CN117812749B - 一种信号占空比无线接入防碰撞方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低功耗无线通信技术领域，尤其涉及一种信号占空比无线接入防碰撞方法。通过利用“最佳工作信道信号占空比原理”，进行实测或计算机仿真，得到一个用于一般电子标签的“最佳工作信道信号占空比”B和与最佳单位时间标签采集数M。利用这两个常数值，通过调整盘点时间窗口保持B值不变，就可以对任意数量的电子标签，以最高效和最快的方式完成标签的盘点。不仅简化了海量电子标签的接入过程，还提高了接入速度和效率，同时还降低了电子标签的功耗和提高了频率资源的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及低功耗无线通信技术领域，尤其涉及一种信号占空比无线接入防碰撞方法。
背景技术
随着信息革命的快速推进，以及越来越广泛的低功耗无线通信技术的应用，海量无线信号的接入和防碰撞技术变得越来越重要。它直接影响到通信效率、时间、功耗以及无线通信频率资源的占用。它涉及当今随处可见的海量电子标签的盘点，仓库物资盘点，人员自动清点等，特别是对清点时间有一定要求的车流量实时信息采集，以及进出门禁人流的盘点管理等。
现有的RFID信号接入和防碰撞技术，主要采用的是时隙Aloha和二进制接入防碰撞技术，包括现有有源RFID国际标准(ISO-18000-7或称美军标)以及中国国家标准等。这两种基本技术都存在接入过程相对复杂，效率低，接入时间长等缺陷。特别是对有源电子标签来讲，还存在功耗高，且根本无法解决快速移动的车流，人流以及物资流的快速清点难题，因而不能满足物联网产业应用的普遍需要。显然，寻找一种简单高效海量电子标签信号接入防碰撞技术就变得非常有意义了。
美国工程师们成立了一个Dash-7组织，旨在改进ISO-18000-7国际标准的工作方法。他们提出了以CSMA来代替现有的时隙Aloha的信号防碰撞接入方式，但他们对如何具体实施CSMA接入，例如当探测到信道被占用时如何延时来规避碰撞并没提出一种具体的解决方法，而如何延时来减少信号碰撞直接影响到海量电子标签的接入效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种信号占空比无线接入防碰撞方法，旨在解决上述全部或部分技术问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供一种信号占空比无线接入防碰撞方法，包括：
采用一个电子标签读写器和L个采用周期性睡眠，随机苏醒后监听信号或发射信号的电子标签，以及一个在所述电子标签读写器和所述电子标签之间进行无线通信连接的无线通信信道；所述读写器用于采集每个电子标签的身份ID信息及其相关信息；
当电子标签与所述电子标签读写器进行通信时，发射一次信号占用通信信道的时间▽t，在两者通信过程中固定不变，所有这些电子标签随机苏醒监听或发射信号的时刻，在统计学上随机均匀分布在长短为T的一段时间内，且 T/▽t>100；
针对一组给定数量为L的电子标签，采用CSMA防碰撞接入方式，在T时间段内每个电子标签只有一次发射信号机会的所述电子标签，通过实验测试或计算机仿真，确认统计学意义上的最佳信号占空比常数B，以及对应的最佳单位时间内成功采集的标签常数值M，根据所述常数值M，计算出读写器完成对这L个电子标签ID信息采集所需的最短时间TB=L/M。
作为一种实施方式，采用多轮接入的方式，且每一轮接入都将按照保证B值不变的方式进行；随着每轮接入后余下未接入的电子标签数量的减少，根据上一轮接入后计算所得的余下电子标签的数量，动态调整所述电子标签信号发射随机分布区的时间长度T，以使B值尽可能保持不变。
