用于RFID系统的后验概率的标签冲突解决方法与流程

本发明涉及后验概率的标签冲突解决方法，特别可用于rfid通信系统中多标签冲突问题，通过时隙状态改变帧长，以使rfid对标签的识别效率达到最大。

技术背景

rfid技术是物联网中的关键技术之一，具有识别效率高的优点。rfid系统工作时，可能会遇到有多个标签同时处于阅读器的工作范围内，为提高识别效率，阅读器通常需要一次识别多个标签。由于多标签识别一般采用共享的无线信道与阅读器进行通信，当有两个或两个以上的标签占用信道时，就会导致冲突。当然，两个或两个以上的标签并不一定必然导致冲突。由于标签距离阅读器远近不一，发射的信号有强有弱，信号较强的标签会被阅读器识别，而信号较弱的标签则或被阅读器忽略，这种现象称为捕获效应。由于捕获效应在rfid系统中也是实际存在的，因此在解决标签间冲突的同时也要解决捕获效应对识别标签带来的影响。

目前，rfid标签间冲突的仲裁方法可分为二进制树方法和aloha类方法。其中二进制树方法识别标签所需时间较长，识别效率不高，而aloha类方法识别效率较高。传统aloha方法一般需要确定帧长。确定帧长需要通过估计标签数来确定帧长，但其复杂度较高。同时在大规模标签识别环境下，标签数远大于初始帧长，可能会出现空时隙数的观测值为零的情况，会导致标签估计结果不太准确而影响标签识别效率。epcc1gen2的q方法也是aloha类方法，该方法采用自适应方式来调节帧长，但它需要阅读器不断重复发送命令去改变帧长，致使发送命令过多，而且在大规模标签识别环境下，发生捕获效应是一种普遍现象，而传统帧长估计方法和q方法并未考虑捕获效应对标签识别效率的影响。

我们在动态帧时隙aloha协议中，采用后验概率的标签冲突解决方法，该方法可根据帧时隙内前三个时隙的状态情况，调整帧长大小，减少了命令的反复发送情况，避免了估计的复杂度，同时可以减少捕获效应对识别效率的影响，确保阅读器的识别效率较大。当在阅读大规模标签时，提高了标签的识别效率。

技术实现要素：

针对上述现状和问题，我们发明了用于rfid系统的后验概率的标签冲突解决方法,它能根据帧内前三个时隙的状态情况，不断调整帧长大小，从而确定帧长，提高了对标签的识别效率，减少内存资源的浪费。同时由于帧长的调整，也避免了捕获效应对识别效率的影响，使得对标签的识别更为准确。当同时识别多个标签时，避免了标签冲突的发生。

本发明是通过如下技术方案解决上述技术问题的。

1.用于rfid系统的后验概率的标签冲突解决方法，其特征在于该方法的rfid系统是由一个阅读器和多个标签构成，阅读器发出相关命令，标签接收到相应命令后执行相应的操作，具体方法是：

