一种基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法

摘要

本发明是一种基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法，针对射频识别中多标签防冲突方法存在的读写速率低的问题，引入物理层网络编码思想，利用被传统防冲突方法丢弃的多标签冲突信息，来解码未被读取的标签的信息，减少读写器和标签之间的交互次数，提高多标签的识别速率。与现有的射频识别标签防冲突方法相比，本发明将物理层网络编码应用于射频识别标签防冲突方法中，将被传统标签防冲突方法丢弃的多标签冲突信息利用起来，并使之与已读取标签信息做物理层网络编码运算，以解码得到未读取的标签信息，从而减少读写器和标签之间的交互次数，提高防冲突方法对多标签的读写速率。

说明书

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体为一种基于物理层网络编码的射频识别标签防 冲突方法，主要适用于解决射频识别系统中多标签的冲突识别问题，将物理层网络编码 思想引入到射频识别标签防冲突方法中，基于二进制树形搜索算法，利用物理层网络编 码技术，分析和利用被传统方法丢弃的多标签冲突数据信息，提高射频识别系统对多个 标签的识别效率。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种自动识别技术。RFID 不需要被识别物体在识别物体视距范围内就可以工作，具有准确率高、读取距离远、存 储数据量大、耐用性强等特点。

由于RFID具有明显的技术优势，目前已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、 交通运输控制管理等众多领域：例如医院医疗管理；汽车、火车等交通工具监控；高速 公路自动收费系统；停车场管理系统；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理； 动物管理；车辆防盗、物品防伪等。射频识别技术作为物联网技术的重要组成部分，属 于国家战略性新兴产业，其发展和应用具有重要意义。

一个典型的RFID系统由标签、读写器、数据处理子系统3个部分组成，如图1所 示。标签由标签天线和标签芯片组成，标签芯片中保存有数据信息，即电子编码信息。 读写器为一个嵌入式系统，包括射频处理模块、控制单元、与标签耦合的元件、串口或 以太网等接口等。

标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，在耦合通道内，根据时 序关系，实现能量的传递和数据的交换。读写器可以通过无线射频信号与标签交互，可 以从标签中读取数据，或者将需要存储进标签的信息写入标签。读写器读出的数据信息 通过串口或网络设备，传送到后端的数据处理子系统。数据处理子系统与读写器连接， 用于接收、存储标签信息并向上层应用软件提供相关服务。

RFID系统的工作原理是：读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子 标签进入有效工作区域时，产生感应电流，从而获得能量，电子标签被激活，使得电子 标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器接收天线接收到从标签发送来 的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送 至后台数据处理子系统进行相关的处理；数据处理子系统根据逻辑运算识别该标签的身 份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成相应的 读写操作。

对于标签向读写器的数据通信过程，其工作方式包括：(1)标签收到读写器的射频 能量时，即被激活并向读写器反射标签存储的数据信息；(2)标签被激活后，根据读写 器指令转入数据发送状态或者休眠状态。在这两种工作方式中，前者属于单向通信，后 者属于半双工双向通信。

目前，冲突问题是影响RFID系统使用效果的一个重要问题。RFID系统的冲突分 为标签冲突和读写器冲突两种。读写器冲突是指，一个标签同时在多个读写器的有效区 域内，标签响应一个读写器的信号被另一个邻居读写器所接收。标签冲突是指在读写器 的识别范围内，有多个标签在同一时刻向读写器发出响应信号，则这些标签的通信信号 将相互叠加，造成干扰和冲突，如图2所示。本发明主要研究和解决的是图2中所示的 标签冲突问题。

由于RFID系统中，标签的处理能力一般受限，标签的防冲突方法基本都采用时分 多址TDMA(Time Division Multiple Access)方法。目前，主要有两类利用TDMA技术 的标签防冲突方法：(1)随机标签防冲突算法，主要是基于阿罗哈算法；(2)确定性标 签防冲突算法，主要是基于二进制树搜索方法。

