一种密集环境下RFID系统滤波方法

摘要

一种密集环境下RFID系统滤波方法，采用空中接口滤波方法，包括以下步骤：（1）根据阅读器发射天线增益以及发射功率，获取包括区域内所有阅读器天线的所有矩形框的边界盒，利用边界盒滤除标签群中的冗余信息；当标签群范围边界存在读滤波时，则视为边界盒无效；（2）利用水平及垂直扫描线找出矩形框组边界之间的交叉点，以隔离矩形框组的重叠部分，待找到矩形框组的重叠部分后，选择多个单独的隔离边界盒，阅读器利用Select指令滤除每个隔离边界盒内的冗余信息；（3）重复步骤（2），直至每个隔离边界盒内获取更小的冗余信息区域。本发明相较于读滤波方法，其滤波效率提高50%。

说明书

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，特别是涉及一种密集环境下RFID系统滤波方法。

背景技术

物联网利用射频识别（RFID）、无线传感网等信息传感设备，将目标物与互联网相连接，实现对目标物的智能化识别、定位、监控及管理等功能。RFID系统、数据库及网络数据处理能力的限制，使得从海量RFID标签数据中滤除冗余标签信息成为RFID应用中亟需解决的问题。

密集环境RFID系统是设备部署环境中存在多个阅读器及大量标签，且支持较大数量的终端用户及应用。其中，空中接口层执行预滤波，中间件对预滤波做出响应。阅读器层及中间件层执行后滤波。后滤波由读滤波开始，且读滤波受终端用户及应用控制。中间件将部分后滤波任务分配给阅读器，以减少中间件计算量及阅读器与中间件网络载荷。

RFID标签数据结构根据ISO/IEC 18000-6C标准，一般包括版本号、域名管理者、对象分类及序列号四部分。编码长度分为64位、96位及256位三种，以GID-96为例，标签数据结构中四部分分别为8位、28位、24位及36位。阅读器接收标签数据后，基于按位模式对标签数据进行读滤波处理。例如，可口可乐公司产品GID-96编码为35.00009F1.*.*，其中355ml罐装可乐的对象分类代码为000200，则可利用35.00009F1.000200.*从标签数据中滤出355ml罐装可乐产品，从而实现读滤波。

根据ISO/IEC 18000-6C标准，阅读器利用Select（选取），Inventory（盘点）及Access（存取）三个指令管理标签群。阅读器通过一个或多个Select指令选择特定标签群执行Inventory指令。执行Select指令后，只有匹配标签设置标记，其它标签不执行Inventory过程。当匹配标签群接收到Query指令时，Inventory循环开始。Access过程是阅读器对Inventory过程中指定的标签进行读写操作。

《IEEE Network》在2001年第2期第15卷发表的 " Algorithms for packet classification "一文中，介绍了典型的网络数据包分类方法；Park H S和Kim J D在 2006年编写的《Design and Implementation of a High-speed RFID Data Filtering Engine》一书中，讨论了RFID滤波及网络数据包分类方法的相似性；EPCglobal在2006年发布的Reader Protocol, Version1.1中，给出了RFID阅读器读滤波算法；Bai Y, Wang F和Liu P在 2006年编写的《Efficiently Filtering RFID Data Streams》一书中，以及Wang F和Liu P在 2005年发表的" Temporal Management of RFID Data "一文中，均提出了基于读滤波的RFID滤波方法，重点解决了实际应用中去除噪声及重复数据以准确获取目标ID数据的问题。然而，由于上述读滤波方法的标签数据源数量大，导致实时性较差，滤波效率较低，不符合快速滤波的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述不足，提供一种实时性好，滤波效率高的密集环境下RFID系统滤波方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种密集环境下RFID系统滤波方法，采用空中接口滤波方法，包括以下步骤：

（1）根据阅读器发射天线增益以及发射功率，获取包括区域内所有阅读器天线的所有矩形框的边界盒，利用边界盒滤除标签群中的冗余信息，即落入边界盒内、矩形框外的区域以及矩形框组之间相互重叠的区域均视为冗余信息区域；当标签群范围边界存在读滤波时，则视为边界盒无效；

（2）利用水平及垂直扫描线找出矩形框组边界之间的交叉点，以隔离矩形框组的重叠部分，待找到矩形框组的重叠部分后，选择多个单独的隔离边界盒，阅读器利用Select指令滤除每个隔离边界盒内的冗余信息；

