一种基于信息位编码的自适应搜索的rfid防碰撞方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于射频识别技术领域中的多标签读取技术，涉及多标签防碰撞的方法。
【背景技术】
[0002] 射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID)技术是利用射频通信以快速 获取目标物体数据的一种非接触式自动识别技术，是物联网感知层的关键技术之一。与传 统的识别技术相比，RFID技术具有操作简单、抗干扰性强、能识别高速运动的物体以及可适 应于恶劣环境等多方面的优点，在物流、跟踪、定位以及交通运输控制管理等领域已得到广 泛应用。因此，被列为21世纪最有发展前途的信息技术之一。
[0003] 通常RFID系统通常由电子标签（Tag)、读写器（Reader)和后端数据库 (Database)三大部分组成。其中电子标签可分为有源标签和无源标签，由于成本等各因素 的限制，大多数RFID系统均采用无源标签，即被动标签，其所需能量完全由读写器发送的 电磁波提供。当多个标签在同一时刻响应读写器的命令时，信号之间就会相互干扰，导致读 写器无法准确地读取数据，这种现象成为标签碰撞。因此，如何有效快速地识别标签一直都 是RFID技术的主要研宄方向，也是物联网技术领域中一个研宄的热点。
[0004] RFID系统必须采用一定的策略或算法来避免碰撞现象的发生，即控制标签的响应 时序逐个与读写器进行通信，并在一定时间内完成对所有标签的识别。为此，国内外的学者 在关于多标签与读写器的碰撞问题方面已经做了大量的研宄。这些防碰撞的算法主要分 为两大类：一种是基于时隙随机分配的ALOHA算法，也称为不确定性算法；如时隙ALOHA算 法、帧时隙ALOHA算法、动态帧时隙ALOHA算法以及Q算法等，这些算法均采用碰撞则退避 重传的基本思想，所以其实现过程相对比较简单。但是，随着标签数目的增加，其性能急剧 恶化，研宄者们又相继提出增强的动态帧时隙算法、分组动态帧时隙ALOH算法等。虽然这 些算法使系统的性能有所改善，但该类算法具有一定的随机性，可能存在单个或多个标签 在很长的一段时间内均无法被成功识别，即出现标签"饥饿"问题。
[0005] 另一种则是基于二进制搜索的确定型算法，其代表算法有二进制搜索（Binary Search,BS)算法、动态二进制搜索（DynamicBinarySearch,DBS)算法以及跳跃式动 态树（JumpingandDynamicSearching,JDS)算法，查询树（QueryTree,QT)算法，四 叉树（4-aryQueryTree, 4QT)算法以及自适应多叉树防碰撞（AdaptiveMulti-tree Search,AMS)算法等。其中，BS算法是通过多次比较，不断减少响应标签的数目，直至对剩 下唯一的标签进行识别；DBS算法则可以动态的调整读写器查询命令和标签反馈信息的ID 长度；而JDS算法是基于以上两种算法的改进，不是从根节点开始重新查询，而是退到它的 上一层节点即父节点继续查询，以减少算法的时间复杂度。QT算法则对标签的要求相对比 较简单，标签不需要具有任何记忆功能，降低了标签的制作成本。其缺点就是识别的时间较 长，吞吐率很低。4QT算法虽然减少了碰撞时隙，同时也增加了空闲时隙。而AMS算法则是 这两种算法的结合，通过引入碰撞因子，让读写器调整分叉数以提高系统的性能。但是这些 算法识别时间相对比较长，读写器与标签之间的数据通信量比较大，其吞吐率只有50%左 右。
[0006] 现有的RFID防碰撞算法或多或少存在一些如算法操作复杂、对标签计算能力要 求高、发送数据冗余等缺点，本发明在总结前人许多经典算法的基础上，提出一种基于信息 位编码的自适应搜索RFID防碰撞算法（AdaptiveSearching,AS)。
【发明内容】
[0007] 本发明为了减少对物体标签识别时间，提出一种基于信息位编码的自适应搜索的 防碰撞（AS)算法。读写器充分利用碰撞位信息，要求标签返回碰撞位编码信息，进而自适 应地生成有效查询前缀，对标签进行无空闲时隙识别，以减少查询次数，提高算法的性能。 此外，AS算法也解决了读写器与标签通信中传输信息冗余等问题。本发明通过理论分析证 明了该算法的有效性，其中吞吐率的理论值与实验值的误差不超过5%，还从时间复杂度和 通信复杂度对该算法进行了详细地分析。仿真结果表明：AS算法不仅提高了系统的性能， 而且还降低了标签能量的消耗。特别是当标签数为1000时，该算法的吞吐率仍保持在61% 左右，比查询树算法和自适应多叉树算法的系统效率分别提高了 72%和20. 1%左右。
