CN104680104A - 一种动态高效的rfid标签识别机制 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态高效的RFID标签识别机制，步骤如下：(1)建立分组和变时隙方案，根据所述方案分别得到最优分组和最优变时隙对应的标签节点数目；(2)整合所述方案最优标签节点数目，绘制图表，并将所述图表作为所述阅读器实现动态调整的标准；(3)阅读器根据动态调整标准发送识别指令，将每轮等待识别的标签数目控制在具有较高系统识别效率的区间内。本发明可以实现射频识别系统标签的快速读取。

Description

一种动态高效的RFID标签识别机制

技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)系统中的标签识别机制，特别涉及一种基于动态分组变时隙算法的高效标签识别机制。

背景技术

射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是一种利用无线信道实现双向通信的自动识别技术，由标签、阅读器、后台数据库三部分组成。RFID系统最大的难题在于多标签识别过程中的碰撞问题是不可避免的，因此如何解决多标签识别的碰撞问题便成为一个研究热点。

目前，国际上流行的ISO/IEC 18000-6Type A标准和EPC Class-1Gen-2标准在解决标签碰撞问题时大多采用Aloha算法。同时，ISO/IEC 18000-6Type C标准也是基于该算法而衍生出来的。在常用Aloha的防碰撞算法中，标签随机选择一个时隙传送其识别码，以减少标签碰撞的概率。但是，由于无源标签能量有限，时隙长度也是受限的，随着标签数量的增加，识别所有标签所需的时隙数将呈指数上升，最终导致系统的性能急剧下降。除此之外，该类算法还存在一个严重的缺陷——“标签饥饿”，即可能存在一个标签在很长一段时间内都不能被识别。在本算法中，阅读器对标签进行动态分组操作，将等待识别的标签数目控制在对应较高识别效率的区间内，使得标签识别过程更加快速和高效。

发明内容

本发明要解决的问题在于，针对现有算法未能将Aloha动态调整算法和最优控制反馈标签数目算法有效结合，提出一种动态高效的RFID标签识别机制。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种动态高效的RFID标签识别机制，包括如下步骤：

(1)根据系统效率公式，在考虑时隙和请求命令消耗时间的情况下，建立分组和变时隙方案。假设标签数目为n，标签被分为G组，阅读器使用时隙长度为N的帧识别标签，t_slot为一个时隙消耗的时间，T_req为请求指令消耗的时间。因此，系统识别效率S表示如下：

$S=S(n,N,G)=\frac{(n/G)*{(1-1/N)}^{n/G-1}*t_{\mathrm{slot}}}{N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}---\left(\text{1}\right)$

通过对系统效率函数求极值运算，令dS/dn＝0，可得到当系统效率最大时n，N，G满足的关系式如下：

因此，有大量标签存在时，阅读器可以通过适当分组来实现系统效率的最大化。根据系统效率公式，建立如下等式，可以获得N＝256时，分组数为G与分组数为G+1两种情况下的具有相同系统效率的标签数目节点。

$\frac{\frac{n}{G}*{(1-1/N)}^{\frac{n}{G}-1}*t_{\mathrm{slot}}}{N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}=\frac{\frac{n}{G+1}*{(1-1/N)}^{\frac{n}{G+1}-1}*t_{\mathrm{slot}}}{N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}---\left(\text{3}\right)$

化简结果为

$n=G*(G+1)*\frac{\ln (G+1)-\ln \left(G\right)}{\ln \left(256\right)-\ln \left(255\right)}---\left(\text{4}\right)$

计算结果表明时隙长度为256时，标签分1组和2组两种情况具有相同标签识别效率所对应的标签数目节点为354。其他最优分组的标签数目节点同理可得，详细最优分组参数见图1。

由于硬件环境的限制，阅读器选择时隙长度为2的整数次幂且最大识别时隙长度为256，此处定义S(n，N，1)和S(n，2N，1)分别为时隙长度为N和2N，分组数为1组情况下的系统识别效率。当S(n，N，1)＝S(n，2N，1)时，有如下关系式：

