匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与流程

本发明属于射频识别和物联网技术领域，涉及射频识别系统，具体地说，涉及了一种匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法。

背景技术：

射频识别(英文：Radio Frequency Identification，简称：RFID)系统通常由一个后台服务器、一个或者多个读头(英文：Reader)以及大量的标签(英文：Tag)组成，读头可以通过无线信道与其射频传输范围内的标签进行简单的通信。后台服务器预存每个标签的ID，并且通过有线或无线的方式可以与读头进行信息交换。为了有效避免数据包冲突，读头可以采用基于帧时隙Aloha(Framed Slotted Aloha)协议与标签进行通信，广播相应的参数，每个标签基于自己的ID选择各自的时间槽进行应答。由于读头知道每个标签的ID，读头可以估计每个标签应答的时间槽，通过检测该时间槽是否有应答信息进而检测对应的标签是否丢失。上述丢失标签检测方法可用于大规模仓库或商场的物品监控与管理，通过检测是否有标签丢失来实现对物品丢失的检测，有效提高了其运行效率。然而，丢失标签检测问题面临以下几个主要挑战：(1)如何在丢失标签检测过程中有效保护标签的ID信息，使其适用于匿名RFID系统中；(2)如何对分组的射频识别系统进行丢失标签检测；(3)如何有效提高丢失标签检测过程中的效率。

在RFID系统应用中，经常会涉及到标签信息隐私保护问题。例如，在药品跟踪和管理系统中，由于病人可能不想让他的药品信息被大众所知晓，因此，需要对药品上的标签的ID信息进行有效保护，实现匿名化。此外，在许多RFID系统中，标签会被分成多个组别。例如，用于超市商品管理的RFID系统中，每个标签会根据它所依附的商品的种类来分组。一种最直接的丢失标签检测方法是由读头逐一广播每个标签的ID，通过判断是否有标签没有做出应答来检测是否有标签丢失。然而，上述方法存在两个不足之处：(1)在匿名RFID系统中，每个标签的ID信息是需要进行隐私保护的，不能由读头广播出去；(2)每个标签的ID包含96位信息，由读头逐一广播这一信息非常耗时，使得这一检测方法的效率较低。

目前已有的适用于匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法是IIP方法。IIP方法(参见T.Li,S.Chen,and Y.Ling.Identifying The Missing Tags in A Large RFID System.In Proceedings of ACM MobiHoc,2010.)是基于时隙Aloha协议的丢失标签检测方法，包括多轮检测。在每一轮的检测过程中，读头首先广播一个包含r和f的信息，其中r是随机数种子，f是每个帧(英文：Frame)的时间槽个数，同时读头广播一个包含f位信息的向量，每一位表示对应的时间槽的预期状态，如果该时间槽的预期状态是有多个应答信息，则为‘1’，如果该时间槽的预期状态是没有或者有一个应答信息，则为‘0’。每个标签根据读头广播的参数信息以及自己的ID选择其应答的时间槽。若标签检测到其所应答的时间槽对应的信息为‘1’，说明在该时间槽将会有多个标签应答，此时，该标签以50％的概率进行应答。之后，读头检测每个时间槽的状态，生成并广播一个新的包含f位信息的向量，每一位表示对应的时间槽的实际状态，如果该时间槽的实际状态为只有一个应答信息，则为‘1’，如果该时间槽的实际状态为有多个或者没有应答信息，则为‘0’。每个标签接收到该向量时，若其所对应的位信息为‘1’，则它将不再参与下一轮的检测。读头通过检测预期是有标签应答的时间槽的实际状态，来检测是否有丢失标签。但上述丢失标签检测方法存在时间槽利用率不高、检测过程相对较慢的缺点。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的检测效率低、时间槽利用率低等上述不足，提供一种匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法，该方法能够提高时间槽的利用率，加速丢失标签检测过程，实现在丢失标签个数超过一定门限值时，能够满足系统要求的检测率，更适用于匿名分组的RFID系统中。

为了达到上述目的，本发明提供了一种匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法，所述的匿名分组RFID系统由一个后台服务器、一个读头和l组标签组成，所述检测方法含有以下步骤：

匿名分组RFID系统中标签的总数为n，每组标签C_i的个数为n_i，每组标签C_i中丢失标签的个数为m_i，其中，1≤i≤l；每个标签只属于一个组且具有一个唯一的96位的ID，其中，前s位是该标签的组ID，1≤s≤96；

