一种基于大规模RFID系统的未知标签识别方法

本发明涉及射频识别和物联网，具体涉及一种基于大规模rfid系统的未知标签识别方法。

背景技术：

1、一般来说，一个射频识别（英文：radio frequency identification，简称：rfid）系统由一个配有数据库的后端服务器、配备一个或多个天线的阅读器和大量rfid标签组成。由于后端服务器具备强大计算能力和存储能力，可以高效地处理数据库中存储的数据和阅读器传回的信息，并实时地为阅读器提供指令以调节、同步和管理rfid标签。阅读器与后端服务器之间通过有线高速链路连接，通过天线向通信范围内的标签发送射频信号，并接收标签发回的信息。每个标签具有一个唯一的96位的电子产品代码（英文：electronicproduct code，简称：epc）用于标记目标的身份。

2、通过快速清点系统中的标签，阅读器可以实现对rfid系统中标记目标的有效管理。例如，在一个大规模的仓库中，贴有rfid标签的产品信息被储存在后端服务器的数据库中。阅读器能够通过清点标签对标记产品进行相应的商业操作，而进入rfid系统中但却未注册的未知标签将严重干扰正常的标签管理。这些未知标签可能会选择与已知标签相同的时隙来回复阅读器，从而导致标签的冲突产生，以致无法有效监测已知标签。特别是在一些重要的应用中，及时识别系统中的未知标签并且消除它们的影响能避免相当大的经济利润损失，甚至能避免安全事故的发生。

3、在过去的十年中，未知标签的识别问题得到了学术界的充分研究。在现有的工作中，主流的想法是致力于提高基于帧时隙aloha（英文：framed slotted aloha，简称：fsa）协议的时隙利用率。fsa协议被广泛用于阅读器和标签之间的通信过程，它允许每个标签在一个时间帧中随机选择一个时隙进行回复。鉴于此，由于标签的回复的时隙是随机的，因此空时隙和冲突时隙将是不可避免的，这将导致在阅读器收集标签epc时的效率比较低下。

4、为了解决fsa协议中的这一棘手的问题，许多研究人员进行了充分的研究并提出了许多建设性的方法。例如，chu等人提出了识别未知标签的euti协议，其中引入了指示性向量来指导已知标签和未知标签在特定的时隙中进行回应。在第一阶段，首先阅读器构建一个期望帧向量用于标记未知标签，然后通过一个基于期望非空隙的向量来失活已知标签。然而，低比例的期望空隙会导致在一个时间帧中对未知标签的标记效率低下。此外，尽管冲突时隙被用来加速已知标签的失活过程，但指示向量的广播带来了额外的开销。在第二阶段中，euti协议采用帧长较大的时间帧来减少冲突时隙的比例，并构建一个指示向量来跳过期望空时隙，提高未知标签的识别效率。与以前的工作相比，euti协议的识别效率可以得到很大提高。然而，指示向量中包含大量的 "0 "位，使得广播开销增加。因此，减少广播开销和提高每个时隙的利用率对提高识别效率至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于大规模rfid系统的未知标签识别方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于大规模rfid系统的未知标签识别方法，所述大规模rfid系统包括一个后端服务器、一个rfid阅读器、个已知标签以及个未知标签，每个标签均具有一个唯一的96位的电子码，记为epc，所述未知标签识别方法包括以下步骤：

4、s1、首先进入已知标签失活阶段，阅读器对所有已知标签的epc进行哈希运算，构建一个由“0”和“1”组成的期望帧向量；阅读器从向量中筛选出所有的两个“1”位之间的“0”片段，其中长度的最大值用表示，所有位长的二进制字符串共同构成向量；

5、s2、阅读器广播参数请求给所有标签，每个rfid标签内存中存储一个索引向量，每个标签根据哈希结果和更新后的索引向量的值来判断是否为未知标签；

6、s3、s2中未被标记的标签为已知标签，rfid阅读器失活所有已知标签；

7、s4、进入未知标签识别阶段，每个未知标签通过哈希运算得到哈希结果，并构建一个长为位的向量并发送给阅读器；

8、s5、当收到所有未知标签发回的信息后，阅读器采用曼彻斯特解码将所有的未知标签信息进行解码并重新构建一个紧凑的指示向量；

9、s6、阅读器将向量广播给系统中所有的未知标签，每个未知标签内存中存储有索引向量，若每个未知标签的哈希结果和更新后的索引向量的值相等，则该未知标签在相应的时隙向阅读器发送其epc，使阅读器识别该未知标签。

10、进一步地，步骤s1具体为：rfid阅读器通过随机种子为的哈希函数对所有已知标签的电子码进行哈希运算，将所有的已知标签映射到一个长为位的数组中，从而构建一个由“0”和“1”组成的期望帧向量，其中，“1”表示期望非空时隙，包括期望单时隙和期望冲突时隙，“0”表示期望空时隙；阅读器从向量中筛选出所有的两个“1”位之间的“0”片段，并得到这些“0”片段的长度，其中长度的最大值用表示；每个“0”片段的大小用一个长为的二进制字符串来表示，则所有位长的二进制字符串共同构成向量。

11、进一步地，步骤s2具体为：阅读器分别广播参数和向量给系统中的所有标签，当标签接收到请求命令后，每个标签根据哈希函数得到哈希结果并对帧长取余后得到最终值；每个rfid标签内存中存储一个索引向量，记为并初始化为“0”；每个标签依次通过增加中每个位的片段大小来更新；若更新后的的大小不等于，则该标签标记为一个未知标签，并且将在已知标签失活阶段保持沉默直至未知标签识别阶段开始。