$\frac{\frac{n}{1}*{(1-1/N)}^{n/1-1}*t_{\mathrm{slot}}}{N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}=\frac{\frac{n}{1}*{(1-1/2N)}^{n/1-1}*t_{\mathrm{slot}}}{2N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}---\left(5\right)$

计算结果表明分组数为1时，时隙长度为256和时隙长度为512两种情况具有相同标签识别效率所对应的标签数目节点为344。其他不同时隙长度，具有相同识别效率的标签数目节点同理可得，详细最优变时隙参数见图2；

(2)整合所述最优分组和最优变时隙对应的标签数目节点。当标签数目处于区间[168，621]时，最优分组和最优变时隙标签数目范围有重叠。通过比较图1和图2二者对应的系统效率可知，当N＝256时，G＝1在标签数目范围[168，354]和G＝2在标签数目范围[355，621]具有更高的系统效率。

将标签数目范围为[1，2000]的详细最优分组变时隙参数绘制于图3中，并将所述参数作为阅读器读取标签的动态调整标准。本发明只给出了标签数目范围为[1，2000]的最优分组变时隙参数，但并不能理解为对本发明专利范围的限制，其他标签数目大于2000的最优参数根据分组和变时隙方案同理可得。

(3)阅读器发送识别指令，对全部标签数目进行预估计，并根据所述动态调整标准将标签分为G组，计算出每组标签的理论个数n₀，设置分组计数器counter初值为G-1；

(4)阅读器选定一组标签进行识别，将等待识别的标签数目控制在所述调整标准中系统效率较高的区间内；

(5)判断所述分组计数器是否为0，若counter≠0，转入步骤(4)，开始下一分组的标签识别过程；若counter＝0，利用动态调整标准识别剩余的未识别标签；

本发明所述的一种动态高效的RFID标签识别机制，所述步骤(3)进一步包括如下内容：

(31)阅读器使用初始时隙长度256对全部标签进行一轮识别，并估计剩余标签的数目；

(32)根据所述动态调整标准知，最优分组标签数目节点为354；

(33)所述阅读器根据步骤(31)中所述剩余标签数目判断剩余标签是否应该分组识别，若所述预估计标签数目大于354，剩余标签将根据所述动态标准被分组识别；若所述预估计标签数目小于354，剩余标签将采取单组识别方式；

(34)若所述剩余标签数目n₁大于354，所述阅读器对标签采用平均分组方式，每一个分组的标签数目n₀可以通过总标签数目除以分组数得到。

本发明所述的一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，所述步骤(4)进一步包括如下步骤：

(41)根据所述动态调整标准绘制系统理论识别率与标签数目的关系图，如图4所示。由图4可知，在不将标签进行分组的情况下，所述较高系统效率对应的标签数目范围为[79，354]；

(42)在每一轮标签识别过程中，阅读器根据所述动态调整标准，选取最优时隙长度对选定分组标签进行识别；

(43)在每一轮标签识别过程结束之后，阅读器估计所述选定分组剩余标签数目n₂，通过判断n₂+n₀是否在区间[79，354]内，来控制所述剩余标签是否与所述未读分组中的一组标签合并为一个新的分组，并更新分组计数器的值；

(44)所述阅读器发送所述识别指令，一轮标签识别之后，转入步骤(43)。

本发明所述的一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，所述步骤(5)进一步包括如下步骤：

(51)所述阅读器发送清点指令，等待标签回复；

(52)所述阅读器根据标签在某一帧长度内的回复信息判断选定分组标签是否读完，若有回复信息，则表明所述分组标签未读完；若没有回复信息，则表明所述分组标签已经读完。

与现有技术相比，采用本发明的方法，使得射频识别系统能够快速的识别多个标签，由于阅读器在进行标签识别时，信号处理和专利所述动态调整机制均可通过软件来实现，因此该专利具有更好的实用性。

