CN114186572B - 一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统 - Google Patents

一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统，能够提高系统的识别效率和稳定性，避免已知标签对未知标签的干扰，该方法包括：通过阅读器获取其识别范围内的标签信息，通过时隙帧匹配识别的结果得到每个时隙的状态；对于预期单一时隙的标签，若实际映射结果依旧是单一时隙，通过向标签发送命令进行抑制；对于预期空闲时隙的标签，若实际映射结果变为单一时隙，对标签进行识别；对于预期冲突时隙的标签，并进行第二次时隙帧匹配识别；若发生冲突的标签匹配的结果是唯一不同的值，进行标签识别；若发生冲突的标签匹配的结果有相同的值，设置为参与下一轮的识别；重复执行上述步骤，直至识别范围内的标签全部识别完毕。

Description

一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的射频识别(RFID)未知标签识别技术领域，尤其涉及一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统。
背景技术
RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线射频信号在阅读器和电子标签之间进行数据的通信，自动识别目标对象。通常来说，一个典型的RFID系统由后端服务器、阅读器和许多RFID标签组成。后端服务器一般与阅读器相连接，具有强大的数据处理能力。阅读器所发送的指令信息由服务器控制，并且阅读器所接收的息也会传回给服务器并进行处理。阅读器通过天线利用射频识别技术读写电子标签中的信息。除此之外，阅读器还可以通过通信接口与后端服务器连接，进行数据的通信。一个电子标签通常由内置芯片和一个天线构成。根据标签内部的电源供给，RFID电子标签通常分为：无源标签、半有源半无源标签和有源标签。无源标签没有内部供电电源，其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID阅读器发出的。由于无源超高频(UHF)RFID系统具有识别距离远，读写速度快，非可视，标签成本低等优点，因此广泛应用于物流运输、安全管理、供应链管理、贵重物品防盗等领域。
在大规模RFID系统中，未知标签指的是那些放错位置的标签或者是新加入到系统中却没有被阅读器识别和记录的标签。例如，一个典型的应用场景就是库存管理。如果没登记的标签和已登记的标签混合在一起，经营者就无法掌握商品准确的库存来确定进货数量。更严重的情况是，有些商品是有保质期的，例如面包、蛋糕等，保质期都非常短，如果服务器没有记录这些商品的信息，不能及时识别出没登记的商品，将会给经营者带来重大的经济损失。因此，对未知标签快速完整的识别是UHF RFID系统高效、稳定、复杂度低的核心。
现有RFID系统通常采用两种方法识别未知标签，一种方法为未知标签检测，其核心在以预定义的概率检测未知标签的存在，其优点在于较高的高时间效率，但缺点也很明显，即不能保证百分之百识别，识别准确率较低。另一种方法则获取所有未知标签的ID，其虽然可以识别所有未知标签，但执行时间较长。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法及系统，能够提高系统的识别效率和稳定性，避免已知标签对未知标签的干扰。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法，其包括以下步骤：
通过阅读器获取其识别范围内的标签信息，根据给定帧长对标签进行第一次时隙帧匹配识别，由于阅读器预先知道其识别范围内的已知标签，通过时隙帧匹配识别的结果得到每个时隙的状态；
对于预期单一时隙的标签，若实际映射结果依旧是单一时隙，说明是已知标签，通过向标签发送命令进行抑制，防止对未知标签的干扰；对于预期空闲时隙的标签，若实际映射结果变为单一时隙，说明是未知标签，对标签进行识别；
