CN118133855A

CN118133855A - 一种裂变时隙搜索树防碰撞方法

Info

Publication number: CN118133855A
Application number: CN202410403217.0A
Authority: CN
Inventors: 莫磊; 王雷涛; 朱静; 梁颖; 黄祖建
Original assignee: Chengdu Aeronautic Polytechnic
Current assignee: Chengdu Aeronautic Polytechnic
Priority date: 2024-04-03
Filing date: 2024-04-03
Publication date: 2024-06-04

Abstract

本发明公开了一种裂变时隙搜索树防碰撞方法，涉及射频识别技术领域。本发明充分利用了裂变时隙及全标签搜索的优势，采用累加代数和求最高碰撞位位置法，并和时隙寄存器相结合，没有任何空闲时隙，各标签根据时隙值在相应时隙返回最高碰撞位以后的数据比特位，大大减少了通信数据复杂度，有效提高了RFID系统识别标签的效率。

Description

一种裂变时隙搜索树防碰撞方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，具体的说，是一种裂变时隙搜索树防碰撞方法。。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触自动识别技术，是一种物联网感知层的关键技术。典型的RFID系统通常由电子标签、阅读器和服务器组成，阅读器主要负责和标签的双向通信，标签之间不能直接通信，只能根据阅读器的命令发送相应的数据信息，由于一个阅读器只有一个信道，当多个标签同时向阅读器发送数据时，就会产生相互干扰，这就是标签碰撞问题。如何解决标签碰撞问题，尽快识别标签，是RFID系统的关键问题，也是最重要的难题之一。

现有的RFID防碰撞方法，在标签数量较大时，其标签识别速度仍难以满足现实要求，严重制约了RFID技术的发展。现有的防碰撞方法可分为两类：基于ALOHA协议的随机方法和基于树形搜索的确定方法。树形搜索方法又包括二叉树搜索方法、多叉树搜索方法和二叉树多叉树混合方法。ALOHA方法较简单，识别速度较快，但存在较多的空闲时隙，存在错判、误判现象，存在标签饥饿问题，且随着标签数量的增大，性能急剧恶化；搜索树方法没有标签饥饿问题，但方法比较复杂、识别时间较长；二叉树搜索分裂速率较低，存在较多的碰撞时隙，难以有效提高搜索效率；多叉树防碰撞方法具有分裂速率快，碰撞时隙少的优点，但存在空闲时隙问题，为了减少或避免空闲时隙，部分学者提出了对多叉树碰撞位进行查询的方法，但这又增加了查询时隙；有人提出ALOHA 和树形搜索混合方法，但仍存在空闲时隙、碰撞时隙和查询时隙等问题。

对此，在现有的树形搜索防碰撞方法的基础上，进行了改进，提出了裂变时隙搜索树 (Fission Time-slot search tree, FTS) 防碰撞方法，不同的标签在不同的时隙向阅读器发送数据，随着搜索次数的增加，时隙呈裂变式增长，且没有任何空闲时隙和查询时隙，大大减小了搜索次数，降低了通信复杂度，提高了搜索效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裂变时隙搜索树防碰撞方法，已解决现有的防碰撞方法在大数据量时搜索次数多，通讯数据复杂的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术手段：

一种裂变时隙搜索树防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.阅读器发送初始搜索命令REQ(NULL)；

S2.所有标签响应命令，并同时返回完整的标签ID数据给阅读器，同时，初始化时隙寄存器R的时隙值为:r=1；

S3.在阅读器中判断是否发生碰撞，若碰撞位个数不超过1个，C₁=‘Y’，进入步骤S9；若碰撞位个数大于1个，进入步骤S4；

S4.设最高碰撞位为第H位，则C₁=H，阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ（C₁）；

S5.所有标签响应命令，ID第C₁位为‘1’的标签更新时隙寄存器R的r值为2；标签R寄存器更新后，时隙值为1的标签在第1个时隙向阅读器发送标签ID第C₁位以后的数据比特位；时隙值为2的标签在第2个时隙向阅读器发送标签ID第C₁位以后的数据比特位；

S6.阅读器在各时隙接收数据，先接收并处理第1个时隙数据，再依次接收并处理其它时隙数据，若碰撞位个数不超过1个，则识别标签，C_k=‘Y’，进入步骤S9；若有一个以上的碰撞位，设最高碰撞位为第H_k位,C为C₁、C₂…C_k-1中除‘Y’以外的代数和，则C_k=H_k-C；

