CN118133856A - 一种基于序列前缀分裂的rfid多时隙防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，涉及射频识别技术领域。本发明通过阅读器发出包含序列前缀的命令，所有未识别标签根据序列前缀选择时隙，并在相应时隙返回数据给阅读器，其既有ALOHA方法一帧多时隙的特点，又有搜索树方法的确定搜索特点，没有饥饿问题，消除了空闲时隙，大大减少了搜索次数，降低了数据通信量，提高了搜索效率，减少了搜索时间。

Description

一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，具体的说，是一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种自动识别的短距离无线通信技术，由于其具有非接触、抗恶劣环境、可穿透性、存储量大、保密性强、成本低、效率高等优点，得到了非常广泛的应用，典型的RFID系统通常由阅读器、电子标签和数据处理系统组成，由于标签和阅读器共用同一个信道，当多个标签向一个阅读器同时发送标签ID等数据信息时，就会发生冲突，这就是标签的碰撞问题。

在一些应用场合，标签数量较大，或者标签在高速移动，需要阅读器在尽可能短的时间内识别所有标签，如何提高标签的识别效率，减少标签的识别时间，是RFID研究的一个亟待解决的难题。

现阶段的防碰撞方法主要分为两类：基于ALOHA的概率性方法和基于二进制树的确定性方法，ALOHA方法的主要思想是：阅读器预先确定帧包含时隙的个数，标签通过随机方法选择在某一时隙向阅读器发送数据，其实现相对简单，但随机性大、效率不高、性能不稳定，存在标签在长时间无法被识别的饥饿问题。确定性方法的主要思想是：阅读器检测多个标签的碰撞位，并按一定方法进行树形搜索，性能相对稳定，无饥饿问题，但在标签数量较大的情况下，存在搜索时延较长，搜索效率较低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，实现在搜索过程中，没有空闲时隙，没有查询碰撞位的附加时隙，让搜索次数大大减少，使搜索效率有效提高的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，包括以下步骤：

S1.阅读器向所有标签发送初始搜索命令REQ（NULL）；

S2.所有收到命令的标签做出响应，并将每个标签完整的标签ID序列号返回给阅读器；

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，则搜索结束；若碰撞位个数大于1个，进入步骤S4；

S4.设最高碰撞位以前的数据为Q₁，令P=Q₁，阅读器发出单前缀搜索命令REQ（P），前缀为P+‘0’的标签以及前缀为P+‘1’的标签分别在不同时隙返回前缀以后得ID序列号；

S5.在阅读器中判断是否发生碰撞，若碰撞位个数不超过1个，则进入步骤S8，若碰撞位个数超过1个，设最高碰撞位以前的数据为P_k，并将P_K存入堆栈；

S6.若阅读器接收处理的数据不是最后一个时隙的数据，则返回步骤S5接收处理下一时隙数据，若阅读器接收处理的数据是最后一个时隙的数据，按先入先出弹出堆栈数据，若堆栈为空，搜索结束，若堆栈不为空，根据堆栈数据数量得前缀数据：P₁、P₂、P₃…，阅读器发送序列前缀搜索命令REQ（P₁XP₂XP₃X…）；

S7.所有未识别标签响应命令，标签时隙计数器数值c复位为0，当收到命令中的一个X码，时隙计数器的计数值c加1，当标签ID与一前缀数据匹配时，时隙计数器停止计数，并更新计数值，标签在相应时隙返回前缀以后得ID序列号给阅读器，返回步骤S5；

S8.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，转至步骤S6。

作为优选的，在步骤S3和步骤S5中，若碰撞位数量为0，则识别1个标签，若碰撞位数量为1，则识别两个标签。

本发明在使用过程中具有以下有益效果：

（1）随着搜索深度的增加，未识别标签在更多的时隙返回数据，如果没有标签被识别，则搜索时隙呈指数式增长，随着标签的被识别，搜索时隙又不断减小，直到所有标签被识别。时隙数随着标签的搜索动态变化，大大减小了搜索次数，仿真结果显示：搜索次数远小于现有防碰撞方法。

（2）在整个搜索过程中，没有空闲时隙，也没有查询碰撞位的附加时隙，不存在饥饿问题。

（3）阅读器发送命令，仅发送搜索前缀信息，且每个前缀对应两组响应标签；标签仅返回前缀以后的序列位，再加上搜索次数少，大大减小了阅读器和标签间的数据通信量。

（4）在标签中设置时隙计数器，根据时隙值。标签在相应的时隙返回数据给阅读器。

（5）在阅读器命令中，充分利用曼彻斯特码的特点，通过发送‘X’码来实现计数值的累加和更新。

附图说明

图1为本发明与不同方法的搜索次数比较图。

图2为本发明与不同方法的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，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。