随机标签防冲突算法，是一种基于概率的算法，通过创造时差避免通信冲突，算法 简单，但容易出现标签“饿死”现象，造成无法对所有标签的完全识别。确定性标签防 冲突算法是一种确定性算法，一定会识别所有标签，但是该算法的标签读取时间通常较 长。本发明基于二进制树搜索方法，属于一种确定性标签防冲突算法。

以上两类标签防冲突方法都属于时分多址方法，最终目的是确保每个标签单独被读 写器正确读写，而在算法实施过程中，多个标签同时发送信息产生的冲突信息直接被丢 弃，而没有被充分利用。因此现有的标签防冲突方法性能相差不大，标签读写效率较低。

网络编码技术，允许网络中的中间节点对收到的数据进行编码后转发，能够使得组 播传输速率达到最大流最小割确定的理论上限成为可能，其编码操作是在网络层进行。 物理层网络编码则是在物理层进行数据合并操作，利用电磁波的叠加特性，将无线电磁 波在空间的自然叠加看作信号的合并过程，即等效为物理层的网络编码过程，在接收端 通过译码获取所需信息。

RFID系统中，多标签冲突发生时，冲突信号是多个标签信号的叠加，正是一种物 理层网络编码运算。但传统的射频标签防冲突方法，都将这种冲突信号丢弃，而没有充 分利用其中包含的信息。物理层网络编码的技术特点，使得其适合于处理RFID系统中 多标签的应答信号叠加时产生的冲突问题。

发明内容

技术问题：本发明提出一种基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法。相比 于现有的射频识别标签防冲突方法，其特殊性和创新性在于，该方法引入了物理层网络 编码技术，将传统方法中丢弃不用的多标签叠加冲突信息利用起来，分析和利用其中的 有用信息，提高射频识别系统对多标签的识别速度和运算开销，解决了现有射频识别标 签防冲突方法对多标签识别效率低、开销大的问题。

技术方案：本发明基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法，将物理层网 络编码引入到射频识别标签防冲突方法中，分析和利用被传统防冲突方法丢弃的冲突信 息，提高标签识别效率，具体包括以下步骤：

步骤a.初始化参考序列号，将其每一位设置为1，例如电子标签的序列号为8位， 则参考序列号初始化为11111111，初始化后退变量i为0。

步骤b.读写器执行读请求命令REQ(REQuset)，所选标签组中标签序列号小于等 于参考序列号的电子标签应答，并传回该标签的序列号。

步骤c.按照曼彻斯特码编码原理，读写器对接收到的信号进行解调、译码并检测 是否发生冲突：如果某个码元的前半周期和后半周期都为非零电平，则表明该码元产生 冲突，将该冲突信号对应的冲突解调信号压入冲突解调信号堆栈，然后找出最高的冲突 比特位，将译码信号的最高冲突比特位设置为0，低于该位的设置为1，高于该位的保 持不变，然后以此作为下一次请求命令REQ的参照序列号，执行步骤b；如果每个码 元的前半周期和后半周期中，其中一个为高电平，另外一个为低电平，则没有产生冲突， 读写器能识别该标签的信息，执行步骤d。

步骤d.对选中的标签，读写器执行读出数据命令RD-DATA(ReaD-Data)来读取 标签数据并保存，接着执行去选择命令UNSEL(UNSELect)，使标签进入“休眠”状 态。

步骤e.判断冲突解调信号堆栈是否为空，如果为空，表示所有标签信息都已得到， 则算法结束。否则读写器将已经读取到的标签数据与冲突解调信号堆栈栈顶存储的冲突 解调信号做减法运算，执行i＝i+1运算：如果无法得到无冲突的编码信号，即运算结果 始终存在冲突，执行步骤f；如可以得到无冲突的编码信号，则得到1个未读取标签信 息，将该标签信息存储，然后读写器执行去选择命令UNSEL，使该标签进入“休眠” 状态，冲突解调信号堆栈的栈顶元素出栈，重复步骤e；如果得到信号为全低电平，表 明该冲突信号内所有标签的信息都已经解码得到，将冲突解调信号堆栈栈顶元素出栈， 重复步骤e。