S7.若接收处理的数据不是最后一个时隙的数据，返回步骤S6；

若接收处理的数据是最后一个时隙的数据，则当所有时隙的C_k=‘Y’时，所有标签已识别，搜索结束，当有某时隙的C_k≠‘Y’时,阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ(C₁;C₂;C₃;…;C_v)，其中，C_v是最高一个不是‘Y’的符号数，后面时隙接收到的数据由于标签已被识别，阅读器命令参数中不再发送C_k(k>v)；

S8.未进入休眠状态的所有标签响应命令，若时隙值为r的标签，接收到的前r个数据有q个‘Y’，剩余的r-q个数据的代数和为C，则时隙寄存器R更新r值，标签R寄存器更新后，时隙值为r的标签在第r个时隙向阅读器发送标签ID第C位以后的数据比特位。进入步骤S6；

S9.阅读器对标签进行数据读写和去活化处理，标签转入休眠状态，不再响应阅读器命令，返回步骤S7；

‘Y’码为数据比特位中间没有跳变且为低电平的状态。

作为优选的，在步骤S8中，时隙寄存器R更新r的方法为：时隙值为r，ID第C位为‘0’的标签更新时隙寄存器R的r值为：2r-2q-1；时隙值为r，ID第C位为‘1’的标签更新时隙寄存器R的r值为：2r-2q。

本发明在使用的过程中，具有以下有益效果：

（1）极大减少了搜索次数，特别是在标签数量较大的情况下，搜索次数更是远远低于其它方法。

（2）减少了阅读器和标签间的通信比特数，减少了通信复杂度。

（3）在RFID防碰撞方法中，在搜索过程中，如果标签未被识别，则搜索时隙不断裂变，呈指数式增长，随着更多的标签被识别，搜索时隙又不断减少，直到所有标签都被识别。

（4）没有任何空闲时隙，没有任何查询时隙，无额外时隙消耗。

（5）在曼彻斯特码应用中，提出‘Y’码的概念，并把它用于防碰撞方法中，大大提高了防碰撞方法搜索效率。

（6）在阅读器命令中，利用了裂变时隙方法的特点，采用数据序列累加值求最高碰撞位的位置，减少了阅读器发送数据通信复杂度。

（7）在标签中设置时隙寄存器，标签分时隙发送数据给阅读器。

（8）巧妙利用阅读器发送数据及数量和‘Y’码，对时隙值进行实时更新。

附图说明

图1为本发明搜索次数比较图。

图2为本发明通信数据比特数比较图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

S1.阅读器发送初始搜索命令REQ(NULL)；

‘Y’码为曼彻斯特码中数据比特位中间没有跳变且为低电平的状态。

在本实施例中标签中设置时隙寄存器R,R中存储时隙值r，标签更新R后，在第r个时隙发送标签ID数据给阅读器。

假设标签ID的长度为U,按位表示为(1,2,3,…,U)。

另外，对于命令的描述为：

REQ(NULL)：初始搜索命令，所有标签返回完整ID数据给阅读器，所有标签的时隙寄存器R初始化为1。

REQ(C₁;C₂;C₃;…;C_k;…):裂变时隙搜索命令：C_k为Y码或带符号的二进制数，下标k表示第k个数据，若时隙值为r的标签，接收到的前r个数据有q个‘Y’，剩余的r-q个数据的代数和为C,则时隙寄存器R更新r值,更新方法为：时隙值为r，ID第C位为‘0’的标签更新时隙寄存器R的新r值为：2r-2q-1；时隙值为r，ID第C位为‘1’的标签更新时隙寄存器R的新r值为：2r-2q。标签R寄存器更新后，时隙值为r的标签在第r个时隙向阅读器发送标签ID第C位以后的数据比特位。

传统的搜索树防碰撞方法，一般都是部分标签响应阅读器命令。不同于传统的树形搜索响应方式，无空闲裂变时隙防碰撞方法每次搜索都是所有未识别标签响应阅读器命令,传统的ALOHA方法通常也是所有未识别标签响应命令，但存在误判、漏判及空闲时隙等情况，无空闲裂变时隙防碰撞方法不存在误判、漏判等情况，也无任何空闲时隙。