12、进一步地，步骤s3具体为：若某标签未被标记为未知标签，则该标签将会通过和的值决定是否向阅读器发送回应消息；若的值等于的值，则该标签将在对应时隙向阅读器发送一个短回应，回应时隙的索引值即为用于更新的“0”片段在所有“0”片段中的索引值；若一个标签在一个单时隙中回复，则阅读器发送一个“ack”命令来失活该标签；若阅读器在一个时隙中同时收到多个标签的回应，则阅读器发送一个“nck”命令使这些标签保持活跃状态并参与下一轮的已知标签失活阶段，即循环步骤s1到s3，直至所有已知标签被失活。

13、进一步地，步骤s4具体为：当所有的已知标签被失活后，阅读器开启未知标签识别阶段；将所有的未知rfid标签映射到一个长为位的数组中，首先阅读器向所有未知标签发送一个参数请求命令，其中为一个随机种子；当收到请求命令后，每个未知标签通过哈希运算得到哈希结果后并对帧长取余得到结果，然后每个标签构建一个长为的向量，其中索引值为的位的值为“1”，其余位为“0”。

14、进一步地，步骤s5具体为：所有的未知标签将构建的向量同时发送给阅读器，阅读器采用曼彻斯特解码将所有的向量进行解码，当所有向量里的同一位的值全部为“0”，则阅读器将对应位解码为“0”，若所有向量的同一位的值至少有一个为“1”，则阅读器将对应位解码为“x”，即“x”代表一个冲突位；解码后的标签信息记为向量，阅读器将重新构建一个紧凑的指示向量；阅读器筛选出中所有“x”之间的“0”片段，并找出所有片段中长度的最大值，记为；所有的“0”片段用一个位长的字符串表示其长度，所有代表“0”片段长的位的字符串共同组成向量。

15、进一步地，步骤s6具体为：阅读器将向量广播给系统中所有未知标签，每个标签内存中存储有另一个索引向量，且初始化为“0”，当收到后，每个未知标签通过增加中的每个位的元素来更新；如果更新后的的值等于，则该未知标签在相应的时隙向阅读器发送其epc，而对应时隙的索引值为用于更新的“0”片段在所有“0”片段的索引值；当一个未知标签在一个单时隙中向阅读器发送epc，则阅读器能够正确识别该未知标签；若多个未知标签实际选择一个冲突时隙来发送epc，则阅读器无法准确识别在该冲突时隙回复的所有标签，这些未知标签将参与下一轮的未知标签识别阶段，即重复循环步骤s4到s6，直至全部未知标签被识别。

16、进一步地，在第次循环步骤s1到s3的过程中，未被失活的已知标签的数量为，未被标记的未知标签数量为，则一个时隙是一个期望空时隙的概率为：

17、； (1)

18、一个时隙为期望单时隙的概率为：

19、；  (2)

20、则在向量中，期望有个“0”片段，所有“0”片段的平均长度为 ，每个片段的长度用一个长为位的二进制数列表示。

21、进一步地，在所述s2中，一个未知标签被标记的概率为，则本次循环中被标记的未知标签数量的期望值为。

22、进一步地，在所述s3中，未被标记的未知标签数量的期望值为；一个期望单时限被至少一个未知标签选择的概率为：

23、；(3)

24、一个已知标签被成功失活的概率为：

25、；(4)

26、在本次循环中被失活的已知标签数量的期望值为：

27、；(5)

28、为在第+1次循环步骤s1到s3的过程中，未被失活的已知标签的数量；

29、则第次循环步骤s1到s3的总执行时间为：

30、；(6)

31、其中，为阅读器广播参数请求的时间，为传输1位信息的单时隙所用的时间，为冲突时隙的持续时间，为阅读器向标签发送1位信息所耗时间，则失活一个已知标签所耗时间的期望值为：

32、；(7)

33、为在第i次循环过程中失活一个已知标签所耗时间的期望值；

34、根据式(7)知，当最小时能够求得最优的的值。

35、进一步地，在第次循环步骤s4到s6的过程中，表示在执行本次循环前未被识别的未知标签的数量，则一个时隙不被任何未知标签选择的概率为：

36、；(8)

37、一个时隙只被一个未知标签选择的概率为：

38、；(9)

39、则在第次循环步骤s4到s6的过程中被识别的未知标签的数量为；

40、第次循环步骤s4到s6的过程中所耗时间为：

41、；(10)

42、其中，为标签传输96位的epc所用单时隙的时间成本，为标签向阅读器传输1位信息所用时间，为在向量中“0”片段的数量，所有“0”片段的平均长度为，每个片段的长度用一个长为位的二进制数列表示；

43、识别一个未知标签所耗时间的期望值为：

44、；(11)

45、根据式（11）知，当最小时求得最优的的值。

46、本发明带来的有益技术效果。

47、（1）本发明引入了一个紧凑的指标向量，该向量由“0”片段的长度组成，缩短了阅读器的广播开销，有效地提高了未知标签标记和已知标签失活的效率。

48、（2）本发明设计一个紧凑的基于标签回复的指标向量，通过给每个未知标签分配一个指定的槽位来收集未知标签的epc，不仅可以减少广播开销，还可以消除无用的空时隙。

49、（3）本发明进行广泛的理论分析和模拟仿真，证明了本发明所提方法的可行性和有效性。