一种符合道路交通实际的智能交通电子标签防碰撞方法与流程

本发明涉及基于互联网+的符合道路交通实际的汽车电子标识数据采集过程中的标签防碰撞技术。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：

一个典型的射频识别(rfid)系统通常由一个或多个读写器以及众多标签组成，每个标签都有一个唯一标识符或者产品电子代码。为了便于描述，后面统称电子标签。读写器通过无线方式读取标签，这样系统就可以获得与标签相连的物体的信息。rfid系统分为被动式，主动式以及半被动式混合式，主要区别在于标签的供电方式。主动式rfid系统中，标签自带电源，利用自身电源的能量来发送数据，优点是发送范围广，缺点是寿命短。被动式rfid系统中，标签的供电来源于读写器发送的射频载波。当标签接受到读写器的查询命令后会立即响应，发送自己的id或者数据信息。射频识别技术的一个主要优点就是多目标识别。在系统工作的时候，阅读器周围可能会有多个标签同时存在，当多个标签同时向阅读器传送数据的时候就产生了冲突问题。

当前的电子标签的防碰撞算法主要有aloha-based和tree-based两类。其中基于树搜索的算法也称为确定性算法，它能够识别读出读写器有效通信范围内所有标签，但是该类算法比较复杂，延时较长。当配有电子标签的车速较快时，该类算法不能较好处理标签碰撞问题。因此，本发明提出一种符合道路交通实际的智能交通电子标签防碰撞方法。

技术实现要素：

本发明意在设计出一种符合实际道路应用情况的基于动态帧时隙aloha的电子标签防碰撞技术，有效提高电子车牌读卡器在对道路中行驶的拥有电子标签的车辆信息的效率。本发明为了解决射频识别系统中的多电子标签碰撞问题，提出一种结合时隙信息序列和自适应时隙分配的动态帧时隙的aloha算法，该算法可以有效提高系统的吞吐率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于时隙信息序列和自适应时隙分配的动态帧时隙的aloha算法。在每一轮的识别中，标签在收到阅读器命令后，将自己选择时隙放在时隙信息序列中，然后将时隙信息序列发送给阅读器。阅读器基于时隙信息序列做出操作。

实际道路情况中，一个读写器范围内车辆不会超过256辆，所以一般来说不需要分组，而且一条道路读写器较多，及时某个读卡器有漏读现象，下个读写器也会读出。因此，综合考虑道路实际情况，不需要进行分组处理。

1、基本概念

1.1空闲率：设定一帧内的时隙数，即帧长为n；阅读器范围内待读标签数量为n，每个标签在帧内的时隙内随机选择一个时隙进行发送自己的识别码信息。则r个标签出现在某特定的时隙的概率服从二项分布，则有：

若该时刻标签r＝0，即一个时隙里没有请求识别标签，则该时隙称为空闲时隙，其概率称为空闲率p0，为：

当r＝1，即一个时隙里只有一个标签请求识别标签，该时隙称为成功时隙，其概率称为成功率ps为：

当r≥2时，即一个时隙里有两个及以上的标签请求识别标签，该时隙称为碰撞时隙，其概率称为碰撞率pk为：

pk＝p(x≥2)＝1-p(x＝0)-p(x＝1)(4)

则在一帧的识别周期内，仅有一个标签的时隙期望为：

没有标签的时隙数的期望值为：

产生碰撞的时隙数的期望值为：

e(x≥2)＝n-e(x＝0)-e(x＝1)(7)

1.2吞吐率：rfid系统的吞吐率s是指阅读器在一个识别帧长的时间内成功传输信息的标签数目所占的比例，即

2、时隙信息序列

由于当阅读器通信范围内电子标签数量过多时，容易出现“漏读”现象，我们引入一个时隙信息序列来解决这种问题。通过时隙信息序列，阅读器可以通过较小的代价来预先获取各个标签所选择的时隙，以此提高算法的效率。

时隙信息序列a的长度为可选时隙的个数n，假设某一标签在[1，…n]中随机选择一个时隙m，则a的第m位被设置成1，而其余位被设置为0。如当n＝15，m＝8时，对应的时隙信息序列a＝000000010000000。当有多个标签同时发送各自产生的时隙信息序列，假设n＝15，现有四个标签tag1、tag2、tag3、tag4，且各个标签所对应的m依次为1，5，9，12，那么其碰撞情况如图1所示

由时隙信息序列碰撞示意图我们可以发现，若阅读器检测到某比特位发生碰撞(图中使用x表示)，那么我们可以断定至少有一个标签选中了该比特位所对应的时隙，而“0”表示该比特位所对应时隙为空时隙，那么在获取数据的帧中，阅读器可以跳过这些时隙，从而可以避免空时隙对系统效率的影响。