因而，基于本发明的方法，提出了基于裂变时隙的防碰撞方法，随着搜索次数的增加，每次搜索的时隙数呈裂变式增长，大大减少了搜索次数，特别是在标签数量较大的情况下，更是极大的减小了总搜索次数。阅读器发送命令中，没有采取传统的前缀搜索法，也没有采取前缀搜索基础上进一步改进的最高碰撞位位置和计数相结合法，本发明充分利用了裂变时隙及全标签搜索的优势，采用累加代数和求最高碰撞位位置法，并和时隙寄存器相结合，没有任何空闲时隙，各标签根据时隙值在相应时隙返回最高碰撞位以后的数据比特位，大大减少了通信数据复杂度，有效提高了RFID系统识别标签的效率。

基于本申请所涉及的防碰撞方法，每次搜索，未识别的所有标签都响应命令，随着搜索的进行，如果标签未被识别，则搜索时隙不断裂变，呈指数式增长，随着更多的标签被识别，搜索时隙又不断减少，直到所有标签都被识别。和传统的搜索树防碰撞方法相比，裂变时隙防碰撞方法大大减少了搜索次数，由于搜索命令本身也存在控制字节及检验冗余等开销，再加上命令转换也需要时间间隙，本发明减少了搜索次数，减少了搜索时间。

裂变时隙防碰撞方法设置时隙寄存器，根据不同的时隙值在不同的时隙发送数据，无任何空闲时隙，通过累加最高碰撞位数据序列进行树形搜索并确定时隙值，不同于传统的通过最高碰撞位及计数等方法来搜索标签，裂变时隙防碰撞方法通过累加数据序列得到最高碰撞位，再配合时隙值进行分时隙搜索，假设标签ID比特位是相互独立的随机值，则在同一次搜索中，各时隙的标签数据位具有相近的最高碰撞位概率，则各相邻时隙最高碰撞位接近的概率较大，则裂变时隙搜索命令REQ(C₁;C₂;C₃;…;C_k;…)中，各C_k的值比较小的概率较大，减少了阅读器发送数据命令的通信复杂度；由于标签只返回最高碰撞位以后的数据比特位，减少了标签发送数据的通信复杂度，再加上搜索次数的减小，和传统的搜索树防碰撞方法相比，裂变时隙防碰撞方法大大减少了通信复杂度。

下面以一个具体实例进行说明：

假设有8个标签，ID号如表1所示：

第1次搜索，阅读器发送初始搜索命令，所有标签时隙值更新为‘1’，在第1时隙返回ID数据，阅读器接收数据为：“1XXXXXXXXX”，最高碰撞位为第2位。

第2次搜索，阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ(2),ID第2位为‘1’的标签时隙值更新为2，时隙值为1的标签A、C、D、F、G在第1时隙返回3~10位ID数据；时隙值为2的标签B、E、H在第2时隙返回3~10位ID数据,阅读器接收数据分别为“X1XX0XXX”和“XXXXXXXX”，最高碰撞位都是第3位，则C1=3,C2=3-3=0。

第3次搜索，阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ(3；0),原时隙值为1的标签：ID第3位为‘0’的标签A、D、F时隙值仍为1（2×1-1=1），ID第3位为‘1’的标签C、G时隙值更新为2（2×1=2）；原时隙值为2的标签：ID第（3+0）位为‘0’的标签B、H时隙值更新为3（2×2-1=3），ID第（3+0）位为‘1’的标签E时隙值更新为4（2×2=4）；时隙值更新后，各标签在相应时隙分别返回数据，阅读器在1~4时隙接收数据分别为“1XX0XXX”、“1X00100”、“XXXX10X”、“0101010”，第1时隙接收数据最高碰撞位为第5位,则C1=5；第2时隙接收数据只有1个碰撞位置，识别标签C和标签G,则C2=‘Y’;第3时隙接收数据最高碰撞位为第4位,则C3=4-5=-1；第4时隙接收数据无碰撞位，识别标签E。

第4次搜索，阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ(5;Y;-1),原时隙值为1的标签：ID第5位为‘0’的标签A、F时隙值仍为1（2×1-1=1），ID第5位为‘1’的标签D时隙值更新为2（2×1=2）；原时隙值为3的标签：ID第（5-1）位为‘0’的标签H时隙值更新为3（2×3-1×2-1=3），ID第（5-1）位为‘1’的标签B时隙值更新为3（2×3-1×2=4）；原时隙值为2和4的标签C、G、E已被识别，不再响应命令。时隙值更新后，各标签在相应时隙分别返回数据，阅读器在1~4时隙接收数据分别为“X0XX1”、“00100”、“110100”、“001101”，第1时隙接收数据最高碰撞位为第6位，则C1=6；第2、3、4时隙接收数据无碰撞位，分别识别标签D、H、B。