步骤f.将倒数第i次读写器与标签交互所用的参考序列号作为下一次请求命令 REQ的参照序列号，将i重新设置为0，然后执行步骤g。

步骤g.返回步骤b，直到识别出所有标签为止。

有益效果：本发明提出了一种基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法， 该方法具有如下优点：

(1)引入物理层网络编码，分析和利用传统射频识别标签防冲突方法丢弃的多标 签冲突数据，从而减少读写器对多标签读取所需的次数，提高射频识别系统对多标签的 读取速率，节省能量；

(2)该发明方法具有较好的可扩展性和自适应性，能够适合各种频段、各种能量 供应方式的射频识别系统。

附图说明

图1是射频识别系统组成原理图。

图2是射频识别多标签冲突原理图。

图3是射频识别多标签信息叠加冲突示例图。

图4是基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法处理流程图。

图5是基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法的示例图。

具体实施方式

现有的射频识别标签防冲突方法，需要确保每次只有一个标签发送数据以避免冲突， 而多个标签同时发送数据产生的叠加数据作为冲突信息被丢弃。这种方法，忽略了被丢 弃的多个标签同时发送数据产生的叠加数据内隐含的有用信息，增加了标签识别的次数， 降低了标签识别速率。本发明的目的主要是针对射频识别的标签冲突问题，提出一种基 于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法，利用物理层网络编码技术，分析和利用 被传统方法所丢弃的冲突数据的信息，减少标签识别的次数，提高射频识别系统对多标 签识别的速率。

本发明的基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法，基于二进制搜索算法， 标签和读写器之间的信息通信的调制方式选择幅度调制，编码方式选择曼彻斯特码以便 于发现冲突，在读写器内部维护一个冲突消息堆栈用于存储冲突信息，主要包括以下内 容：

(1)冲突发现

本发明中，标签的信息编码采用较容易发现错误的曼彻斯特码。对应于信息码元1， 曼彻斯特码码元前半周期为1，后半周期为0。对应于信息码元0，曼彻斯特码码元前半 周期为0，后半周期为1。标签内存储的每位信息对应的码元，称为信息码元。信息码 元经曼彻斯特码编码后，称为编码码元。

将标签信息使用曼彻斯特码编码后，标签对这些数据还要进行幅度调制。对应于1， 调制为幅度为单位1的正弦波信号。对应于0，调制为低电平。经幅度调制后的信号， 称为调制信号。标签将调制信号向读写器发送。

因此，当n个标签的调制信号在空间叠加，可以通过判断叠加信号的幅度和曼彻斯 特码的编码规则来判断是否发生冲突：如果某个码元周期内，前半周期为零电平，后半 周期为幅度为n的正弦波信号，则该码元周期内的叠加信号，是由n个信息码元都为0 的标签的调制信号所叠加得到，表明该码元没有冲突发生；如果某个码元周期内，前半 周期为幅度为n的正弦波信号，后半周期为零电平，则该码元周期内的叠加信号，是由 n个信息码元都为1的标签的调制信号所叠加得到，表明该码元没有冲突发生；其他情 况下的调制信号叠加，表明该码元发生了冲突。

图3给出了3个标签调制信号叠加时，发生标签冲突的示例。

(2)冲突信息存储

由图3可以发现，标签调制信号叠加一般是部分码元发生冲突，而其他码元信息未 发生冲突。传统的射频识别标签防冲突方法，直接将该叠加信号丢弃，从而丢失了其中 未冲突码元的信息，没有对其充分利用。

此外，从图3可以发现，如果在正确得到3个标签中的任意2个标签的信息后，通 过将叠加信号的解调信号与这2个标签的编码信号做减法运算，将可直接得到剩余1个 未知标签的信息，而无需再与这个未知标签交互，从而可以减少读写器和标签的交互次 数，加快读写速率。同理，如果n个标签的调制信息叠加，且发生冲突，则可以该叠加 信号的解调信号存储下来，以便在正确得到n-1个标签的信息后，通过运算得到最后1 个未知标签的信息。