作为一种实施方式，对于给定数量L的所述电子标签，在进入最佳信号占空比状态之前，有一个基础的睡眠苏醒监听周期t，根据已知的B值，通过将原来的电子标睡眠苏醒周期t乘以一个整数值k，通过公式T0 =k*t =L/B，其中，k为缩放系数、t为睡眠苏醒监听周期、L为电子标签数量、B为最佳占空比常数，以使所述电子标签在先后接收到盘点指令向读写器返回ID信号时，处于最佳信号占空比状态；读写器在向所述电子标签广播盘点指令的同时，通过在每个指令信号包中嵌入该指令信号包发射时来自读写器的一个同步时间，使得先后接收到盘点指令的每一个电子标签，都有一个从读写器发送第一个指令信号包开始计算的统一相对时间ti，和经过调整后的睡眠苏醒时间ti k= ti*k，以使所述电子标签在睡眠苏醒后收到读写器ID采集指令，并采用CSMA先监听后发射的方式向读写器返回信号时，不改变原有电子标签发射信号的随机分布状态。
作为一种实施方式，当所述电子标签按照最佳信号占空比要求，将每个电子标签发射信号的时刻ti乘以缩放系数k以后，再加上一个基于所述电子标签彼此之间差异产生的一个微小随机性延时，将原来处于碰撞状态标签的发射时间分散开，使它们的信号发射时间，在整个信号发射分布时间区间内，处于随机均匀分布的状态。
作为一种实施方式，在每一轮 CSMA 接入时，发现信道被占用后需要进入下一轮再发射的电子标签，将按照从低位到高位的次序，包括自身ID 最低3个比特位的数值、最末一个比特位算起的最低3个比特位的数值、除去最后两个比特位后算起的3个比特位数值，通过乘以一个延时基数的方式，得到每一轮需要的随机性延时。
作为一种实施方式，在所述电子标签每一轮接入过程中，每一个需要发射信号的电子标签，只有不超过一次发射 ID 信号的机会。
作为一种实施方式，当经过若干轮盘点后，使得剩余电子标签数量L小于一定数值时，在新一轮盘点中，除了T不再改变外，剩余电子标签在采用CSMA监听发射信号之前，还在原有苏醒时间上加上一个微小时延。
作为一种实施方式，对k或b值进行调整的方法被配置为：调整增加m值，使其接近M，并将k值调大或b值调小后来观查m值的变化，其中，b为接入信号占空比。
本发明的首要改进之处：不仅简化了海量电子标签的接入过程，还提高了接入速度和效率，同时还降低了电子标签的功耗和提高了频率资源的利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明一实施例提供的电子标签的随机分布状态示意图；
图2是本发明一实施例提供的随机苏醒的电子标签动态授权过程单元示意图；
图3是本发明一实施例提供的电子标签从ID低端算起3个比特位数值差异产生的随机延时示意图；
图4是本发明一实施例通过按比例减小T值以保证B值不变的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
“最佳信号占空比原理”，是一种基于统计学概念的无线信号防碰撞原理。首先假定：需要接入的所有电子标签具有相同的睡眠苏醒周期，每个电子标签周期性睡眠后的苏醒时刻ti(ti是从这组海量电子标签一个周期性睡眠，或读写器发射第一个工作指令信号包开始计时的相对时间)，在电子标签整个睡眠苏醒周期T的时间段内，在统计学上可以认为是随机均匀分布的。
其次，所有电子标签发射一个ID信号包所占用无线通信信道的时间▽t 都是相同的，且在整个接入过程中固定不变。将所有电子标签发射一次信号占用通信信道的时间总和( ∑▽t)，与所有电子标签信号发射随机均匀分部的整个时间段Tk的比值，称为接入信号占空比，并以b表示，b =( ∑▽t) /Tk。这个比值可以大于1也可小于1。显然，比值越大，电子标签信号发生碰撞的概率就越大，反之则越小。为了减少非统计学边界因素的影响，这里Tk /▽t 应设定一个最小的限值，具体数值大小可通过试验而定，这里暂定Tk /▽t>100。
当将这些随机苏醒的电子标签的苏醒时刻ti以及其睡眠苏醒周期T，乘以任意一个固定的正数值k后，得到一个新的电子标签信号监听或发射随机分布区，简称信号随机分布区，并以Tk表示，即Tk =T*k；而每个电子标签新的睡眠苏醒时刻ti k= ti * k。这些新的标签苏醒时刻在新的信号随机分布区Tk内，仍然是随机均匀分布的。同样，当这些电子标签在苏醒时刻接收到来自读写器的盘点指令，立即向读写器返回ID信号时，其所发射信号在时间上的分布也是随机均匀分布的，且可以认为它们等同于Tk和ti k；这里的k称作为信号随机分布缩放系数，如图1所示。