因此，以下对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。

一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，包括以下步骤：

S1.阅读器向所有标签发送初始搜索命令REQ（NULL）；

S2.所有收到命令的标签做出响应，并将每个标签完整的标签ID序列号返回给阅读器；

S3.在阅读器中判断是否发生碰撞，若碰撞位数量为0，则识别1个标签，搜索结束，若碰撞位数量为1，则识别两个标签，搜索结束；若碰撞位个数大于1个，进入步骤S4；

S4.设最高碰撞位以前的数据为Q₁，阅读器发出单前缀搜索命令REQ（P），前缀为P+‘0’的标签以及前缀为P+‘1’的标签分别在不同时隙返回前缀以后得ID序列号；

S5.在阅读器中判断是否发生碰撞，若碰撞位个数为0个，则识别一个标签，进入步骤S8，若碰撞位个数为2个，则识别两个标签，进入步骤S8，若碰撞位个数超过1个，设最高碰撞位以前的数据为P_k，并将P_K存入堆栈；

S6.若阅读器接收处理的数据不是最后一个时隙的数据，则返回步骤S5接收处理下一时隙数据，若阅读器接收处理的数据是最后一个时隙的数据，按先入先出弹出堆栈数据，若堆栈为空，搜索结束，若堆栈不为空，根据堆栈数据数量得前缀数据：P₁、P₂、P₃…，阅读器发送序列前缀搜索命令REQ（P₁XP₂XP₃X…）；

S7.所有未识别标签响应命令，标签时隙计数器数值c复位为0，当收到命令中的一个X码，时隙计数器的计数值c加1，当标签ID与一前缀数据匹配时，时隙计数器停止计数，并更新计数值，标签在相应时隙返回前缀以后得ID序列号给阅读器，返回步骤S5；

S8.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，转至步骤S6。

具体的说，在RFID系统中，阅读器要根据标签返回的数据信息准确判断发生碰撞的数据比特位，通常采用曼彻斯特编码，每个比特的中间都有跳变，低电平到高电平的跳变表示二进制‘0’，高电平到低电平的跳变表示二进制‘1’，假设两个标签的ID为“1001”和“0011”，在时钟的作用下严格同步向阅读器发送数据，则阅读器接收数据为“X0X1”,其中‘X’表示发生碰撞的比特位。

本发明在阅读器发送命令中，除了曼彻斯特码以外，还用到‘X’码；

更进一步的描述，标签中设置时隙计数器，计数值为c，当收到阅读器命令时，先复位为0，当收到‘X’时，c加1，当前缀匹配时，c停止计数，再根据c值计算时隙值，标签根据时隙值在不同时隙返回ID数据给阅读器。

在本实施例中，对于命令的定义为，

REQ(NULL)：初始搜索命令，所有标签返回完整标签ID序列号给阅读器。

REQ(P₁)：单前缀搜索命令，标签分两个时隙返回数据，ID前缀为:P₁+‘0’（+为连接号，下同）的标签在第1时隙返回该前缀以后的ID序列号，ID前缀为:P₁+‘1’的标签在第2时隙返回该前缀以后的ID序列号。

REQ(P₁XP₂XP₃…):序列前缀搜索命令，P₁、P₂、P₃…为序列前缀，X为‘X’码，时隙计数器计数值先复位为0，标签再查询ID前缀是否和序列前缀中的某一查询前缀匹配，在标签ID还没与前缀匹配前，收到一个‘X’码，标签计数器的计数值c加1；当标签ID与序列前缀中某一前缀P_K匹配时，时隙计数器停止计数，并更新计数值：ID前缀为:P_K+‘0’的标签更新为:c=2c+1;ID前缀为: P_K+‘1’的标签更新为:c=2(c+1),更新后的计数值即为时隙值，标签在相应时隙返回ID序列号给阅读器。

按照本实施例中涉及的防碰撞方法，通过发送序列前缀命令，对各未识别标签进行前缀搜索，和前缀匹配的标签分裂为两组，由一个时隙分成两个时隙。若标签已识别，则去活化处理，不再响应阅读器命令。如果标签未被识别，则时隙不断分裂，每帧的时隙数量呈指数增长，随着标签的识别，时隙数量又不断减少，直到识别所有标签。整个识别过程中，未识别标签的返回时隙不断分裂成更多的时隙，没有空闲时隙，搜索次数大大减少，提高了搜索效率。

阅读器发送数据中，一个前缀搜索两组标签，对应两个时隙，标签返回数据中，仅返回前缀以后的ID比特位，减少了数据通信量。

下面以一组具体实例进行说明：

第1次搜索：阅读器发送初始搜索命令，所有标签返回完整标签ID序列号给阅读器，阅读器接收数据为：“0XXXXXXXXX”，最高碰撞位以前的数据为“0”。

第2次搜索：阅读器发送单前缀搜索命令REQ(0),ID前缀为“00”的标签A、B、C、F在第1时隙返回“00”以后的序列位，ID前缀为“01”的标签D、E、G、H在第2时隙返回“01”以后的序列位，阅读器接收数据分别为“XXX10XXX”和“X1XXXXXX”，得到序列前缀：“00”和“01”，分别存入堆栈。

