NL9202069A - Identificatiesysteem met verbeterde identificatie-algorithme. - Google Patents

Description

Identificatiesysteem met verbeterde identificatie-algorithme.

H.J. Kip T.W.H. Fockens

De uitvinding betreft een radiofrequent identificatiesysteem bestaande uit één of meer labels, welke op afstand kunnen worden uitgelezen door een uitleesapparaat (zgn. zend/ontvanger), welke daartoe een R(adio)F(requent)-ondervraagsignaal uitzendt, en waarbij ter identificatie een datasignaal wordt teruggezonden vanaf de label naar de zend/ontvanger. Genoemde radiofrequente identificatiesystemen zijn bekend uit octrooiaanvrage NL 9201116 van aanvraagster.

Bij identificatiesystemen gaat de identificatielabel, zodra deze zich in het veld van het ondervragingssignaal bevindt, repeterend het in het label geprogrammeerde codewoord uitzenden. Het codewoord bestaat uit een reeks bits, bijvoorbeeld een reeks met een aantal van 100 bits. Figuur 1 toont dit codewoord, bestaande uit een rij van 100 bits. Figuur 2 laat zien hoe deze rij bits kan worden onderverdeeld in een aantal functionele groepen, bijvoorbeeld een groep synchronisatiebits 3, welke groep het begin van een datawoord markeert, een groep bits 4, die het identificatienummer herbergen, en de groep foutdetectiebits 5, die zijn toegevoegd om na ontvangst door de ontvanger te kunnen controleren of het gehele codewoord zonder transmissiefouten is ontvangen, en dus het correcte identificatienummer is overgebracht,

In bovenbedoelde identificatiesystemen wordt het codewoord repeterend uitgezonden, zodanig dat het laatste bit van het codewoord in de eerste cyclus naadloos aansluit op het eerste bit van het datawoord in de volgende cyclus. Figuur 3 laat dat zien. In deze figuur is 6 een eerste cyclus volgens figuur 6 en is 7 de naadloos daarop aansluitende volgende cyclus, en zo is 8 de daarop aansluitende cyclus, enz.

In de identificatiesystemen volgens de stand der techniek zal de ontvanger, die het codewoord ontvangt en foutloos omzet in een gedetecteerd identificatienummer, eerst zoeken naar de synchronisatie-bits, daarmee de exacte tijdstippen van de overige bits in de ontvangen stroom van bits vaststellend, en vervolgens de overige bits met het identificatienummer en de foutdetectiebits herkennen. Tenslotte zal de ontvanger aan de hand van de foutdetectiebits vaststellen of het identificatienummer foutloos ontvangen is.

Indien de ontvanger constateert, dat het codewoord niet foutloos binnengekomen is, zal bij de volgende cyclus van het datawoord de ontvanger opnieuw proberen het codewoord foutloos te ontcijferen. Indien de ontvanger daar ook nu niet in slaagt, kan in een derde, of in een vierde cyclus opnieuw worden gepoogd het codewoord foutloos te ontcijferen, etc., net zolang als de label zich in het ondervra-gingsveld bevindt en het codewoord uitzendt.

Deze wijze van decoderen van de ontvangen bitreeks betekent, dat het eerste moment waarop een identificatienummer foutloos ontvangen kan zijn, het moment is waarop het datawoord voor het eerst volledig, vanaf het eerste bit tot en met het laatste bit, ontvangen is. Indien we er vanuit gaan, dat het datawoord bestaat uit N bits en T seconden nodig heeft om overgezonden te worden, en dat de label begint met het uitzenden van het eerste bit van het codewoord op tijdstip t = 0 , dan is het eerste moment waarop het label geïdentificeerd kan zijn het tijdstip tl = T seconden.

Indien op tijdstip tl geen identificatie plaatsvond, moet het codewoord volledig opnieuw worden ontvangen, zodat na T seconden, dus nu op het tijdstip t2 = 2T seconden, opnieuw de mogelijkheid aanwezig is dat identificatie plaatsvindt. Indien niet, dan weer op t3 = 3T seconden, enzovoort.

De waarschijnlijkheid dat na T seconden identificatie plaatsvindt, wordt gegeven door de kans p_bit dat een bit goed gedetecteerd wordt, en de lengte N van het codewoord. Immers alle N bits van het codewoord moeten goed ontvangen zijn. In de literatuur wordt normaliter met de bit-error-rate (BER) gerekend; de kans dat een bit verstoord wordt, zodat p_bit = 1 - BER. De kans dat een codewoord in zijn geheel foutloos overkomt, is dus: p_woord = (1 - BER)*N.