当读写器向随机苏醒后监听信号的电子标签，不间断重复广播采集它们ID 的一个序列命令信号包时，通过在每个命令信号包中，嵌入发射该命令包时来自读写器的同步时钟信息，或通过在这个序列命令信号包的每个信号包中，按发射先后次序嵌入一个命令包序列编号的方式，来给随机苏醒的每个电子标签进行“动态授时”，如图2所示。使每个电子标签在接收到这个命令包序列中任意一个信号包的同时，就获得了统一同步时间ti。
进一步的，对于给定数量L的一组电子标签而言，读写器还可在向该组所有随机苏醒的电子标签下达盘点指令的同时，要求每个电子标签将自己获得的这个统一同步时间，乘以一个信号随机分布缩放系数k，来改变电子标签在利用读写器安排的某个通信信道上，向读写器返还ID 信号时的信号占空比b的值。
进一步的，这组电子标签中每个电子标签的▽t 相同，且不变，Tk 值也不变，则b就与该组内电子标签的数量L成正比。同样，如果▽t 相同，且发射信号的标签总数L不变，则b就与Tk成反比。也就是说既可以通过改变这组电子标签的数量L来改变这个占空比，也可以通过调整Tk的方式来改变这个占空比，当然我们也可通过增加或减少每个电子标签在T时间内发射ID 信号的次数，或改变每个电子标签的▽t 来改变这个占空比。
进一步的，针对一组数量L和▽t 都固定不变的电子标签，通过调整k的 大小来改变它们信号随机分布区T的大小，得到不同大小的Tk值和工作信道信号占空比b，然后通过反复多次对每一种占空比b值，进行统计测试，得到一个在给定占空比b 值条件下，单位时间内读写器成功采集到的标签ID数量的一个统计值，这个值定义为单位时间盘点值，并以m表示。每一轮盘点，读写器成功采集到的标签总数=m*Tk。这样就可根据不同占空比b值测得的不同结果，找出“最佳单位时间盘点值”M和与之对应的信号随机分布区的宽度T0以及“最佳信号占空比”B。
进一步的，对于▽t相同的任意数量的一组电子标签而言，只要它们的▽t 不变(它们的信号包长度与通信速率的比值不变)，B和M就都是固定不变的值。而且这两个值只随▽t /T0 的变化发生有限微小的变化，只要▽t /T0足够小，就可以假定这种变化可以忽略不计，B和M也就具有通用性。
进一步的，在整个接入过程中，只要保持b =B不变, 每一轮接入都能得到最佳盘点结果M；根据这个M值，针对任意一组预估或给定数量为L的彼此相同的电子标签，就能计算出盘点完所有这些电子标签，读写器至少需要的最短盘点时间：TM= L/M长的时间。
经过一次盘点后，剩余需要再盘点的标签数量L1与盘点前标签的数量L的比值L1/L0= T1/ T0= K；
T1=K* T0；
B = L0*▽t /T0= L1*▽t /T1= Ln *▽t /Tn；
K = T1/ T0= L1*▽t / (B* T0)= (L0-M*T0) /L0= 1- M/ B；
T1= K * T0= L1*▽t /B = (L0-M*T0)*▽t /B = (1- M/B)*T0；
Tn/Tn-1= Ln*▽t / (B*Tn-1)= (Ln-1 - M*Tn-1)*▽t /Ln-1= (Ln-1 - M*Tn-1) / Ln-1= K；
Ln/ Ln-1；
Ln=K*Ln-1=Kn*L0；
Tn=K*Tn-1=Kn*T0；这里L 是每次盘点时标签的总数 (已知或预估) 。
需要说明的是，这里的K值是理想值。当实际使用的缩放系数k>K时，意味着单位时间内标签发射的ID信号的占空比b变小，信号碰撞机会变小，ID 信号采集成功率增加，但总盘点时间将变长；相反，实际采用的k值越小，意味着信号占空比b加大，信号碰撞机会增加，ID 信号采集成功率降低，总的盘点时间也会变长。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，具体的：