附图说明

图1是最优分组标准的详细参数；

图2是最优变时隙标准的详细参数；

图3是最优分组变时隙标准的详细参数；

图4是本发明理论标签识别率与标签数目的关系；

图5是本发明标签识别机制流程图；

图6是应用实例中的标签识别过程图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细的介绍和说明。

为了使阅读器能够在多标签环境中，获得较高的系统识别效率，本发明在考虑时隙和请求命令消耗时间的情况下，建立了分组和变时隙方案。

由图4知，等待识别的标签数目在[79，354]区间内时，阅读器具有较高的系统识别效率。为了充分利用该区间较高的识别效率，本发明提出了基于标签数目最优控制的标签识别方法，步骤如下：

S1阅读器识别标签并对标签数目进行预估计。阅读器选择时隙长度N＝256对标签进行首轮识别，并根据所述时隙内标签的碰撞情况，估计剩余标签数目n₁。

S2阅读器根据剩余标签数目判断标签是否应该分组。阅读器根据S1中估计的剩余标签数n₁做出判断：如果n₁小于等于354，阅读器将根据动态调整标准识别全部标签；如果n₁大于354，阅读器发送分组指令到全部未识别标签，根据动态调整标准将全部剩余标签分为G组，并通过n₀＝n₁/G计算每组中标签的数目n₀。

S3阅读器配置相关参数。阅读器根据每组理论标签数目和动态调整标准配置下一轮识别过程所使用的时隙长度，并设定未识别分组计数器counter初值为G-1。

S4阅读器完成一轮标签识别。阅读器发送识别指令，使用S3中的配置参数对选定分组标签进行识别，并统计本轮识别过程结束之后，该组剩余标签的数目n₂。

S5阅读器根据剩余标签数目做出相应判断。一轮识别之后，阅读器比较该组剩余标签数目n₂与79的关系。

S51如果所述剩余标签数目n₂小于79，且分组计数器不为零，阅读器比较n₂+n₀与354的关系：如果n₂+n₀≤354，所述选定分组中剩余的标签将与其他分组中的一组未读标签合并为一个新的分组，新的分组经过一轮标签识别之后，跳转至S5，同时分组计数器counter做减一操作；如果n₂+n₀＞354，选定分组中剩余标签将不被执行合并分组操作，经过一轮标签识别之后，跳转至步骤S5；如果分组计数器为零，所述分组标签将不被采取任何操作，经过一轮标签识别之后，跳转至步骤S6。

S52如果所述未读取标签数目n₂大于79，经过一轮标签识别之后，跳转至步骤S5。

S6阅读器根据动态调整标准识别标签，直到所有标签均被识别，终止程序。

图5说明了该标签识别机制的流程。

下面以一个应用实例来说明本发明的方法，假设在阅读器的识别区域内有1500个标签等待识别，对该识别过程的简单描述是：

(1)阅读器使用初始值N＝256的帧长度对全部标签进行一轮识别，根据公式(1)可知，当标签数目为1500个，分组数为1组，帧长N＝256时，阅读器的理论识别效率为1.6％。经过一轮识别之后，计算可知，被识别的标签数目为24个，n₁＝1476个未识别标签需等待下一个识别指令到来。

(2)未识别标签数目n₁处于[1398，1654]范围内，为了获取较高的系统效率，阅读器将根据动态调整标准发送分组指令，把剩余标签平均分为G＝6组，并且使用帧长度N＝256对标签分组读取。通过公式n₀＝n₁/G计算得每组标签的数目n₀＝246个。

(3)阅读器发送读取指令，选择其中一个分组进行识别，选定分组的标签转移到应答状态，并立即应答，其他分组的标签保持沉默。初始化分组计数器counter＝G-1＝5。根据公式(1)可知，当标签数目为246个，分组数为1组，帧长度N＝256时，阅读器的理论识别效率为35.38％。经过一轮标签识别之后，选定分组中未被识别的标签个数为n₂＝159个。

(4)比较n₂和79的关系。由于159＞79，并且处于系统识别效率较高的[79，354]区间内，该组未识别标签在下一个识别指令内，将依据动态调整标准进行一次单组识别。一次识别过程结束之后，计算得剩余标签数为107个，该数目仍然处于较高的识别区间内，未识别标签再经过一次单组识别后，被识别的标签数为52个，该组剩余标签数为n₂＝72个。