[0008] 1、本发明基本思想。
[0009] 无论是Q算法，四叉树搜索算法还是AMS算法，其基本思想都是一旦检测到最尚碰 撞位，则按照固定的模式生成前缀，然后依次发送这些前缀对标签进行查询。由于读写器不 知道标签碰撞位的具体信息，只能不断地从堆栈中取出查询前缀，盲目地对标签进行查询， 就会不可避免地产生大量的空闲时隙，最终影响系统的性能。
[0010] 为了让读写器获得碰撞位信息，标签需将前4bit碰撞位信息进行相应的编码，如 表1所示。读写器利用Manchester(曼彻斯特）的特性，检测出碰撞位的信息。如果仅有 Ibit发生碰撞，则将该碰撞位分别置0, 1，生成两个新前缀，并将其压入读写器Stack堆栈 中；反之，则将最高碰撞位之前的信息发给标签，标签收到消息后，与自身的ID进行对比。 如果相同，则将后续4bit(从最高碰撞位开始）进行编码，并将编码信息返回给读写器。否 贝1J，标签不应答。由于编码之后的16bit中只有Ibit是1，其他均为0,所以无论是哪几种 情况发生碰撞，读写器均能准确无误的将原碰撞信息解码出来，最后生成相应的前缀，压入 堆栈中。
[0011] 2、AS算法性能分析。
[0012]AS算法继承了QT算法和AMS算法的优点，即标签不需要存储以前的查询情况，同 时在它们的基础上还加以改进。AS算法不仅仅只有二、四两种固定分支的选择，它会随着标 签ID的分布情况，自适应地分配多叉树，生成有效查询前缀，对标签无空闲时隙的识别，从 而提尚算法的性能。
[0013] 表IAS信息位编码规则
[0014]
【主权项】
1. 一种基于信息位编码的自适应搜索RFID防碰撞方法，其特征是按以下步骤： (501) :初始化，将读写器Stack堆栈清空，并把空字符串NULL压入堆栈中，要求在其作 用范围内的标签处于待命状态； (502) :读写器从堆栈中取出栈首元素，并以广播的方式发送给标签，与查询前缀相 匹配的标签响应，并且返回各自ID中与查询前缀互补的部分；如果读写器是首次查询，则 发送Request(NULL)命令，要求标签返回其自身完整的ID;如果堆栈为空，则跳转至步骤 (S07)； (503) :读写器收到标签返回的信息后，首先利用Manchester原理定位到最高碰撞位n 的位置，然后对n进行判断： 1) 如果n< 4,则将第n位分别置0, 1，生成两个新的查询前缀并压入堆栈中，返回步骤 (S02)； 2) 否则，转入步骤（S04); (504) :读写器根据响应标签的数量进行相应的处理； (505) :标签收到消息M后，与自身的ID前缀进行对比，如果一致，则将第n位至第n-3 位的信息进行相应的编码，并返回给读写器；否则，标签不应答，等待下一次查询； (506) :读写器收到编码信息后，通过解码即可获得标签产生碰撞的具体信息，进而生 成有效查询前缀并且压入堆栈中； (507) :判断堆栈是否为空，如果为空，则识别过程结束；否则，返回步骤（S02)，取出栈 首元素，重复上述过程直至将所有标签识别完。
2. 根据权利要求1所述的基于信息位编码的自适应搜索RFID防碰撞方法，其特征是所 述的（S04)按以下步骤： (1) 如果只有一个标签响应，则直接读出该标签的数据，并发送Sle印(）命令，让其进 入休眠状态，不再参与后面的查询； (2) 如果有两个或两个以上的标签，则需进一步判断： 1) 如果仅有Ibit发生碰撞，则将相应的碰撞位分别置0, 1，生成两个前缀并压入堆栈 中，返回步骤（S02); 2) 如果碰撞位是2bit或2bit以上，则读写器以广播的方式发送Call(M，n)命令，要求 条件符合的标签返回其碰撞位信息，转入步骤（S05)。
【专利摘要】一种基于信息位编码的自适应搜索的RFID防碰撞方法，读写器充分利用碰撞位信息，要求标签返回碰撞位编码信息，进而自适应地生成有效查询前缀，对标签进行无空闲时隙识别，以减少查询次数，提高算法的性能，也解决了读写器与标签通信中传输信息冗余等问题。本发明通过理论分析证明了该算法的有效性，其中吞吐率的理论值与实验值的误差不超过5％。本发明提出的自适应搜索(AS)算法不仅提高了系统的性能，而且还降低了标签能量的消耗。特别是当标签数为1000时，该算法的吞吐率仍保持在61％左右，比查询树算法和自适应多叉树算法的系统效率分别提高了72％和20.1％左右。
【IPC分类】G06K17-00
【公开号】CN104794509
【申请号】CN201510218262
【发明人】张小红, 胡应梦, 钟小勇
【申请人】江西理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年5月4日