Figuur 4 geeft een grafiek waarin horizontaal de tijd t is uitgezet. De tijd correspondeert met het aantal ontvangen bits en dus ook met het aantal ontvangen codewoorden N. Verticaal is de cumulatieve identificatiekans F_id(t) aangegeven. F_id(t) = 0 zolang nog niet alle bits ontvangen zijn, dus t < tl. In de periode tl<t<t2 is het codewoord slechts eenmaal volledig ontvangen, dus de kans op het geïdentificeerd zijn F_id(t) is dan gelijk aan de kans dat het codewoord goed overgekomen is, is gelijk aan p_woord = (1 - BER)*N. In de periode t2<t<t3 is het codewoord twee keer volledig ontvangen. De kans dat tijdens de tweede keer het codewoord goed ontvangen is, is eveneens gelijk aan p_woord. Om te berekenen wat de cumulatieve kans is op identificatie in de periode t2 tot t3, is het nodig te berekenen de kans op het fout ontvangen van het codewoord in periode tl tot t2, en die kans in de periode t2 - t3. In beide perioden bedraagt dan de kans op geen identificatie: 1 - p_woord. Vanaf tijdstip t3 is dan de kans op fout ontvangen in de eerste doorgang en op fout ontvangen in de tweede doorgang samen: (1 - p_woord)*2. Bijvoorbeeld bedraagt BER = 0,001, dan is p_bit = 0,999 en bedraagt p_woord = (0,999)"N = 0,90. Dus nadat het codewoord één keer verzonden en ontvangen is, bedraagt de cumulatieve kans op identificatie p^woord = 0,90. Nadat het codewoord twee keer verzonden is bedraagt die kans nu: 1 - (1- O,90)'2 = 1 - 0,01 = 0,99. Indien BER groter is dan 0,001, dan dalen deze cumulatieve kansen zeer snel.

Een groot nadeel van deze bestaande techniek is dan ook dat al bij een vrij kleine kans op een bitfout (BER) het waarschijnlijk is, dat het codewoord meerdere malen moet worden overgezonden voordat een correcte decodering en identificatie kan plaatsvinden. Een nog groter nadeel van de bestaande techniek wordt gevormd door het gegeven, dat indien het codewoord een keer gemist is, weer T seconden gewacht moet worden voordat zich weer een mogelijkheid tot identificatie voordoet. Daar deze nieuwe identificatiemogelijkheid uitsluitend wordt gevormd door de ontvangst van de N nieuwe bits, is de ontvangen informatie van de vorige N bits volledig verloren gegaan. Hieruit wordt duidelijk dat deze wijze van decoderen van het zich herhalende codewoord informatie-theoretisch niet optimaal kan zijn. In het bijzonder bij de aanvang van het uitzenden van het datawoord door de label, wanneer de label juist in het ondervragingsveld gebracht is, is de koppeling met de ontvanger nog slecht, zodat er een grote kans bestaat, dat de eerste bits niet correct ontvangen worden, en aldus de eerste cyclus verloren gaat.

De uitvinding heeft tot doel bovengenoemde nadelen te verminderen of op te heffen. De uitvinding bestaat daartoe uit twee stappen. De eerste stap heeft betrekking op een uitbreiding in het decoderings-algorithme in de ontvanger, waarmee de ontvanger de mogelijkheid krijgt om een datawoord van N bits correct te decoderen uit een rij van ontvangen N bits die begint met een willekeurig bitnummer n van het datawoord en eindigt met bitnummer n+N-1 (in het voorbeeld van figuur 5 is dit n+99) en daartussen alle overige N-2 bits. Zie figuur 5 groep 9. Hierdoor is het niet meer noodzakelijk, dat de ontvanger eerst de synchronisatiebits herkent. Er kan direct begonnen worden met het inlezen van een op een willekeurig moment beginnende rij bits totdat N bits binnen zijn, waarna identificatie volgt, in- dien deze N bits foutloos ontvangen zijn. Indien deze rij bits niet foutloos gedecodeerd is, kan de volgende rij N bits ontvangen worden, waarmee opnieuw een mogelijkheid tot identificatie aanwezig is.