(5)由于n₂小于79，且n₂+n₀小于354，阅读器发送合并分组指令，将选定分组未识别的标签和其他未识别分组中的一组进行合并，并更新分组计数器的值counter＝5-1＝4。合并后新分组的标签数目为n₂＝318，该分组标签等待下一识别指令的到来。

(6)每一轮标签识别过程结束之后，阅读器重复(4)中的操作，并实时更新分组计数器的值，当分组计数器counter＝0时，剩余标签将没有对应的分组与它合并，根据动态调整标准采取单组识别，直到所有标签均被识别，终止程序。

图6说明了该实例的标签识别过程。

以上所述仅表达了的标签识别方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域范围的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据系统效率公式，在考虑时隙和请求命令消耗时间的情况下，建立分组和变时隙方案，通过极值运算，分别得到最优分组和最优变时隙对应的标签数目节点；

(2)整合所述最优分组和最优变时隙对应的标签数目节点，将各标签数目范围所对应的最优分组数和最优时隙长度绘制于图表中，并将所述图表作为阅读器实现动态调整的标准；

(3)阅读器发送识别指令，对全部标签数目进行预估计，并根据所述动态调整标准将未识别标签分为G组，计算出每组标签的理论个数n₀，设置分组计数器counter初值为G-1；

(4)阅读器选定一组标签进行一轮识别，将等待识别的标签数目控制在所述动态调整标准中系统效率较高的区间内；

(5)判断所述分组计数器是否为0，若counter≠0，转入步骤(4)，开始选定分组下一轮标签识别过程；若counter＝0，利用动态调整标准识别剩余的未识别标签；

所述步骤(3)进一步包括如下内容：

(31)阅读器使用初始时隙长度256对全部标签进行一轮识别，并估计剩余标签的数目为n₁；

(32)根据所述动态调整标准可知，最优分组标签数目节点为354；

(33)所述阅读器根据步骤(31)所述剩余标签数目n₁判断剩余标签是否应该分组识别，若所述剩余标签数目大于354，剩余标签将根据所述动态标准被分组识别；若所述剩余标签数目小于354，剩余标签将采取单组识别方式；

(34)若所述剩余标签数目n₁大于354，所述阅读器对标签采用平均分组方式，每一个分组的标签数目n₀可以通过总标签数目除以分组数G得到。

2.根据权利要求1所述一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，所述步骤(4)进一步包括如下步骤：

(41)根据所述动态调整标准可知，所述较高系统效率对应的标签数目范围为[79，354]；

(42)在每一轮标签识别过程中，阅读器根据所述动态调整标准，选取最优时隙长度对选定分组标签进行的识别；

(43)在每一轮标签识别过程结束之后，阅读器估计所述选定分组未识别标签数目n₂，通过判断n₀+n₂是否在区间[79，354]内，来控制所述剩余标签是否与所述未读分组中的一组标签合并为一个新的分组，并更新分组计数器的值。

3.根据权利要求1所述一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，所述步骤(5)进一步包括如下步骤：

(51)所述阅读器发送清点指令，等待标签回复；

(52)所述阅读器根据标签在某一帧长度内的回复信息判断选定分组标签是否读完，若有回复信息，则表明所述分组标签未读完；若没有回复信息，则表明所述分组标签已经读完。

4.根据权利要求1所述一种动态高效的RFID标签识别机制，其特征在于，在考虑时隙和请求命令消耗时间的情况下，利用二项分布原理可以得到系统识别效率公式；通过对系统效率求极值运算，可以得到阅读器动态识别标签的评估标准；系统识别效率公式如下：

$S=S(n,N,G)=\frac{(n/G)*{(1-1/N)}^{n/G-1*t_{\mathrm{slot}}}}{N*t_{\mathrm{slot}}+T_{\mathrm{req}}}$

其中，S为系统效率，n为标签数目，N为阅读器与标签通信选择的时隙长度，G为分组数，t_slot为一个时隙消耗的时间，T_req为请求指令消耗的时间。