针对一组给定数量L的已知电子标签 (指▽t固定不变) ，通过实验测试或计算机仿真，找出它们的最佳信号占空比B，和对应的单位时间采集成功的标 签数量M，以及对应的该组电子标签ID信号随机分布的最佳时间宽度T, 计算得到理想信号发射周期缩放系数K=1 - M/ B。
预估需要盘点的标签总数L0，根据已知的B值，计算出T0使得T0=L0/B 利用计算得到的理想缩放系数K以及T0。开始进行第一轮标签盘点：在读写器向标签下达盘点指令的同时，读写器将向所有的标签进行动态授时，如图4所示，这些标签将采用CSMA先监听后发射的方式。
由于通常情况下，对于数量为L 需要接入的电子标签而言，其原有的睡眠苏醒周期t，一般都与最佳占空比所需要的信号随机分布区的时间宽度T 不相 匹配。因此，需要根据标签原始睡眠苏醒周期和B值，计算出第一轮盘点时， 每个标签发射信号前按照最佳工作信道信号占空比的要求，计算出K1，得到新的信号随机分布时间T0=K1*t ,同时将每个标签的苏醒时间ti乘以K1得到ti0，再加上一个根据标签彼此间差异产生的一个微小随机延时后，(注意这里的微小随机延时的产生可以有多种方式。例如，利用标签间ID的差异来产生不同的微小随机延时。这里我们将采用标签ID字节最低端3个比特位的数值 (变化范围从0-7)乘以一个延时基数，例如5ms) 再按CSMA方式发射第一轮信号，如图3所示。
那些在第一轮发射信号时，监听到信道已被占用，需要延时进入第二轮，CSMA 监听再发射过程以前，需要将自己的ti0 时间乘以标准K值(得到一个新的ti1)再加上一个(T0- ti0)和第二个利用标签自身ID 低端位数字得到的微小随机时延，(这里需要说明的是，这第二个微小随机延时，将采用标签自身ID 除最低端一位外的最后三个比特位数值乘以一个延时基数)，后再采用CSMA方式进行第二轮发射。同样，如果在第二轮发射信号前，仍然监听到信道被占用，则可进入第三轮CSMA 发射过程，这其中包括乘以K后得到一个新的T2和ti2 值再加加上 (T1- ti1) 和第三个微小随机延时方式，只不过第三次随机微小延时的计算，将利用标签ID从最低端第三个比特位开始往上计数的3 个比特位数值乘以5ms,以此类推。这里T'n=K*Tn-1、ti n=K*ti n-1。
当Tn 小于一个特定的数值时，例如Tn/▽t<100，不需再进行缩放，但标签采用CSMA 方式进入新一轮接入时，其原来监听信号的时间ti n，仍需按照第4条的方式，加上按照新的3个比特位数值计算得到的不同微小随机延时，然后再走CSMA过程，并查看盘点结果，确认已无ID 信号时，停止盘点。
考虑到预估标签总数产生的误差，以及其他原因导致的误差，在实际盘点过程中，根据每一轮盘点结果的m与理论计算结果M的差异，来对k或b值进行调整，目的是增加m的值使其尽可能接近M。一般情况下应先将k 值调大或b值调小后来观查m 值的变化。对为了保险起见，在盘点时间要求比较宽松的情况下，我们宁愿采用较大一点的k 值来进行盘点。特别是在多轮盘点的后期。
本发明一实施例提供的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，通过利用“最佳工作信道信号占空比原理”，进行实测或计算机仿真，得到一个可用于一般电子标签的“最佳工作信道信号占空比”B和与最佳单位时间标签采集数M。利用这两个常数值，通过调整盘点时间窗口保持B值不变，就可以对任意数量的电子标签，以最高效和最快的方式完成标签的盘点。不仅简化了海量电子标签的接入过程，还提高了接入速度和效率，同时还降低了电子标签的功耗和提高了频率资源的利用效率。
以上对本发明实施例所提供的一种信号占空比无线接入防碰撞方法。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
Claims (7)
1.一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，包括：