Ook bij deze oplossing is steeds na het ontvangen van N bits een moment aanwezig waarop het codewoord gedecodeerd kan worden, echter de rij bits behoeft niet te beginnen met het eerste bit uit het codewoord. Dat betekent, dat in de situatie waarin de label net in het ondervragingsveld gebracht is, maar waarin de eerst uitgezonden bits niet, of door ruis vervormd, ontvangen zijn, toch niet de hele eerste cyclus van het codewoord verloren is. In de ontvanger beginnen de leescycli op het moment dat de eerste detecteerbare bits ontvangen worden. Dat moment valt dan samen met t = 0 in de identi-ficatiekansverdeling van figuur 4. Deze kansverdeling heeft verder dezelfde vorm en waarden als in de bestaande techniek.

De tweede stap van de uitvinding volgt uit de eerste. Nu het mogelijk is uit elke rij van N bits het codewoord te decoderen en het identificatienummer terug te winnen, kan het decoderingsproces ook vaker uitgevoerd worden dan eens per N ontvangen bits. In het extreme kan zelfs iedere keer na ontvangst van een bit een poging tot decodering van de laatste N ontvangen bits ondernomen worden. Figuur 5 laat een rij ontvangen bits zien, elk bit genummerd met het volgnummer 2 van de bit in het codewoord. In figuur 5 is bij wijze van voorbeeld N = 100 genomen, zodat bit 100 weer gevolgd wordt door bit 1 uit de volgende cyclus. In figuur 5 is de groep bits 9 aangegeven, beginnende met de n-de bit vanaf t = 0, het tijdstip waarop de ontvanger voor het eerst bits ontving, en eindigend met bit n + 99. Indien na een poging tot decodering, waarin een algorithme eerst de synchronisatie bits zoekt en vervolgens in een identificatiealgo-rithme de identificatienummerbits en de foutdetectiebits onderzoekt, blijkt dat in deze groep bits er één of meer fout moeten zijn, wordt er gewacht totdat de volgende bit ontvangen is, dus bit n + 100. Nu wordt er een nieuwe groep bits beschouwd, waar dus aan het eind bit n + 100 is bij gekomen, doch aan het begin bit n is weggevallen. Op deze nieuwe groep van N bits, aangegeven in figuur 5 met 10, wordt opnieuw een poging tot identificatie uitgevoerd. Indien deze poging ook niet slaagt, dan kan voortgegaan worden met de derde groep 11 met bit n + 101 erbij en η + 1 eraf, enzovoort.

In figuur 5 is getekend dat bit n overeenkomt met bit 1 in het codewoord en bit n + 99 met bit 100 van het codewoord. Indien van groep 9 naar groep 10 overgegaan wordt, wordt bit n aan het begin vervangen door bit n + 100 aan het eind. Echter in het voorbeeld is bit n + 100 in de rij ontvangen bits weer afkomstig van bit 1 in het codewoord. Dus het bit dat er bij iedere volgende groep aan de achterzijde bijkomt, is hetzelfde bit uit het codewoord dat aan de voorzijde van de beschouwde groep van N bits is afgevallen.

Dat heeft tot consequentie dat indien het laatst ontvangen bit, dat er dus aan het eind van de groep van N bits bij komt, gelijk is aan het bit dat aan het begin van die groep wegvalt, er geen invloed is op de vraag of de groep een foutloos ontvangen codewoord representeert of niet. Dus als de groep N bits niet foutloos is, en het laatst ontvangen bit is gelijk aan het vervallende bit, dan is zeker dat de nieuwe groep van N bits ook één of meer fout ontvangen bits bevat. Het is dan niet zinvol om deze groep N bits te proberen te decoderen, maar daarmee te wachten totdat een nieuw toegevoegd bit afwijkt van het bit dat afgevoerd wordt.

Op deze wijze kan rekentijd bespaard worden, hetgeen van bijzonder belang is indien het decoderingsalgorithme meer tijd in beslag neemt dan de tijd die beschikbaar is tussen het ontvangen van twee opeenvolgende bits.

Zo kan bijvoorbeeld, indien de rekentijd gelijk is aan anderhalve maal de tijd tussen twee bits, na één groep die de ontvanger gepoogd heeft te decoderen, twee bits vervangen worden alvorens opnieuw te bezien of deze twee bits ongelijk zijn aan degenen die vervangen worden en dus informatie toevoegen, en vervolgens een nieuwe poging uit te voeren tot decodering van de nieuwe groep bits. Echter indien de bits gelijk waren, en dus geen informatie toevoegden, kan weer een bit toegevoegd worden, etc. totdat er een bit bijkomt dat ongelijk is aan datgene dat het vervangt.