①把一个阅读器和多个标签进行一次完整的通信识别过程所用的时间设定一个周期，其中一个完整的周期可分为以下四个阶段：

a、初始：阅读器先发送一段含有能量的连续载波信号以激活范围内的所有标签，同时发出查询命令；

b、发送id信息：标签向阅读器发送id信息，假如有超过两个的标签或者无标签发送id信息，则立即执行冲突命令，否则进行数据处理阶段；

c、数据处理：仅有一个标签向阅读器发送id信息，阅读器接收到后会发送一个成功命令返回给标签，当标签接收到命令后会与阅读器进行数据交换；

d、结束：所有标签的数据都与阅读器交换完毕。

②阅读器识别一组标签的时间定义为一个周期，一个周期又分为若干帧，每个帧又分为若干个时隙，根据每个时隙内，标签与阅读器的通信情况，时隙种类可分为以下三种类型：

a、成功时隙：该时隙内只有1个标签发送id信息；

b、空时隙：该时隙内没有标签发送id信息；

c、冲突时隙：该时隙内有2个以上标签发送id信息。

③根据于阅读器与标签的数据通信状态，可将标签分为以下四种状态：

a、初始态：阅读器并未激活标签；

b、准备态：阅读器发送载波信号激活标签；

c、id发送态：标签向阅读器发送id信息；

d、数据处理态：标签与阅读器进行数据交换；

e、静默态：标签已经在一个阅读周期内与阅读器完成了数据交换。

④每一个标签都有一个产生随机数的计数器，通过它实现后验概率方法来避免标签间冲突；计数器为0时则标签向阅读器发送id信息，这里用counter表示。

⑤用于rfid系统的后验概率的多标签冲突解决方法步骤如下：

a、初始时，阅读器发送一个含有能量载波的帧长l查询命令，以激活覆盖范围内的所有标签；

b、被激活的标签的计数器counter会在0~l-1的范围内随机产生一个数值，标签进入准备态；

c、在接收到阅读器发送的时隙开始命令后，判断进入准备态标签的计数器是否为0，若counter=0，则准备态的标签向阅读器发送id信息，标签由准备态变为id发送态；若counter不为0，那么这个时隙结束，所有标签counter的数值将自减1，系统进入下一时隙，并在下个时隙开始时这些标签仍处于准备态，或者当再次收到帧长查询命令后，标签计数器counter清零后将再次产生0-l-1内的随机数，标签进入准备态；

d、根据id发送态标签情况可以从以下三方面说明：

1)标签向阅读器发送其id1信息后，阅读器阅读后会发送含有id2信息的ack命令，若id1信息与id2信息完全相同，则标签识别成功，表明当前时隙为成功时隙，则阅读器的成功时隙计数器c1将自加1来更新数值。这个标签由id发送态进入静默态。若id1信息与id2信息不相同，则标签无法识别成功，表明当前时隙为冲突时隙，则阅读器的冲突时隙计数器ck将自加1来更新数值。这些冲突标签将回到初始态，当再次收到帧长查询命令后，则标签计数器counter将重新产生0-l-1内的随机数，进入准备态，否则还处于初始态。若标签无id信息发送给阅读器，则表明当前时隙为空时隙，阅读器的空时隙计数器c0将自加1来更新数值；

e、阅读器在识别标签过程中，会对每帧中前三个时隙进行判断，通过前三个时隙的状态来调整帧长的大小，使帧长达到最优，以此来提高标签识别效率，避免时隙资源浪费，具体有以下几个方面：

1)若前三个时隙全为空时隙，说明帧长过长，此时帧长减半，阅读器重新发送帧长查询命令；

2)若前三个时隙无空时隙，说明帧长过短，此时帧长加倍，阅读器重新发送帧长查询命令；

3)若阅读器总计数器数值和等于帧长，同时空时隙计数器c0的数值也等于帧长，则阅读周期结束。

本发明至少有以下优点：

①确定帧长占用硬件资源少

后验概率的标签冲突解决方法通过不断调整帧长的大小来确定帧长，减少了由于帧长过长或者过短导致的空时隙数或冲突时隙数，节省了硬件内存资源。

②提高了标签识别效率

若帧长过长会导致空闲时隙增多，帧长过短会使冲突时隙过多，以上情况都会使识别效率降低，而本发明通过不断改变帧长，使帧长在识别标签时得到优化，从而提高多标签识别效率。同时也使得阅读器减少了搜索次数，这大大节省了识别标签时间。

③适用于大规模标签识别环境

在实际的rfid系统中，可能会有大量的标签需要被快速识别，但在大规模标签识别环境下标签数远大于初始帧长，可能会出现空时隙不存在情况，这就需要去及时调整帧长来避免标签间的冲突，而本发明就可以很好的解决这一问题。本发明在阅读器识别标签过程中，会对每帧中前三个时隙进行判断，通过前三个时隙的状态来不断调整帧长的大小，使帧长达得到优化，避免标签间产生冲突。