对于预期冲突时隙的标签，通过位跟踪的方法判断其与哪些标签发生了碰撞，并进行第二次时隙帧匹配识别；若发生冲突的标签匹配的结果是唯一不同的值，则表明其是可以协调的冲突时隙，进行标签识别；若发生冲突的标签匹配的结果有相同的值，则表明其是不可协调的冲突时隙，设置为参与下一轮的识别；
重复执行上述步骤，直至识别范围内的标签全部识别完毕。
一种基于冲突时隙协调的未知标签识别系统，其包括电子设备和阅读器；
所述阅读器与电子设备通信连接并用于向工作域内的待识别标签发送或接收信息；所述电子设备包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
考虑到冲突时隙对识别效率的影响，通过位跟踪的来检测向量中碰撞位的位置，通过有效利用这些碰撞位来加速识别过程。在每轮识别过程中映射到冲突时隙的标签经过二次哈希，部分冲突时隙会变成可协调的时隙，进一步有更多单一时隙的产生。通过采用对已知标签进行抑制的方式，避免了未知标签的干扰，极大的降低了系统复杂度；并且，利用冲突时隙的响应，进行二次哈希，从而提高了时隙的利用率，进一步提高了系统的识别效率。
附图说明
图1是根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别方法的流程图。
图2是根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别方法的流程图。
图3是根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别系统的结构示意图；
图4是根据本发明优选实施例的方法在已知标签数变化时总的执行时间的优势曲线图；
图5是根据本发明优选实施例的方法在不同未知标签变化比率上总执行时间的优势曲线图；
图6是根据本发明优选实施例的方法在时间效率上的优势曲线图；
图7是根据本发明优选实施例的方法在总时隙数上的优势曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的基于冲突时隙协调的未知标签识别方法主要包括以下步骤：
通过阅读器获取其识别范围内的标签信息，根据给定帧长对标签进行第一次时隙帧匹配识别，由于阅读器预先知道其识别范围内的已知标签，通过时隙帧匹配识别的结果得到每个时隙的状态。
对于预期单一时隙的标签，若实际映射结果依旧是单一时隙，说明是已知标签，通过向标签发送命令进行抑制，防止对未知标签的干扰；对于预期空闲时隙的标签，若实际映射结果变为单一时隙，说明是未知标签，对标签进行识别。
对于预期冲突时隙的标签，通过位跟踪的方法判断其与哪些标签发生了碰撞，并进行第二次时隙帧匹配识别；若发生冲突的标签匹配的结果是唯一不同的值，则表明其是可以协调的冲突时隙，进行标签识别；若发生冲突的标签匹配的结果有相同的值，则表明其是不可协调的冲突时隙，设置为参与下一轮的识别。
重复执行上述步骤，直至识别范围内的标签全部识别完毕。
图1示出了根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别方法的流程示意图。该实施例的方法主要包括：
S1初始化清零：哈希映射向量V、附加向量A、时隙计数器N、空闲时隙数E、碰撞时隙数C以及成功时隙数S均清零；
S2向待识别标签广播命令并进行第一哈希映射：阅读器向其工作域内的待识别标签广播命令，标签收到命令后通过随机种子R1进行哈希映射到哈希映射向量V的相应位置；
S3判断每个时隙计数器的值：阅读器接收待识别标签的响应，对于任意时隙j，若标签映射到该时隙，则时隙计数器Nj＝Nj+1；
若N＝0，则表示阅读器没有接收到标签的回复，当前时隙为空闲时隙，空闲时隙数E＝E+1且哈希映射向量V(j)＝0；
若N＝1，则表示阅读器接收到标签的回复且无碰撞发生，当前时隙只有一个标签响应，成功时隙数S＝S+1且V(j)＝1；
若N＝k且k大于1，则表示阅读器接收到标签的回复且发生碰撞，当前时隙内有多个标签同时响应，碰撞时隙数C＝C+1且V(j)＝k；
S4判断每个时隙的预期和实际响应是否一致：如果预期为单时隙实际却为碰撞时隙，则存在未知标签，阅读器发送未确认命令NACK，让标签保持活动状态，并转到步骤S1初始化清零继续参与下一轮响应；如果预期为单时隙实际也是单时隙，则这个响应的标签为已知标签，阅读器发送确认命令ACKS来抑制其响应。