Op deze wijze ontstaat er een zeer flexibel decoderingsalgorithme, dat gemiddeld veel sneller het codewoord kan decoderen en daarmee de label identificeren dan het algorithme van de beschreven bestaande techniek, omdat het voor iedere nieuwe poging tot decodering niet hoeft te wachten totdat er opnieuw N bits ontvangen zijn.

In het bijzonder wordt dit duidelijk indien voor het algorithme van de uitvinding de verdeling van de kans op succesvolle identificatie weergegeven wordt, zie figuur 6. Horizontaal daarin is het aantal ontvangen bits uitgezet, beginnende vanaf het moment dat de label begint te functioneren als gevolg van het ondervragingsveld. Zolang het aantal ontvangen bits kleiner dan N is, is F_id(t) = 0. Zodra t = N is de kans op identificatie gelijk aan: p-woord = (l-ber)*N.

Zodra bit N + 1 ontvangen is, stijgt F_id(t) met een kans op identificatie als gevolg van de ontvangst van het (N + l)de bit. Evenzo stijgt na ontvangst van het (N+2)de bit de kans op detectie van een foutloze rij van 100 bits. In figuur 6 is dit getekend als curve 12. Voor vergelijk is de curve 13 in deze figuur een copie uit figuur 4. In vergelijking met figuur 4 is duidelijk dat in tegenstelling tot de bestaande techniek, de kans op identificatie tussen t = N en t = 2N sterk toeneemt bij toename van het aantal ontvangen bits.

Een verdere verbetering van de herkenning kan worden bereikt door de informatie van meerdere codewoorden te gebruiken. Het is dan niet nodig om op een ononderbroken foutloze rij bits ter lengte van het codewoorde te wachten, maar uit delen van meerdere foute frames kan dan soms een juist codewoord geconstrueerd worden. Een eerste methode is om opeenvolgende codewoorden bit voor bit te vergelijken. Bij niet te veel verschillen in deze patronen, bijvoorbeeld op 2 plaatsen, kunnen alle mogelijke (4) combinaties gebruikt worden om door middel van een checksum berekening toch een correct codewoord te detecteren. Natuurlijk moet er bij het coderen van de informatie in de codedrager rekening gehouden worden met een voldoende grote Hamming afstand, omdat anders spooknummers zouden kunnen optreden.

Door hiervoor meer dan twee frames te gebruiken, wordt het aantal mogelijke codewoorden erg groot. Er worden dan hoge eisen gesteld aan de snelheid waarmee de checksum berekend moet worden. Een speciale processor kan hier uitkomst bieden. Bij het vergelijken van meerdere op zichzelf niet foutloze codewoorden kan door uitmiddelen over de overeenkomstige bits een nieuw codewoord worden gemaakt. Een zogenaamde majority voting is dan aantrekkelijk door zijn eenvoud.

Claims (7)

1. Een electromagnetisch identificatiesysteem, waarbij de detectie-label, indien geactiveerd, continu zijn identificatiecode uitzendt, met het kenmerk, dat het detectie-algorithme op elk bit van de rij ontvangen bits kan beginnen met het inlezen en verwerken van de informatie, zodat, zodra er een aantal bits correct ontvangen is dat minstens gelijk is aan het aantal bits van de code, de label zonder extra wachttijden kan worden gedetecteerd.

2. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat na elk nieuw ontvangen bit de checksum wordt berekend, zodat bij het optreden van bitfouten, de eerste keer dat een rij bits ter lengte van de identificatiecode foutloos wordt ontvangen de label gedetecteerd wordt.

3. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat steeds na twee of meer ontvangen bits de checksumberekening herhaald wordt, zodat met een langzamere berekening volstaan kan worden.

4. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de informatie van meerdere codewoorden gebruikt wordt om bij fouten in de afzonderlijke codewoorden toch een label te kunnen detecteren.

5. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de berekeningen met een speciale processor worden verricht.

6. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat twee opeenvolgende codewoorden met fouten vergeleken worden, zodanig, dat indien de twee codewoorden op weinig plaatsen verschillen, voor alle mogelijke combinaties van deze verschillen de checksumberekening doorgevoerd wordt om een snelle identificatie te krijgen.

7. Een electromagnetisch identificatiesysteem volgens conclusie 4 waarbij twee of meer opeenvolgende codewoorden met fouten vergeleken worden, zodanig dat een majority voting over alle overeenkomstige bits een nieuw codewoord oplevert, waarbij de checksumberekening op dit nieuwe codewoord wordt doorgevoerd om snel een betrouwbare identificatie te krijgen.