读头根据所有标签的组ID信息以及哈希函数采用匿名条件下的小组标签选择方法选择某一小组的标签进行丢失标签检测；

读头采用组内丢失标签检测方法对选定的小组标签进行检测；

当读头对上一组的标签检测完成后，则选定下一组标签利用组内丢失标签检测方法进行检测，直到所有小组的标签都被检测，则完成整个匿名分组RFID系统的丢失标签检测。

作为本发明上述检测方法的优选设计，所述的读头采用匿名条件下的小组标签选择方法选择小组标签的步骤为：读头根据所有标签的组ID信息以及哈希函数，生成一组随机数种子，使得以该组随机数种子和C_i小组标签的组ID利用哈希函数计算的结果与其他小组的组ID计算的结果均不一样，即能够唯一识别，读头通过广播所生成的随机数种子及其哈希函数计算结果来选定C_i小组标签进行丢失标签检测。

作为本发明上述检测方法的优选设计，读头采用组内丢失标签检测方法对选定的C_i小组标签进行检测的步骤为：

读头首先计算要满足匿名分组RFID系统的检测精度条件下所需检测的轮数w，然后进行每轮的丢失标签检测；

在第k轮的丢失标签检测中，读头首先广播包含R_k和f_k的信息，R_k为第k轮对应的随机数种子，f_k为第k轮帧的时间槽个数，预测每个时间槽的状态，生成向量S_i,k，并将向量S_i,k分为个片段，每个片段最多96位，记为读头按顺序广播片段，每个片段之后紧跟着执行一个子帧；每个标签只有当其所对应的位为‘1’时才会在其所对应的子帧中的时间槽返回应答信号；读头检测每个时间槽的状态，判断是否有丢失标签；回过应答信号的标签将在之后的检测过程中保持静默；

若没有检测到丢失标签，读头依次完成对C_i小组标签的w轮检测。

作为本发明上述检测方法的优选设计，读头根据以下公式计算要满足匿名分组RFID系统的检测精度条件下所需检测的轮数w：

式中，α为匿名分组RFID系统要求的检测精度，α∈[0,1)，T为门限值。

作为本发明上述检测方法的优选设计，每个时间槽根据应答标签的个数分为空时间槽、单时间槽和冲突时间槽，所述空时间槽指没有标签选择该时间槽应答，所述单时间槽指只有一个标签选择该时间槽应答，所述冲突时间槽指多个标签选择该时间槽应答。

作为本发明上述检测方法的优选设计，根据标签应答信息长度的不同，每个时间槽的长度分为t_tag、t_l和t_s，其中，t_tag用于传输96位的ID信息，t_l用于传输10位的长应答信息，t_s用于传输1位的短应答信息。

作为本发明上述检测方法的优选设计，读头通过无线信道与其射频范围内的标签进行简单通信，后台服务器预存每个标签的ID，并且通过有线或无线的方式与读头进行信息交换。

作为本发明上述检测方法的优选设计，所述读头采用基于帧时隙Aloha协议与标签进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的检测方法针对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测时，读头根据所有标签的组ID信息以及哈希函数采用匿名条件下小组标签选择方法选择小组标签进行丢失标签检测，使读头在不暴露标签信息的前提下选择特定小组的标签，能够有效保护标签的信息，包括标签的ID和组ID信息，在保护标签信息的前提下，对每个小组分别进行检测，检测时间短，有效提高了检测效率。

(2)本发明提供的检测方法通过将每个帧分为多个子帧，并且只保留单时间槽的检测，大大缩短了检测时间。

(3)本发明提供的检测方法可用于大规模仓库或商场的物品监控与管理，通过检测是否有标签丢失来实现对物品丢失的检测，有效提高了其运行效率。

附图说明

图1为本发明实施例匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测过程示意图。

图2为α＝0.9时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随每小组丢失标签个数变化的比较示意图。

图3为α＝0.99时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随每小组丢失标签个数变化的比较示意图。

图4为α＝0.9时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随门限值T变化的比较示意图。

图5为α＝0.99时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随门限值T变化的比较示意图。

图6为α＝0.9时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随具有丢失标签小组所占比例变化的比较示意图。

图7为α＝0.99时本发明实施例所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法的检测时间随具有丢失标签小组所占比例变化的比较示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

一种匿名分组RFID系统，由一个后台服务器、一个读头和l组标签组成，读头通过无线信道与其射频范围内的标签进行简单通信，后台服务器预存每个标签的ID，并且通过有线或无线的方式与读头进行信息交换。为了有效避免数据包冲突，所述读头采用基于帧时隙Aloha协议与标签进行通信。