（3）重复步骤（2），直至每个隔离边界盒内获取更小的冗余信息区域。 

 进一步，步骤（1）中，所述阅读器天线的矩形框由如下公式获得，

式中，为波长，为阅读器天线增益，为标签天线增益，为阅读器天线发射功率，为标签天线灵敏度，为阅读器天线主瓣宽度。

进一步，步骤（2）中，所述阅读器利用Select指令滤除每个隔离边界盒内的冗余信息是通过以下步骤完成：

1）Select指令选择基于用户定义标准的标签群、启动单元、相交和基于标签分块的否定；

2）阅读器发送连接Select指令执行启动单元和相交操作；

3）Select指令可以确认或取消确认适用于四个通话的标签的SL（选定）标记，或者可以在四个通话的其中一个通话中将标签的已盘标记设置为A或B；

4）阅读器和标签协议标准执行Select指令，目标为Select指令是否修改标签的SL标记或已盘标记，如果是在已盘标记的情况下，则表示是否为某通话修改SL标记或已盘标记，随后执行相应的标签应答。

进一步，步骤（2）中，在寻找交叉点时，应避免隔离边界盒之间相互重叠，即产生复制区域。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：结合读滤波算法及Select指令，利用矩形框几何形式，给出空中接口滤波方法，以准确获取目标标签数据，并利用Inventory概率模型及滤波时间测试方法，对所提出的滤波方法进行仿真测试；测试结果表明，相较于读滤波方法，所提出方法滤波效率提高50%。

附图说明

图1为本发明实施例边界盒有效的示意图；

图2为本发明实施例边界盒无效的示意图；

图3为本发明实施例3个隔离边界盒的示意图；

图4为本发明实施例隔离边界盒产生复制区域的示意图；

图5为本发明实施例6个冗余信息区域的示意图；

图6为本发明实施例3个冗余信息区域的示意图；

图7为本发明实施例两次Select操作的示意图；

图8为本发明实施例单阅读器环境，及比例关系的示意图；

图9为本发明实施例读循环Inventory操作次数的示意图；

图10为本发明实施例密集环境下阅读器的布置示意图；

图11为本发明实施例阅读器密集环境，及比例关系的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

一种密集环境下RFID系统滤波方法，采用空中接口滤波方法，包括以下步骤：

（1）根据阅读器发射天线增益以及发射功率，获取包括区域内所有阅读器天线的所有矩形框的边界盒，利用边界盒滤除标签群中的冗余信息，即落入边界盒内、矩形框外的区域以及矩形框组之间相互重叠的区域均视为冗余信息区域，参照图1；当标签群范围边界存在读滤波时，不能提高滤波效率，则视为边界盒无效，参照图2。

其中，阅读器天线的矩形框由如下公式获得，

式中，为波长，为阅读器天线增益，为标签天线增益，为阅读器天线发射功率，为标签天线灵敏度，为阅读器天线主瓣宽度。

（2）利用水平及垂直扫描线找出矩形框组边界之间的交叉点，以隔离矩形框组的重叠部分，待找到矩形框组的重叠部分后，选择3个单独的隔离边界盒，参照图3；阅读器利用Select指令滤除3个隔离边界盒内的冗余信息；而图4中，由于新的复制区域的出现，相较于图2，则增加了少量的冗余信息区域，因此应避免复制区域的产生。

阅读器利用Select指令滤除每个隔离边界盒内的冗余信息是通过以下步骤完成：

1）Select指令选择基于用户定义标准的标签群、启动单元、相交和基于标签分块的否定；

2）阅读器发送连接Select指令执行启动单元和相交操作；

3）Select指令可以确认或取消确认适用于四个通话的标签的SL标记，或者可以在四个通话的其中一个通话中将标签的已盘标记设置为A或B；

4）阅读器和标签协议标准执行Select指令，目标为Select指令是否修改标签的SL标记或已盘标记，如果是在已盘标记的情况下，则表示是否为某通话修改SL标记或已盘标记，随后执行相应的标签应答。

（3）重复步骤（2），直至每个隔离边界盒内获取更小的冗余信息区域。图5中，利用4个Select指令产生6个冗余信息区域；图6中，利用4个Select指令产生3个冗余信息区域。冗余信息区域远小于整体区域。

空中接口滤波方法利用Select指令在数据源头对标签群进行滤波，从而提高系统数据处理能力。为评估所提出空中接口滤波方法效率，本实施例采用Inventory概率模型及滤波时间测试方法评估所提出空中接口滤波方法的效率。

