将这4个字符串剔除掉从而消除未知标签的干扰。然后将剩余的分成3批，每批包含4个Select命令。由于未知标签3和4在同一批中，将阅读器将这一批的Select命令分为两组开启两轮新的标签选择，然而依然存在冲突时隙。则阅读器将导致冲突的Select命令逐一广播，最后阅读器便可正确识别未知标签3和4。

当Gen2 RFID系统所需的可靠性分别为α＝0.85和α＝0.9，未知标签的数量为500时，采用本发明所述的多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法(以下简称为MPS方法)与现有的Q-Query方法进行未知标签的模拟识别，参见图5和图6，随着系统中已知标签数量的增加，Q-Query方法和MPS方法所用时间都是阶跃式的变化趋势。然而不同的是，在一个阶跃周期内，Q-Query方法的识别时间是随着已知标签数量的增加而缓慢增加的，而MPS方法则是在一个周期内缓慢下降的，且MPS方法的效率要远高于Q-Query方法。

当Gen2 RFID系统所需的可靠性分别为α＝0.85和α＝0.9，已知标签的数量为1000时，采用本发明所述的MPS方法与现有的Q-Query方法进行未知标签的模拟识别，参见图7和图8，Q-Query方法和MPS方法所用时间依然是梯度增加的，不过随着未知标签数量的增加，两种方法的检测时间都是增加的。MPS方法通过引入Select命令使得识别时间明显缩短。

当Gen2 RFID系统所需的可靠性分别为α＝0.85和α＝0.9时，采用本发明所述的MPS方法利用Gen2 RFID设备利用10个未知标签和30个已知标签进行实验，Gen2 RFID设备参见图4，实验结果参见图9和图10，当未知标签数量为10时，随着已知标签数量的增加MPS方法所用时间依然是阶跃式增长的，且在一个周期内识别时间是缓慢下降的，这与仿真实验结果是完全吻合的。

当Gen2 RFID系统所需的可靠性分别为α＝0.85和α＝0.9时，采用本发明所述的MPS方法利用Gen2 RFID设备利用10个未知标签和30个已知标签进行实验，参见图11和图12，当已知标签数量为30时，随着未知标签数量的增加，MPS方法所用时间是单调递增的。

由上可知，本发明提供的多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法快速高效地识别系统中未知标签，并且完全满足系统要求的可靠性。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims

1.一种多点选择的商用RFID系统的未知标签识别方法，其特征在于，所述的商用RFID系统包括一个后端服务器、一个阅读器和n个已知标签，u个未知标签，每个标签有一个唯一的96位的EPC；所述的未知标签识别方法含有以下步骤：

(一)阅读器首先构建Select命令以有效选择未知标签，其中Target被设置为100₂，即选择命令操作标签的SL标志；Action设置为000₂和001₂；MemBank设置为01₂，则标签将在EPCMemBank中寻找字符串与Mask进行比较；Pointer设置为00000000₂，表示在MemBank中用于与Mask比较的字符串的起始地址是第1位；Length的值设为l；

(二)然后阅读器构建一个掩码集M＝{m₁，m₁，…，m_k}，该掩码集包含k个l位长的字符串，每个字符串都是标签EPC的一部分；对于Length的大小l，从00…0₂到11…1₂的字符串共有2^l个，为消除已知标签的影响并通过Select命令选择系统中的未知标签，将2^l个字符串中对应于已知标签的字符串剔除掉，从而消除已知标签的干扰；然后将掩码集的元素分为批，其中每批包含h个元素，掩码集中每个元素依次作为Select命令中的Mask参数，然后阅读器首先将第一批Mask对应的Select命令依次广播给系统中的标签；

(三)一旦标签接收到Select命令，每个标签根据Select命令中指定的Pointer，Length和MemBank检查是否匹配Mask，匹配的标签向阅读器发送一个16位的随机数RN16，当收到标签的回应后，阅读器会产生以下三种情况：

1)如果阅读器没有接收到任何RN16，则阅读器将基于另一批Mask的h个Select命令再次广播给系统中的标签以重新选择未知标签；

2)如果阅读器只接收到一个RN16，阅读器就发送一个包含RN16的ACK命令给标签，标签将96位的EPC发给阅读器，则一个未知标签被正确识别；接下来，阅读器将基于另一批Mask的h个Select命令再次广播给系统中的标签以重新选择未知标签；

3)如果阅读器同时收到多个RN16，则表示不止一个未知标签回应了阅读器，此时阅读器将当前的h个Select命令再次分为两个小组广播出去并发起两个新的标签查询，此时标签的回应时隙仍会出现三种情况，即空时隙，单时隙，或冲突时隙，如果出现空时隙或单时隙，则识别过程将遵循上述1)和2)的执行过程；如果再次出现冲突时隙，则每个组中的个Select命令进一步分为两个子组，阅读器再次执行两个新的Select批识别来开始两个标签查询；冲突分解过程重复进行，直到无冲突时隙出现；

其中步骤(一)中为减少每个批次Select命令之间的干扰，以下Select命令的Action参数设置为000₂，其余Select命令的Action参数均设为001₂：

1)每个批次的第一个Select命令；

2)导致冲突时隙的一个批次的Select命令被分割成两组Select命令中每一组的第一个Select命令；

3)达到最大分解次数后每个独立执行的Select命令；

其中步骤(一)中任意一个l位的字符串与所有已知标签的前l位都不同的概率为：

因此，共有2^l(1-P_e)个期望的字符串与已知标签所对应，2^l·P_e个字符串可被用于未知标签的识别，且这2^l·P_e个字符串共同构成了掩码集M，则一个未知标签被正确识别的概率为：

其中步骤(三)中，一个时隙为空时隙，即对应的字符串不被任何标签所共享的概率为：

一个时隙为单时隙，即对应的字符串只被一个未知标签所拥有的概率为：

一个时隙为冲突时隙，即对应的字符串被多个未知标签所共享且不被任何已知标签所拥有的概率为：

一批Select命令中对应多个未知标签的概率为：

其中步骤(三)中当两个Select命令冲突被分解两次的期望执行时间是最少的，即：

即，为最优值。