一种匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法，对上述匿名分组RFID的丢失标签进行检测，其含有以下步骤：

步骤一：匿名分组RFID系统中标签的总数为n，每组标签C_i的个数为n_i，每组标签C_i中丢失标签的个数为m_i，其中，1≤i≤l；每个标签只属于一个组且具有一个唯一的96位的ID，其中，前s位是该标签的组ID，1≤s≤96。

步骤二：读头根据所有标签的组ID信息以及哈希函数采用匿名条件下的小组标签选择方法选择某一小组的标签进行丢失标签检测。其具体步骤为：

针对C_i小组的标签，读头首先生成κ个随机数种子R₁,R₂,…,R_κ，并计算出一个向量其中，1≤j≤κ，CID_i是C_i的组ID，H是读头和标签共有的哈希函数，mod是取余数。因此，随机分布在区间[0,2¹⁶-1]中。由于读头知道每个小组的组ID，可以计算出除了C_i之外的其他组的标签根据上述κ个随机数种子进行的哈希函数计算结果是否有与V_i一致的，若有，则重新生成κ个随机数种子，直到所得到的V_i能够与C_i唯一对应。读头通过广播所生成的κ个随机数种子以及V_i来选定小组C_i的标签，并且不暴露标签的组ID信息。每个标签在接收到该信息后，利用自身的组ID以及接收到的κ个随机数种子，通过哈希函数计算，验证其结果是否与V_i一致，若一致，则该标签判断当前读头选择其所在的小组，否则，该标签判断其没有被读头选定。

根据理论分析，当匿名分组RFID系统中的小组个数为5000时，κ取3已经足够。

步骤三：读头采用组内丢失标签检测方法对选定的C_i小组标签进行检测。其具体步骤为：

(1)读头首先计算要满足匿名分组RFID系统的检测精度条件下所需检测的轮数w，然后进行每轮的丢失标签检测。读头根据以下公式计算要满足匿名分组RFID系统的检测精度条件下所需检测的轮数w：

式中，α为匿名分组RFID系统要求的检测精度，α∈[0,1)，T为门限值。

每轮检测的帧的时间槽个数f为该轮检测进行之前还没有被读头识别的标签个数。因此，由于第一轮检测之前C_i小组标签中的所有标签都没有被读头识别，该轮检测帧的时间槽个数为n_i。

(2)在第k轮的丢失标签检测中，读头首先广播包含R_k和f_k的信息，R_k为第k轮对应的随机数种子，f_k为第k轮帧的时间槽个数。每个标签接收到该信息后，利用哈希函数计算其应答的时间槽。每个时间槽根据应答标签的个数分为空时间槽、单时间槽和冲突时间槽，所述空时间槽指没有标签选择该时间槽应答，所述单时间槽指只有一个标签选择该时间槽应答，所述冲突时间槽指多个标签选择该时间槽应答。根据标签应答信息长度的不同，每个时间槽的长度分为t_tag、t_l和t_s，其中，t_tag用于传输96位的ID信息，t_l用于传输10位的长应答信息，t_s用于传输1位的短应答信息。根据相关的RFID规范，t_tag＝2.4毫秒，t_l＝0.8毫秒，t_s＝0.4毫秒。由于读头知道每个标签的组ID信息，读头可以预先计算每个时间槽的状态，并将之存在一个f_k位的向量中，该向量记为S_i,k，若对应的时间槽预计为单时间槽，则该位存为“1”，其他情况则存为“0”。读头将向量S_i,k分为个片段，每个片段最多96位，记为可以在一个t_tag时间槽里被广播出去。同时，读头将本轮检测的帧分成个子帧(英文：sub-frame)，每个子帧记为读头按顺序广播片段，每个片段之后紧跟着执行一个子帧。当接收到片段S_i,k时，与该片段相对应的标签首先判断它所在的位的状态是否为‘1’，若是，则计算在S_i,k中其所在的位之前的“1”的个数，假设为ω，则该标签在子帧中的第ω个时间槽返回一个1位的应答信息。若不是，在该标签在该轮检测中保持静默。因此，每个子帧的时间槽个数等于对应的片段中‘1’的个数。在每个子帧中，读头检测每个时间槽的状态，若某个时间槽有应答信息，则读头判断与该时间槽所对应的标签是存在的(即不丢失的)，并且更新n_i,k+1＝n_i,k-1，其中n_i,k表示在第k轮检测之前，C_i组标签中还未被读头确认存在的标签。因此，n_i,1＝n_i。与此同时，由于每个返回应答信号的标签的存在已经被读头确认了，该标签将在后面的检测过程中保持静默，以减小检测规模。若读头检测到子帧中的某一个时间槽为空，即没有应答信号，则判断该时间槽所对应的标签为丢失标签，即可提前终止对C_i组标签的丢失标签检测。第k轮检测结束后，读头即可得到n_i,k+1的值，并将之作为k+1轮检测的帧的时间槽个数，即f_k+1＝n_i,k+1。