S5判断抑制的已知标签总数是否等于已知标签：以上过程执行多轮，每轮抑制一些已知标签，标记一些未知标签，当抑制的已知标签总数等于已知标签时，余下的所有标签都标记为未知标签，即成功时隙数S和碰撞时隙数C同时为0，结束识别；当抑制的已知标签总数不等于已知标签时，表示还有已知标签未被抑制，转到步骤S1初始化清零，进行下一轮的识别。
具体地，步骤S4中判断每个时隙预期状态和标签实际响应的状态是否一致包括：对于时隙j，若V(j)＝1，识别过程中实际接收到一个或多个标签的回复，则表示该标签是已知标签，阅读器发送确认命令ACKS来抑制其响应；若V(j)＝0，识别过程中实际接收到一个或多个标签的回复，则表示该标签是未知标签，并且进行标记，阅读器发送未确认命令NACK让标签保持活跃状态进入下一轮识别；其余情况下，时隙中包含已知标签和未知标签，无法进行识别，也发送未确认命令NACK让标签保持活跃状态进入下一轮识别。
对于N大于1的冲突时隙的标签，冲突时隙进行第二次哈希映射构造附加向量，对得到的附加向量结果进行判断，用来更新哈希映射向量V。具体包括如下步骤：
S31进行第二次哈希映射构造附加向量：对于冲突时隙x，若该时隙的计数器Nx＝k，则将附加向量的长度设置为k，该时隙内的冲突标签通过另一个随机种子R2进行哈希映射到附加向量A的相应位置；若阅读器没有接收到标签的回复，则说明当前时隙为空闲时隙，并将A的相应位置设置为“0”；若阅读器接收到标签的回复且无碰撞发送，则表示成功识别该标签，并将A的相应位置为“1”；若阅读器接收到标签的回复且发生碰撞，则表示当前时隙内有多个标签同时响应，并将A的相应位置设置为“2”。
S32判断附加向量中相应位置的值是否相同：若附加向量A中各位置的值相同且唯一，则表示该时隙是可协调的冲突时隙，并且进行相应的标签识别；否则该时隙不可协调，转到步骤S1初始化清零，参与下一轮的识别。
图2示出了根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别方法用于识别10个标签的具体步骤，其中，包括6个已知标签(t1～t6)和4个未知标签(tu1～tu4)。该实施例的方法具体包括：
步骤1：初始化清零：哈希映射向量V、附加向量A、时隙计数器N、空闲时隙数E、碰撞时隙数C以及成功时隙数S均设置为零。
步骤2：阅读器向其工作域内的标签广播查询命令，标签收到命令后通过随机种子R1进行哈希映射到哈希映射向量V的相应位置，并且统计标签映射到对应时隙的数量N。
步骤3：阅读器接收待识别标签的响应，对于任意时隙j，若标签映射到该时隙，则时隙计数器Nj＝Nj+1；
在时隙1、4和5中，阅读器没有接收到标签的回复，时隙1、4和5为空时隙，则将哈希映射向量相应位置V(1)、V(4)、V(5)设置为“0”，且空闲时隙数E＝E+1；
在时隙2中，阅读器接收到三个标签t1、t3和t5的回复且发生碰撞，时隙2为冲突时隙，则将哈希向量相应位置V(2)设置为“3”且碰撞时隙数C＝C+1；
在时隙3中，阅读器接收到两个标签t2和t6的回复且发生碰撞，时隙3为冲突时隙，则将哈希向量相应位置V(3)设置为“2”且C＝C+1；
在时隙6中，阅读器收到一个标签t4的回复且无碰撞发生，时隙6为单一时隙，则将哈希映射向量相应位置V(6)设置为“1”且成功时隙数S＝S+1。
步骤4：判断帧的各时隙的预期状态和标签实际响应的状态，对于任意时隙j；
在时隙1中V(1)＝0，识别过程中实际没有收到任何标签的回复，则直接跳过该时隙，进行下一个时隙的判断；
在时隙2中V(2)＝3，识别过程中实际收到四个标签的回复，则该时隙既含有已知标签t1、t3、t5又含有未知标签tu3，阅读器发送未确认命令NACK让标签保持活跃状态进入下一轮识别；
在时隙3中V(3)＝2，识别过程中实际收到两个标签的回复，则该时隙内的标签t2、t6都是已知标签，让标签保持活跃状态进入下一轮识别；
在时隙4中V(4)＝0，识别过程中实际收到一个标签的回复，则该时隙内含有一个未知标签tu2并进行标记；
在时隙5中V(5)＝0，识别过程中实际收到两个标签的回复，则该时隙内的标签都是未知标签tu1、tu4，让标签保持活跃状态进入下一轮识别；