下面结合说明书附图对本发明内容做进一步的说明。

图1是标签状态转换图；

图2是本发明中阅读器根据帧中前三个时隙状态调整帧长流程图；

图3是本发明中标签在阅读器帧时隙中被识别流程图。

具体实施方式

本发明方法的rfid系统是由一个阅读器和在其覆盖范围内的多个标签构成，阅读器先发出相关命令，标签接收到相应命令后执行相应的操作，具体方法是：

①把一个阅读器和多个标签进行一次完整的通信识别过程所用的时间设定一个周期，其中一个完整的周期可分为以下四个阶段：

a、初始：阅读器先发送一段含有能量的连续载波信号以激活范围内的所有标签，同时发出查询命令；

b、发送id信息：标签向阅读器发送id信息，假如有超过两个的标签或者无标签发送id信息，则立即执行冲突命令，否则进行数据处理阶段；

c、数据处理：仅有一个标签向阅读器发送id信息，阅读器接收到后会发送一个成功命令返回给标签，当标签接收到命令后会与阅读器进行数据交换；

d、结束：所有标签的数据都与阅读器交换完毕。

②阅读器识别一组标签的时间定义为一个周期，一个周期又分为若干帧，每个帧又分为若干个时隙，根据每个时隙内，标签与阅读器的通信情况，时隙种类可分为以下三种类型：

a、成功时隙：该时隙内只有1个标签发送id信息；

b、空时隙：该时隙内没有标签发送id信息；

c、冲突时隙：该时隙内有2个以上标签发送id信息；

③根据于阅读器与标签的数据通信状态，可将标签分为以下四种状态：

a、初始态：阅读器并未激活标签；

b、准备态：阅读器发送载波信号激活标签；

c、id发送态：标签向阅读器发送id信息；

d、数据处理态：标签与阅读器进行数据交换；

e、静默态：标签已经在一个阅读周期内与阅读器完成了数据交换。

④每一个标签都有一个产生随机数的计数器，通过它实现后验概率方法来避免标签间冲突；计数器是否为0决定了标签是否向阅读器发送id信息，这里用counter表示。图1给出了标签状态转换规则图。如图1所示，开始时，标签处于初始态，被阅读器激活后转为准备态。counter不为0的准备态标签，在下一时隙开始时还是处于准备态。counter=0的准备态标签，则进入id发送态，发送id信息，然后转为数据处理态。当标签发送的id1信息和阅读器反馈的id2信息相同时，标签被识别成功，数据处理态标签进入静默态，之后转为初始态离开。若标签发送的id1信息和阅读器反馈的id2信息不相同，则说明标签冲突，标签将回到初始态，在下一帧中进行识别。

⑤如图2所示，阅读器调整帧长执行多标签冲突仲裁是按以下步骤进行：

(1)初始化，对所有计数器清零。（步骤110）

(2)阅读器发送帧长查询命令以激活其覆盖范围内的所有标签。（步骤111）

(3)阅读器向所有标签发送时隙开始命令。（步骤112）

(4)标签接收到相关命令后执行相应操作，此时阅读器等待时隙内标签发送其id1信息。（步骤113）

(5)当阅读器收到标签的id信息后，会发送一个含有id2的ack命令给标签。（步骤114）

(6)阅读器对本时隙内标签进行相应识别后，发送时隙结束命令以结束当前时隙。（步骤115）

(7)阅读器总计数器cl会对已经进行的时隙进行计数，同时空时隙计数器c0、成功时隙计数器c1和冲突时隙计数器ck也会作出相应的数值更新。（步骤116）

(8)若cl=3，则转到步骤118；否则，转到步骤122。（步骤117）

(9)若c0=3，则转到步骤119；否则，转到步骤120。（步骤118）

(10)帧长l减半后，直接转回步骤111。（步骤119）

(11)若c1+ck=3，则转到步骤121；否则，直接转回步骤112。（步骤120）

(12)帧长l加倍后，直接转回步骤111。（步骤121）

(13)若cl=l，则转到步骤123；否则，直接转回步骤112。（步骤122）

(14)若c0=l，则转到步骤124；否则，直接转回步骤111。（步骤123）

(15)阅读周期结束。（步骤124）。

⑥如图3所示，在阅读器帧时隙内标签识别具体过程按以下步骤进行：

(1)初始时，所有被激活的标签的计数器counter将产生0~l-1范围内的随机数，标签进入准备态。（步骤211）

(2)处于准备态的标签接收阅读器发送的时隙开始命令。（步骤212）

(3)接收时隙开始命令后，对所有准备态标签，若counter=0，则转到步骤215；否则，转到步骤219。（步骤213）

(4)准备态标签变为id发送态后，标签将向阅读器发送其id1信息。（步骤215）

(5)标签成功接收阅读器发送的含有id2信息的ack命令，该标签转为数据处理态。（步骤217）

(6)若信息id1=id2，则转到221；否则，转到216直接转回。（步骤218）

(7)标签id被阅读器成功识别后，标签转变为静默态离开。（步骤221）

(8)未被阅读器成功识别的标签，将回到初始态。（步骤216）

(9)回到初始态的标签，若再次接收到帧长l查询命令，则直接转回到步骤211；否则，仍回到步骤216。（步骤214）

(10)若被激活标签的counter不为0，则标签将接收到阅读器发送的时隙结束命令，以跳出当前时隙。（步骤219）

(11)当前时隙结束后，所有标签counter将自减1，然后转回步骤210。（步骤220）

(12)若转回的标签再次接收到阅读器发送的帧长l查询命令，则转到步骤211；否则，转到步骤212。（步骤210）。