专利名称：基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以减少无线射频识别(RFID，Radio Frequency IDentification)系统中阅读器通信消耗以及电子标签冲突消耗，提高信道利用率和电子标签读取速率的载波监听多路访问协议。本发明属于无线射频识别技术，无线通信技术领域。
背景技术：
无线射频识别(以下简称RFID)技术，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术具有可识别高速运动物体并可同时识别多个标签的特征。RFID技术广泛用于大型超市、物流、机场和室内定位等各种领域。典型的RFID系统包含两个基本组成部分， 即阅读器和电子标签(简称标签)。在实际工作中，当阅读器需要传送大量数据来控制电子标签时，信道利用率会下降，随之电子标签读取速率也会下降。电子标签会根据竞争概率选择在一个时间段是否传送数据，如果两个或以上的电子标签同时传送，则信道冲突发生。信道冲突发生后，该时间段会被浪费，从而，信道利用率也被降低。信道冲突是RFID技术中经常遇到的一个问题。同时，电子标签的信息传送概率决定了信道的利用率太高的概率会造成大量信道冲突，太低的概率会造成信道空闲，因此，选择一个最优竞争概率也是一个很重要的问题。当阅读器需要传输大量数据时，在二叉搜索树协议下，阅读器至少需要传输和电子标签等数级量的数据，才有可能识别一个标签，如果阅读器传输速率很低，那么大部分的信道都将被阅读器占用，电子标签的读取率也就随之降低。另外，当两个电子标签同时竞争同一个时间段，会造成无限次冲突而且标签不能被识别。本发明旨在提出一种基于阅读器的载波监听多路访问协议，减少信道冲突带来的消耗，并减少阅读器传送大量数据来控制电子标签时的数据传输量，从而提高信道利用率和标签读取率。经检索发现，目前RFID工业标准主要通过两种协议来读取电子标签，ALOHA协议和二叉搜索树协议，其中，ALOHA协议的需要通过较长时间才能调整标签传送概率，而二叉搜索树协议的则需要阅读器经常发送大量数据来控制电子标签。这两个协议的相同点是， 都要一次传送所有电子标签里的数据，因此发生冲突会造成信道浪费的可能性很大。目前已有相关专利申请涉及减少多标签碰撞冲突，在与本发明比较后，得到以下结论
申请号为200810218611.8，申请日为2008年10月24日的国内发明专利申请公开了一种用于RFID系统中的基于分组动态帧及二叉树搜索的多标签防碰撞方法，该方法包括标签数量估计阶段和标签识别阶段。标签数量估计阶段完成对未识别标签数量的估计；标签识别阶段根据未识别标签数量的估计值选取最优的分组数和每组最优帧长，将标签分配到若干组的帧周期内依次识别，并对每组发生碰撞的时隙中的标签采用二叉树搜索加以识别，进而识别完所有标签。该发明需要对标签数量进行估计，从而选取最优竞争概率，在一
3定程度上降低了读取速率；本发明无须经过标签数量估计，仅根据阅读器每个时间段广播的信道状态，电子标签的竞争概率就可以在极短的时间内达到最优，可以提高了电子标签的读取速率。申请号为201010221127.8申请日为2010年07月08日的国内发明专利申请公开了一种RFID阅读器的多标签识别方法。包括以下步骤步骤1读写器向标签群发送检测命令，标签收到检测命令后随机从时隙0到时隙(2Q-1)的时隙序列中选择其中一个时隙编号，同时生成一个具有2Q个比特位的二进制数据作为标签的时隙序列；步骤2读写器收到标签发送的时隙序列后，检测标签的时隙序列的比特位冲突；步骤3读写器根据非空闲时隙编号表项开始识别标签，读写器按照时隙编号从小到大的顺序，依次发送询问命令 Query(Sl)给标签群。由于本发明无须收集电子标签产生的时隙编号，因此没有因为时隙标号冲突而带来的额外消耗。同时，采用本发明所述方法的阅读器只须初始化通信范围内的电子标签一次，然后在每个时间段通过极小的数据量(<1字节)发送检测到的信道状态，大大降低了阅读器发送数据所带来的时间消耗，电子标签的识别速率因此大幅度提高。申请号为201010520775. 3申请日为2010年10月27日的国内发明专利申请公开了一种将电子标签分类，然后通过二叉搜索树算法识别电子标签的方法。标签分割过程可以为一个ALOHA帧或其他信号帧，在该过程中标签随机选择一个时隙发送ID，其作用为将读写器范围内的所有标签所构成的标签群分割成相互独立的若干个小标签群。标签搜索过程可以由多个消息帧组成，每一帧对应标签分割过程中的特定碰撞时隙，在该帧中可通过返回式二叉树搜索等方法实现对标签的逐个识别。