在时隙6中V(6)＝1，识别过程中实际收到一个标签回复，则该时隙内含有一个已知标签t4，阅读器发送确认命令ACKS来抑制其响应，并在接下来的识别中保持抑制。
步骤5：判断成功时隙数S、碰撞时隙数C是否同时为0，若是，则整个识别过程结束；否则对于冲突时隙的标签，根据另一个随机种子R2进行第二次哈希映射到附加向量A，根据附加向量映射的结果来更新哈希映射向量V，判断过程如下：
对于冲突时隙2，该时隙的计数器N2＝4，则将附加向量的长度设置为4，该时隙内的冲突标签通过随机种子R2进行哈希映射到附加向量A的相应位置，得到映射结果为“1111”，映射结果各位置的值相同且唯一，则表示该时隙2是可协调的冲突时隙，并且进行相应的识别；
对于冲突时隙3，该时隙的计数器N3＝2，则将附加向量的长度设置为2，该时隙内的冲突标签通过随机种子R2进行哈希映射到附加向量A的相应位置，得到映射结果为“20”，映射结果各位置的值相同且唯一，则表示该时隙3是不可协调的冲突时隙，并参与下一轮的识别；
对于冲突时隙5，该时隙的计数器N5＝2，则将附加向量的长度设置为2，该时隙内的冲突标签通过随机种子R2进行哈希映射到附加向量A的相应位置，得到映射结果为“11”，映射结果各位置的值相同且唯一，则表示该时隙5是可协调的冲突时隙，并且进行相应的识别。
步骤6：重复执行上述步骤1～5，每轮重复执行均抑制已知标签，标记未知标签，直到抑制的已知标签总数等于已知标签时终止，余下的所有标签都标记为未知标签。阅读器判断出所有标签均被成功识别，整个识别过程结束。本发明基于冲突时隙协调的未知标签识别方法能够提高冲突时隙的利用率，从而减少所需的总时隙数，进一步提高了识别效率。
图3示出了根据本发明示例性实施例的基于冲突时隙协调的未知标签识别系统，其包括电子设备310(例如具备程序执行功能的计算机服务器、片上芯片等)和阅读器320；所述阅读器与电子设备310通信连接并用于向工作域内的待识别标签发送或接收信息(例如发送广播命令、读取标签中的信息等)；所述电子设备310包括至少一个处理器311，电源314，以及与所述至少一个处理器311通信连接的存储器312和输入输出接口313；所述存储器312存储有可被所述至少一个处理器311执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器311执行，以使所述至少一个处理器311能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述输入输出接口313可以包括用于连接阅读器、显示器、键盘、鼠标、USB等设备的有线或无线通信接口，以传输数据和信号；电源314用于为电子设备310提供电能。
图4至图7示出了本发明方法和系统与现有未知标签识别系统的比较，从图中可以看出，本发明在在已知标签数变化时总的执行时间、不同未知标签变化比率上总执行时间、时间效率(n个成功时隙所需的时间/识别n个标签所需的总时间)、以及总时隙数上的优势。其中，用BUIP表示基本的未知标签识别方法，HUTI表示高密度的未知标签识别方法，LUTI表示低密度的未知标签识别方法，FUTI表示基于过滤的未知标签识别方法，BTUTI表示根据本发明优选实施例的未知标签识别方法。
表一给出了根据本发明优选实施例的未知标签识别方法与现有未知标签识别方法在时间效率和总时隙数上的优势，可以看到BTUTI在时间效率上相比FUTI有86.67％的提升；表二给出了在已知标签数变化时，本发明方法与现有未知标签识别方法在总时隙数上的优势，可以看到本发明方法是现有方法中所需总时隙数最少的。
表一
算法类别 时间效率 提升百分比
BUIP 0.12 -
HUTI 0.19 36.84％
LUTI 0.42 71.42％
FUTI 0.58 79.31％
BTUTI 0.9 86.67％
表二
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于冲突时隙协调的未知标签识别方法，其特征在于，所述未知标签识别方法包括以下步骤：
通过阅读器获取其识别范围内的标签信息，根据给定帧长对标签进行第一次时隙帧匹配识别，由于阅读器预先知道其识别范围内的已知标签，通过时隙帧匹配识别的结果得到每个时隙的状态；