(3)若没有检测到丢失标签，读头依次完成对C_i小组标签的w轮检测。

步骤四：当读头对上一组的标签检测完成后，则选定下一组标签利用组内丢失标签检测方法进行检测，直到所有小组的标签都被检测，则完成整个匿名分组RFID系统的丢失标签检测。

实施例：参见图1，在本实施例中，在对C_i小组的第k轮检测过程中，由于在该轮检测之前仍有16个标签未被读头确认，因此，f_k＝16。读头首先广播包含和f_k的信息，然后估计每个时间槽的状态，如图1中第k轮的期望帧状态，即S_i,k，为了方便说明，图1中片段的长度上限用8代替96。读头将S_i,k分成两个片段，分别为00000010和01000100。读头首先广播片段1。由于片段1只有倒数第二位是‘1’，所对应的是标签t₈，因此，只有t₈在子帧1中返回应答信号。读头检测到该时间槽有应答信号，即可判断t₈为非丢失标签。同时，t₈将在之后的检测过程中保持静默。之后，读头广播片段2。由于片段2的第二位和第六位是‘1’，在子帧2中，t₉和t₁₂将分别返回应答信号，读头即可判断它们为非丢失标签，t₉和t₁₂也将在之后的检测过程中保持静默。在第k轮检测结束后，读头可以判断为被确认的标签个数为13。

在第k+1轮检测过程中，f_k+1＝13。读头首先广播包含R_k+1和f_k+1的信息，然后估计每个时间槽的状态，如图1中第k+1轮的期望帧状态，即S_i,k+1。读头将S_i,k+1分成两个片段，分别为10000010和00001。读头首先广播片段1。片段1中第一位和第7位为‘1’，在子帧1中，t₃和t₁₀将分别返回应答信号，并且在之后的检测过程中保持静默。读头接着广播片段2。由于片段2中只有第五位是‘1’，因此在子帧2中只有t₁₁返回应答信号，并在之后保持静默。因此，在第k+1轮之后，只剩下10个标签未被确认。读头通过该方法对C_i小组的w轮检测逐一执行。

当读头对C_i组的标签检测完成后，则选定下一组标签利用上述丢失标签检测方法进行检测，直到所有小组的标签都被检测，则完成整个匿名分组RFID系统的丢失标签检测。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.9时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图2，虽然随着每小组丢失标签个数的增加，本发明所述所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法和现有方法的检测时间都在缩短，但在丢失标签个数相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.99时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图3，虽然随着每小组丢失标签个数的增加，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法和现有方法的检测时间都在缩短，但在丢失标签个数相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.9时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图4，虽然随着门限值T的增加，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法和现有方法的检测时间基本不变，但在门限值T相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.99时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图5，虽然随着门限值T的增加，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法和现有方法的检测时间基本不变，但在门限值T相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.9时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图6，随着具有丢失标签小组所占比例的增加，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间逐渐减小，而现有方法的检测时间基本不变，只有在具有丢失标签小组所占比例大于90％时才逐渐减小，且在具有丢失标签小组所占比例相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

当匿名分组RFID系统要求的检测精度α＝0.99时，采用本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法与现有方法对匿名分组RFID系统的丢失标签进行检测，参见图7，随着具有丢失标签小组所占比例的增加，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间逐渐减小，而现有方法的检测时间基本不变，只有在具有丢失标签小组所占比例大于90％时才逐渐减小，且在具有丢失标签小组所占比例相同的情况下，本发明所述匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法的检测时间与现有方法相比，明显缩短。

由上可知，本发明提供的匿名分组RFID系统的丢失标签检测方法能够在很大程度上提高时间槽的利用率，加速丢失标签检测过程，大大缩短检测时间，实现在丢失标签个数超过一定门限值时，能够满足匿名分组RFID系统要求的检测率，因此更加适用于匿名分组RFID系统的丢失标签检测。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。