此外，为了更进一步提高系统效率。结合智能交通实际情况，在阅读器端设置一计数器，统计阅读器检测结果中某一非空时隙的碰撞次数。若某位计数器数目等于1，即此时隙为成功时隙时，阅读器对此时隙处电子标签进行识别。被识别成功标签进入暂时休眠状态，不再响应。碰撞状态的标签等待下一个帧识别周期。

3、自适应帧长更新方法

本小节中，本发明提出一种新的，适合于道路实际交通情况的帧长更新机制，可以有效提高防碰撞检测效率。为了获得系统的最大吞吐率，帧时隙防碰撞算法的关键是需要在识别过程中能够尽可能准确的估算标签数量，这样，就能够确定出比较合适的帧时隙数，以便更加快速的识别出更多的标签。目前比较常用的标签估计算法主要有schoute算法和vogt算法。

通过图2，我们可以发现，当标签数量小于2f时，即空闲率小于0.14时，vogt算法估算标签数量效果要比schoute好。此外，当空闲率较高时，如果使用schoute算法进行帧长更新，速度较慢，会造成时隙浪费的问题。因此，当空闲率高于0.6时，调整下一帧的帧长l(i+1)＝l(i)/2；当空闲率处于这两个值中间时，采用schoute算法进行帧长更新。

在实际道路交通中，某一段时间内通行的车辆数目是保持稳定的。因此，如果每查询一轮便进行一次时隙更新，不管是时隙数目增加还是减少，势必都会影响到标签的检测。基于此，我们对当前轮的空闲率p^i-20进行计算，如果当前帧的空闲率p0ⁱ与前两轮空闲率的之差的和在20％之内，则时隙数目不进行更新。则有

最终可以得到我们的自适应帧长更新机制。即当δ大于根据具体道路交通情况设定的阈值时，如果当前空闲率p0ⁱ小于0.14时，我们使用vogt算法更新帧长，当空闲率在0.14和0.6之间时，我们使用schoute算法更新。当空闲率高于0.6时，调整下一帧的帧长为l(i+1)＝l(i)/2。当δ小于根据具体道路交通情况设定的阈值时，下一帧的帧长保持与上一帧相同。然后根据表1中标签个数与下一帧时隙数对应关系对下一帧时隙进行更新。基于这个方式，可以保证当道路中某一时间内车流比较均匀时，系统可以减少花费在帧长更新上的时间。更加符合道路的实际交通情况。

表1：标签个数与下一帧时隙数对应关系

附图说明

图1是本发明的时隙信息序列碰撞示意图；

图2是标签个数与标签估计算法预测误差关系图；

图3本发明算法流程图；

具体实施方案

本发明设计出的一种符合实际道路应用情况的基于动态帧时隙aloha的电子标签防碰撞技术。具体过程将结合如图3所示的算法流程图说明如下

1.设置查询轮数q，在进行数据读取之前，首先进行时隙扫描。阅读器以广播的形式发送detect(n)命令给每个标签。

2.标签收到该命令之后，在[0，2n-1]当中随机选择一个时隙r，并将r保存至存储器中，然后将r对应的时隙信息序列t发送给阅读器。

3.根据时隙信息序列的特点，阅读器可根据收到的经过叠加的信号，解析出被标签选中的时隙数集合suc_slots，空时隙数集合empty_slots和碰撞时隙集合collision_slots；阅读器根据解析出来的集合，将时隙信息序列m成功时隙数对应的相应位数置为1，碰撞和空闲位置为0；

4.对于集合suc_slots中包含的时隙编号s，阅读器发送request(s)命令和时隙信息序列m给所有标签；

5.标签收到request(s)命令和序列m后，根据之前存储的随机数r，检测接收到的时隙信息序列m的对应位是否与自身存储序列t的对应一致，若相同，则发送标签的id。

6.阅读器发送sleep()命令，在这一轮查询过程中被正确读取到的标签就会进入静默状态，即不再参与接下来的查询；

7.在每一轮识别结束以后，根据空时隙数集合计算出空闲率，根据空闲率的大小和与前两轮空闲率的计算选择相应的未识别标签估计算法；

8.根据估算出来的标签数量，对应表1中的对应关系调整时隙数目，q＝q+1q＝q+1。

本发明提出了一种结合时隙信息序列和自适应动态分配时隙的rfid电子标签防碰撞算法，该算法能够有效应用于实际道路中。通过使用时隙信息序列，避免了空时隙的资源浪费。并且使用一种新的未识别标签估计算法，能够有效提高了防碰撞效率。本发明是针对实际交通道路情况进行设计的，算法的优势尤为显著，具有广阔的应用前景。