对于预期单一时隙的标签，若实际映射结果依旧是单一时隙，说明是已知标签，通过向标签发送命令进行抑制，防止对未知标签的干扰；对于预期空闲时隙的标签，若实际映射结果变为单一时隙，说明是未知标签，对标签进行识别；
对于预期冲突时隙的标签，通过位跟踪的方法判断其与哪些标签发生了碰撞，并进行第二次时隙帧匹配识别；若发生冲突的标签匹配的结果是唯一不同的值，则表明其是可以协调的冲突时隙，进行标签识别；若发生冲突的标签匹配的结果有相同的值，则表明其是不可协调的冲突时隙，设置为参与下一轮的识别；
重复执行上述步骤，直至识别范围内的标签全部识别完毕；
进一步包括初始化清零的步骤：将哈希映射向量V、附加向量A、时隙计数器N、空闲时隙数E、碰撞时隙数C以及成功时隙数S设置为零；
进一步包括向待识别标签广播命令并进行第一哈希映射的步骤：阅读器向其工作域内的待识别标签广播命令，标签收到命令后，通过随机种子进行第一哈希映射到哈希映射向量的相应位置；
进一步包括判断每个时隙计数器的值的步骤：阅读器接收待识别标签的响应，对于任意时隙j，若标签映射到该时隙，则时隙计数器Nj＝Nj+1；判断每个时隙计数器的值：若N＝0，则表示阅读器没有接收到标签的回复，当前时隙为空闲时隙，空闲时隙数E＝E+1且哈希映射向量V(j)＝0；若N＝1，则表示阅读器接收到标签的回复且无碰撞发生，当前时隙只有一个标签响应，成功时隙数S＝S+1且V(j)＝1；若N＝k且k大于1，则表示阅读器接收到标签的回复且发生碰撞，当前时隙内有多个标签同时响应，碰撞时隙数C＝C+1且V(j)＝k；
进一步包括：对于时隙计数器大于一的冲突时隙的标签，冲突时隙进行第二次哈希映射构造附加向量，对得到的附加向量结果进行判断，用来更新哈希映射向量；
进一步包括：对于冲突时隙x，若该时隙的计数器Nx＝k，则将附加向量的长度设置为k，该时隙内的冲突标签通过另一个随机种子进行哈希映射到附加向量A的相应位置；若阅读器没有接收到标签的回复，则说明当前时隙为空闲时隙，并将A的相应位置设置为0；若阅读器接收到标签的回复且无碰撞发送，则表示成功识别该标签，并将A的相应位置为1；若阅读器接收到标签的回复且发生碰撞，则表示当前时隙内有多个标签同时响应，并将A的相应位置设置为2；
判断附加向量中相应位置的值是否相同：若附加向量A中各位置的值相同且唯一，则表示该时隙是可协调的冲突时隙，并且进行相应的标签识别；否则该时隙不可协调，转到初始化清零的步骤，参与下一轮的识别。
2.根据权利要求1所述的未知标签识别方法，其特征在于，进一步包括判断每个时隙的预期和实际响应是否一致的步骤：如果预期为单时隙实际却为碰撞时隙，则存在未知标签，阅读器发送未确认命令NACK，让标签保持活动状态，并转到初始化清零的步骤继续参与下一轮响应；如果预期为单时隙实际也是单时隙，则这个响应的标签为已知标签，阅读器发送确认命令ACKS来抑制其响应。
3.根据权利要求2所述的未知标签识别方法，其特征在于，进一步包括判断抑制的已知标签总数是否等于已知标签的步骤：当抑制的已知标签总数等于已知标签时，余下的所有标签都标记为未知标签，结束识别；当抑制的已知标签总数不等于已知标签时，表示还有已知标签未被抑制，转到初始化清零的步骤，进行下一轮的识别。
4.根据权利要求3所述的未知标签识别方法，其特征在于，进一步包括：对于时隙j，若哈希映射向量V(j)＝1，识别过程中实际接收到一个或多个标签的回复，则表示该标签是已知标签，阅读器发送确认命令ACKS来抑制其响应；若V(j)＝0，识别过程中实际接收到一个或多个标签的回复，则表示该标签是未知标签，并且进行标记，阅读器发送未确认命令NACK让标签保持活跃状态进入下一轮识别；其余情况下，时隙中包含已知标签和未知标签，无法进行识别，也发送未确认命令NACK让标签保持活跃状态进入下一轮识别。
5.一种基于冲突时隙协调的未知标签识别系统，其特征在于，所述未知标签识别系统包括电子设备和阅读器；
所述阅读器与电子设备通信连接并用于向工作域内的待识别标签发送或接收信息；所述电子设备包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至4中任一项所述的方法。
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