采用一个电子标签读写器和L个采用周期性睡眠，随机苏醒后监听信号或发射信号的电子标签，以及一个在所述电子标签读写器和所述电子标签之间进行无线通信连接的无线通信信道；所述读写器用于采集每个电子标签的身份ID信息及其相关信息；
当电子标签与所述电子标签读写器进行通信时，发射一次信号占用通信信道的时间▽t，在两者通信过程中固定不变，所有这些电子标签随机苏醒监听或发射信号的时刻，在统计学上随机均匀分布在长短为T的一段时间内，且 T/▽t > 100；
针对一组给定数量为L的电子标签，采用CSMA防碰撞接入方式，在T时间段内每个电子标签最多只有一次发射信号机会的所述电子标签，通过实验测试或计算机仿真，确认统计学意义上的最佳信号占空比常数B，以及对应的最佳单位时间内成功采集的标签常数值M，根据所述常数值M，计算出读写器完成对这L个电子标签ID信息采集所需的最短时间TB=L/M；
对于给定数量L的所述电子标签，在进入最佳信号占空比状态之前，有一个基础的睡眠苏醒监听周期t，通过将原来的电子标睡眠苏醒周期t乘以一个整数值k，通过公式T0 =k*t=L/B，其中，k为缩放系数，以使所述电子标签在先后接收到盘点指令向读写器返回ID信号时，处于最佳信号占空比状态；读写器在向所述电子标签广播盘点指令的同时，通过在每个指令信号包中嵌入该指令信号包发射时来自读写器的一个同步时间，使得先后接收到盘点指令的每一个电子标签，都有一个从读写器发送第一个指令信号包开始计算的统一相对时间ti，和经过调整后的睡眠苏醒时间ti k= ti*k，以使所述电子标签在睡眠苏醒后收到读写器ID采集指令，并采用CSMA先监听后发射的方式向读写器返回信号时，不改变原有电子标签发射信号的随机分布状态。
2.根据权利要求1所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，采用多轮接入的方式，且每一轮接入都将按照保证B值不变的方式进行；随着每轮接入后余下未接入的电子标签数量的减少，根据上一轮接入后计算所得的余下电子标签的数量，动态调整所述电子标签信号发射随机分布区的时间长度T，以使B值保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，还包括：
当所述电子标签按照最佳信号占空比要求，将每个电子标签发射信号的时刻ti乘以缩放系数k以后，再加上一个基于所述电子标签彼此之间差异产生的一个微小随机性延时，将原来处于碰撞状态标签的发射时间分散开，使它们的信号发射时间，在整个信号发射分布时间区间内，处于随机均匀分布的状态。
4.根据权利要求3所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，在每一轮CSMA 接入时，发现信道被占用后需要进入下一轮再发射的电子标签，将按照从低位到高位的次序，包括自身ID 最低3个比特位的数值、最末一个比特位算起的最低3个比特位的数值、除去最后两个比特位后算起的3个比特位数值，通过乘以一个延时基数的方式，得到每一轮需要的随机性延时。
5.根据权利要求4所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，在所述电子标签每一轮接入过程中，每一个需要发射信号的电子标签，只有不超过一次发射 ID 信号的机会。
6.根据权利要求5所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，包括：
当经过若干轮盘点后，使得剩余电子标签数量L小于一定数值时，在新一轮盘点中，除了T不再改变外，剩余电子标签在采用CSMA监听发射信号之前，还在原有苏醒时间上加上一个微小时延。
7.根据权利要求6所述的一种信号占空比无线接入防碰撞方法，其特征在于，对k或b值进行调整的方法被配置为：调整增加m值，使其接近M，并将k值调大或b值调小后来观查m值的变化，其中，b为接入信号占空比。
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