为此，本发明在每次发现一个包含冲突的叠加解调信号后，将该叠加解调信号存储 于堆栈中，以备后面解码所用。该堆栈称为冲突解调信号堆栈。

(3)单标签正确读取：

如果在某次读写器与标签的交互中，标签向读写器返回的应答信息中没有冲突，表 明仅有一个标签返回数据，则读写器将直接读取该标签信息，并保存在其存储器中。

(4)冲突信息解码

读写器在每次正确读取1个标签的信息后，会将冲突解调信号堆栈栈顶存储的冲突 解调信号出栈，并与已经读取的多个标签的编码信号做减法运算，如可以得到无冲突信 号，表明该无冲突信号是一个未读取标签的信息，即通过物理层解码得到1个未读标签 的信息，从而减少了读写器与标签之间的交互次数，加快了标签的识别速率。

基于物理层网络编码的射频识别标签防冲突方法的流程图如图4所示，下面通过一 个具体的例子来进一步详细说明本发明的技术方案和方法流程，如图5所示。

此时射频识别系统中，有一个读写器，读写器的读写范围内有4个标签：Tag1、Tag2、 Tag3、Tag4。每个标签的信息分别为Tag1：10110010，Tag2：10100011，Tag3：10110011， Tag4：11100011。

(1)初始的参考序列号为11111111，读写器执行请求命令REQ，所有标签应答并返 回序列号，读写器按照曼彻斯特码编码方式译码得到1X1X001X(其中X表示冲突比特 位)，表明发生冲突，将对应的冲突解调信号信息压入冲突解调信号堆栈。译码的第6 位为最高冲突比特位，将第6位置0，低于该位的置1，高于该位保持不变，即为10111111， 作为下一次REQ命令中的参照序列号。

(2)将参考序列号置为10111111，读写器执行请求命令REQ，Tag1、Tag2、Tag3应 答并返回它们的序列号，Tag4不应答。读写器按照曼彻斯特码编码方式译码得到 101X001X，表明发生冲突，将对应的冲突解调信号信息压入冲突解调信号堆栈。译码 的第4位为最高冲突比特位，将第4位置0，低于该位的置1，高于该位保持不变，即 为10101111，作为下一次REQ命令中的参照序列号。

(3)将参考序列号置为10101111，读写器执行请求命令REQ，只有Tag2应答并 返还它的序列号。解码为10100011，没有产生冲突，Tag2为读写器所识别，读写器与 其通信，使其进入“休眠”状态。读写器将Tag2标签的信息，与冲突解调信号堆栈栈 顶元素的信号做减法运算，发现结果仍有冲突，无法正确解码。接着从父节点处获得下 一次请求命令REQ的参照序列号，即10111111.

(4)将参考序列号置为10111111，读写器执行请求命令REQ，Tag2处于“休眠” 状态不应答，Tag1、Tag3应答，读写器按照曼彻斯特码编码方式译码得到1011001X， 表明发生冲突，将对应的冲突解调信号信息压入冲突解调信号堆栈。译码的第0位为最 高冲突比特位，将第0位置0，低于该位的置1，高于该位保持不变，即为10110010， 是下一次REQ命令中的参照序列号。

(5)将参考序列号置为10110010，读写器执行请求命令REQ，只有Tag1应答并 返回它的序列号。解码为10110010，没有产生冲突，Tag1为读写器所识别，读写器与 其通信，使其进入“休眠”状态。读写器将Tag1标签的信息，与冲突解调信号堆栈栈 顶元素的信号做减法运算，发现解码得到Tag3标签的信息，冲突解调信号堆栈栈顶元 素出栈。则Tag3为读写器解码识别，读写器与其通信，使其进入“休眠”状态。将Tag1、 Tag2、Tag3的信息，与冲突解调信号堆栈栈顶元素的信号做减法运算，结果为全低电平， 将该栈顶元素出栈。将Tag1、Tag2、Tag3的信息，与冲突解调信号堆栈栈顶元素的信 号做减法运算，发现解码得到Tag4标签的信息。至此，所有标签的信息都已正确得到。