第5次搜索，阅读器发送裂变时隙搜索命令REQ(6),原时隙值为1的标签：ID第6位为‘0’的标签A时隙值仍为1（2×1-1=1），ID第6位为‘1’的标签F时隙值更新为2（2×1=2）;原时隙值为2、3、4的标签D、H、B已被识别，不再响应命令。时隙值为1的标签A在第1时隙返回7~10位ID数据；时隙值为2的标签F在第2时隙返回7~10位ID数据,阅读器接收数据分别为“0101”和“0011”，无碰撞位，分别识别标签A、F。

前述实例的识别过程如下表：

其中，时隙值是指标签响应阅读器命令并更新时隙寄存器R后的新时隙值r，识别8个标签，仅搜索5次。每次搜索，都是所有未识别标签响应命令。

另外，还将本发明进行MATLAB仿真，与其他防碰撞方法进行比较，进行比较的方法有：

QT（Query Tree）方法是一种典型的查询树方法，其方法原理：阅读器发送搜索前缀，标签返回ID数据比特位，如果有碰撞，原前缀分别加‘0’和‘1’，作为新的搜索前缀，如此循环，直到识别所有标签。

CT(Collision Tree)方法是典型的二叉树防碰撞方法，阅读器把最高碰撞位分别置‘0’和‘1’，产生新的查询前缀，标签返回前缀以后的ID数据比特位。

AS(Adaptive Searching)方法是一种典型的多叉树搜索方法，阅读器充分利用碰撞位信息，标签返回碰撞位编码信息，自适应生成查询前缀，对标签进行无空闲时隙识别。

MST(Multi-Slot Tree)方法是一种典型的多时隙搜索树方法，阅读器根据译码结果发送查询命令，标签通过查询命令选择所在的时隙，并在选择的时隙响应阅读器。

本发明涉及的方法命名为FTS。

通过MATLAB对这几种方法进行仿真，标签的ID长度为128bit,标签数量为：100-1000，仿真结果取10次平均值。

图1为搜索次数比较图，由图可见，随着标签数量的增多，几种方法的搜索次数近似线性增长，在相同的标签数量时，QT方法的搜索次数最多，本发明涉及的方法搜索次数最少，且随着标签数量的增大，本发明涉及的方法搜索次数小的优势更加明显，在标签数量1000时，其它几种方法中，性能较好的MST方法的搜索次数为1558次、本发明涉及的方法搜索次数仅为20.8次，远小于其它几种方法，也是目前搜索次数最少的RFID防碰撞方法。

图2为通信数据比特数比较图,由图可见，随着标签数量的增多，几种方法的通信数据比特数近似线性增长，在相同的标签数量时，QT方法的通信数据比特数最多，本发明涉及的方法通信数据比特数最少，在标签数量1000时，其它几种方法中，性能较好的MST方法的通信数据比特数为182235bit、本发明涉及的方法通信数据比特数为135559bit。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种裂变时隙搜索树防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.阅读器发送初始搜索命令REQ(NULL)；

S5.所有标签响应命令，ID第C₁位为‘1’的标签更新时隙寄存器R的r值为2；标签R寄存器更新后，时隙值为1的标签在第1个时隙向阅读器发送标签ID第C₁位以后的数据比特位;时隙值为2的标签在第2个时隙向阅读器发送标签ID第C₁位以后的数据比特位；

S8.未进入休眠状态的所有标签响应命令，若时隙值为r的标签，接收到的前r个数据有q个‘Y’，剩余的r-q个数据的代数和为C，则时隙寄存器R更新r值，标签R寄存器更新后，时隙值为r的标签在第r个时隙向阅读器发送标签ID第C位以后的数据比特位，进入步骤S6；

‘Y’码为数据比特位中间没有跳变且为低电平的状态。

2.根据权利要求1所述的一种裂变时隙搜索树防碰撞方法，其特征在于，在步骤S8中，时隙寄存器R更新r的方法为：时隙值为r，ID第C位为‘0’的标签更新时隙寄存器R的r值为：2r-2q-1；时隙值为r，ID第C位为‘1’的标签更新时隙寄存器R的r值为：2r-2q。