（1）Inventory概率模型

Inventory概率模型为：定义ALOHA防冲突算法中帧长度为，标签群大小为。式（1）和式（2）为文献Lee S R, Joo S D, Lee C W. An Enhanced Dynamic Framed Slotted ALOHA Algorithm for RFID Tag Identification. International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems, MobiQuitous, 2005:166-174.给出的概率模型。假设n个标签的时隙数量为，其中，T_n为第n个标签，则系统效率为

（1）

为使系统效率最大，对式（1）求导，可得帧长度为时最优响应标签数为

（2）

假设变量N服从关于，p的二项分布，即有，其中，则根据概率质量函数可得n为

 （3）

则一个Inventory周期内，单个标签响应及空闲概率及分别为

（4）

定义冲突响应概率包括除及外的情况，则结合式（3）和（4）可得为

（5）

由式（5）可得，当及较大时有

（6）

读周期内Inventory循环次数模型为：

假设第c个标签进入新Inventory循环的概率为，则

        （7）

由式（7）可知，当阅读器在某段时间内未接收到标签响应时，阅读器完成读周期。由式（7）可得

（8）

则读周期内Inventory循环次数为

（9）

（2）滤波时间测试方法

假设Select，Inventory及读滤波时间分别为，及，则RFID系统标签识别时间t为

（10）

Select时间近似计算为：利用两个Select指令计算，参照图7。标签被初始标记（Flag）的概率为0.5，故第一个Select指令改变被选择标签群数量，第二个Select指令设置对话标记（）。假设一个Select指令耗时为，则一个空中接口滤波耗时为。假设空中接口滤波次数为k，则为

 （11）

Inventory时间近似计算为：假设第一个Inventory循环内发送Query（查询）指令，RN16，连续波及协议控制时间分别为，及，，则第一个Inventory循环时间为

（12）

第二个Inventory循环发送QueryRep（重复查询）指令，则

（13）

由式（12）和（13）可得，第n个Inventory循环时间为

（14）

故为

（15）

读滤波时间近似计算为：假设RFID系统中存在m个阅读器，n个标签，阅读器及中间件滤波次数为，则当滤波过程采用线性查询，即按位进行逻辑“与”操作时，为

（16）

当滤波过程采用预构树算法时，为

（17）

（3）仿真实验

测试读滤波线性查询（LS）及所提出空中接口滤波方法条件下，RFID系统标签识别时间t，并比较二者滤波效率。为简化分析过程，根据文献Lee S R, Joo S D, Lee C W. An Enhanced Dynamic Framed Slotted ALOHA Algorithm for RFID Tag Identification. International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems, MobiQuitous, 2005:166-174，假设，则由式（2）可得，其中。所提出空中接口滤波方法三个步骤分别记为Step1，Step2，Step3。

其中单阅读器测试为：实验测试阅读器进行5次读滤波，且Q=4，5，6及7，即分别为24，25，26及27时，，及比例关系。相较于及，受系统部署方式及应用环境影响较大。根据文献Park H S, Kim J D. Design and Implementation of a High-speed RFID Data Filtering Engine [M]. Proc.EUC Workshops, 2006, (LNCS, 4097):423-434，假设式（16）和（17）中为单次读滤波最小计算消耗。利用Select及Inventory链路时间参数，获取100次仿真的平均值。测试结果参照图8和图9。图8为，及比例关系；图9为图8中每个读循环Inventory操作次数。

由图8可见，空中接口滤波方法滤除了非目标标签群；为固定值且远小于，故虽然空中接口滤波方法增大了时间消耗，但其滤波效率仍优于线性查询。为主要影响因素；远小于及，LS，Step1，Step2及Step3的值分别为0.064，0.042，0.035及0.029，其对影响最小。由图9可见，读循环Inventory次数随增大而增大；空中接口滤波中Select指令次数越多，滤除的非目标标签群越多，故每个读循环Inventory操作次数越少。

密集环境测试为：实验测试系统存在32个阅读器，阅读器布置如图10所示，随机产生1024次读滤波，Q=11，12，13及14，即分别为2¹¹，2¹²，2¹³及2¹⁴时，，及比例关系，具体实验数据如表1所示(单位：ms)。

表1 密集环境下，及比例关系的实验数据

由表1和图11可见，阅读器密集环境下，空中接口滤波方法滤波效率高于线性查询方法。对于Step1，由于边界盒几乎覆盖整个标签域空间，故Step1滤波效率与LS相差较小；采用Step2及Step3，系统滤波效率得到较大提高，相较LS方法，系统标签识别时间分别减少40%及50%。对于阅读器密集环境，中间件接收32个滤波器数据，读滤波发生在中间件，故相较于单阅读器环境，此时及成为影响的重要因素；大小固定，且远小于及。