第3次搜索：阅读器弹出堆栈序列前缀，发送序列前缀搜索命令REQ(00X01), ID前缀为“000”的标签B、C、F在第1时隙返回“000”以后的序列位，ID前缀为“001”的标签A在第2时隙返回“001”以后的序列位，ID前缀为“010”的标签E、H在第3时隙返回“010”以后的序列位，ID前缀为“011”的标签D、G在第4时隙返回“011”以后的序列位，阅读器接收数据分别为“XX10XXX”、“1010011”、“1XXX0XX”、“1010X01”，由第1、3时隙接收数据得到序列前缀：“000”和“0101”，分别压入堆栈，第2时隙接收数据无碰撞位，识别标签A，第4时隙接收数据只有1个碰撞位，识别标签D、G。

第4次搜索：阅读器弹出堆栈序列前缀，发送序列前缀搜索命令REQ(000X0101),ID前缀为“0000”的标签B在第1时隙返回“0000”以后的序列位，ID前缀为“0001”的标签C、F在第2时隙返回“0001”以后的序列位，ID前缀为“01010”的标签H在第3时隙返回“01010”以后的序列位，ID前缀为“01011”的标签E在第4时隙返回“01011”以后的序列位，阅读器接收数据分别为“110100”、“X10X1X”、“11001”、“00010”，由第2时隙接收数据得到序列前缀：“0001”，压入堆栈，第1、3、4时隙接收数据无碰撞位，识别标签B、H、E。

第5次搜索：阅读器弹出堆栈序列前缀，发送单前缀搜索命令REQ(0001), ID前缀为“00010”的标签C在第1时隙返回“00010”以后的序列位，ID前缀为“00011”的标签F在第2时隙返回“00011”以后的序列位，阅读器接收数据分别为“10111”、“10010”,均无碰撞位，识别标签C、F。

具体过程如下表所示：

再者，利用MATLAB仿真将本发明涉及的防碰撞方法与QT方法、CT方法、AS方法以及MCBD方法进行对比。

其中，QT方法是一种典型的查询树方法，其原理：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。

MCBD方法是一种基于多处碰撞位探测的防碰撞方法，通过阅读器发送的探测命令获取标签发生碰撞位的比特值，再结合查询命令识别标签。

本发明涉及的方法则命名为SPS方法。

利用MATLAB对其进行仿真，标签的ID长度为256bit,标签数量为：100-1000，仿真结果取10次平均值。

其中，图1为搜索次数的比较图，由图可知，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，本发明涉及的方法的搜索次数最少，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MCBD方法的搜索次数为1378次、本发明涉及的方法搜索次数仅为23次，远远小于其它几种方法。

并且，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，与其它几种方法相比，本发明涉及的方法通信数据比特数最少，为335158bit。

在本实施例中，相同前缀的标签响应阅读器命令，并分裂为两组，分别在两个时隙响应命令，阅读器在各时隙接收数据，并得到查询前缀，各时隙的查询前缀组成一个序列前缀，未识别标签根据序列前缀和自身ID的匹配及碰撞位的二元确定性进行分裂，产生更多的时隙，并在相应的时隙有序返回数据给阅读器，随着更多的标签被识别，时隙数又不断减少，直到识别所有标签。在搜索过程中，没有空闲时隙，也没有查询碰撞位的附加时隙，搜索次数大大减少，搜索效率有效提高。

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 (2)

1.一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.阅读器向所有标签发送初始搜索命令REQ（NULL）；

S2.所有收到命令的标签做出响应，并将每个标签完整的标签ID序列号返回给阅读器；

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，则搜索结束；若碰撞位个数大于1个，进入步骤S4；

S4.设最高碰撞位以前的数据为P,阅读器发出单前缀搜索命令REQ（P），前缀为P+‘0’的标签以及前缀为P+‘1’的标签分别在不同时隙返回前缀以后得ID序列号；

S5.在阅读器中判断是否发生碰撞，若碰撞位个数不超过1个，则进入步骤S8，若碰撞位个数超过1个，设最高碰撞位以前的数据为P_k，并将P_K存入堆栈；

S6.若阅读器接收处理的数据不是最后一个时隙的数据，则返回步骤S5接收处理下一时隙数据，若阅读器接收处理的数据是最后一个时隙的数据，按先入先出弹出堆栈数据，若堆栈为空，搜索结束，若堆栈不为空，根据堆栈数据数量得前缀数据：P₁、P₂、P₃…，阅读器发送序列前缀搜索命令REQ（P₁XP₂XP₃X…）；

S7.所有未识别标签响应命令，标签时隙计数器数值c复位为0，当收到命令中的一个X码，时隙计数器的计数值c加1，当标签ID与一前缀数据匹配时，时隙计数器停止计数，并更新计数值，标签在相应时隙返回前缀以后得ID序列号给阅读器，返回步骤S5；

S8.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，转至步骤S6。

2.根据权利要求1所述的一种基于序列前缀分裂的RFID多时隙防碰撞方法，其特征在于，在步骤S3和步骤S5中，若碰撞位数量为0，则识别1个标签，若碰撞位数量为1，则识别两个标签。