本发明采用一次性询问，之后每个时间段只需发送极少量数据(<1字节)进行同步和广播信道状态的方法，因此降低了电子标签逐级分类的通信消耗，减少了阅读器的数据发送量，提高了信道利用率。本发明提出了一个新的通信协议，能够解决无线射频识别系统中阅读器通信消耗以及电子标签冲突消耗过大等问题，增加信道利用率和电子标签读取率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何有效提高射频识别系统中标签读取效率及读取速率，即鉴于电子标签设计简单，一般不具备载波监听的能力，如何在电子标签无法监听信道的情况下，使电子标签获知信道状况，从而采取有效措施，缓解上述在无线通信领域中的信道冲突问题；同时，减少阅读器通信数据量。为实现上述目的所采用的技术方案是通过RFID阅读器监听信道，并将无线信道状况广播给电子标签，使电子标签自动将竞争概率调至最优；电子标签通过轻量级数据竞争信道，竞争成功后再传送剩余数据；阅读器只需要传输少量数据即可以开始识别标签，并在每个周期发送一个小于1字节的数据来广播信道状况。由于电子标签设计简单，其不具备载波监听的能力，因此本发明通过阅读器来收集并统计信道状况后，再将信道状况发送给通信范围内的电子标签，由此达到电子标签的载波监听目的。RFID阅读器可设置电子标签的竞争概率，也可周期性发送数据控制电子标签的竞争概率，使得电子标签可以实时获得信道状态，根据信道状态调整竞争概率，使竞争概率处于最优状态，以此增加信道利用率。相对于传统的无线射频识别协议，本发明使电子标签用轻量级数据来竞争信道，
4竞争成功后，再传送剩余重量级数据，这样设计可以减少由于信道冲突造成的浪费。在实际工作中，一共有三种信道状况，空信道、冲突信道、可用信道。空信道表示没有电子标签发送数据，即没有电子标签进行竞争。在这种情况下，阅读器需要等待一定时间来判断是否有标签传送数据，等待时间与数据长度成正比，即如果数据比较长，阅读器的等待时间就会相应较长，所以当电子标签用较少量数据竞争的时候，阅读器只需要等待较短时间。同理，当多于一个电子标签拟进行数据传输，即电子标签进行竞争的时候，即信道冲突发生，由于标签采用的是先以轻量级数据来竞争信道，即数据较“短”，因此阅读器也不需要等待太长时间。当信道可用时，表示只有一个电子标签竞争，此电子标签将被识别。RFID系统一般采用的传统传输协议下阅读器需要周期性发送“开始识别”的命令， 此命令要确定阅读器和电子标签的编码解码方式，初始化电子标签的竞争概率等，所以数据量较大。本发明允许阅读器只发送一次“开始识别”命令初始化，之后只需要周期性发送信道状态，由电子标签自动调节竞争概率，选择是否发送数据、继续发送还是保持原等待状态。本发明是一种新型的基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，能达到的有益效果如下
短时间内达到电子标签最优竞争概率，减少信道冲突；
减少单时间段内信道冲突带来的消耗，提高信道利用率，提高电子标签的阅读速度； 减少阅读器的数据发送量，将更多的通信时间让给电子标签。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1为基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议运作图。图2为电子标签状态转换图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步的说明。阅读器通过发送无线信号“开始识别”指令来开始识别，并将时间分成离散的时间段，在每个时间段各个电子标签通过概率来选择是否竞争信道。空信道、可用信道和冲突信道分别表示没有电子标签竞争、只有一个电子标签进行数据传输和多个电子标签竞争。在只有一个电子标签通过轻量级数据竞争的情况下，阅读器会通知该标签继续发送(同时其他电子标签停止发送)，该被通知电子标签会继续发送剩余数据。多个电子标签的轻量级数据可能造成冲突，如果造成冲突，阅读器监听到后会广播给电子标签，所有发生冲突的电子标签会调整竞争概率并重新竞争信道，即电子标签获知信道状况。如图1所示，阅读器通过发送“开始识别”命令来初始化通信范围内的电子标签， 初始化包括设置电子标签初始化竞争概率，确定传送速率等，初始化之后，阅读器将时间分成离散的时间段，在每一时间段内，信道有三种状态
空信道阅读器没有监听到任何电子标签的数据传输； 冲突信道阅读器监听到多个电子标签的数据传输；
5可用信道阅读器监听到一个电子标签的数据传输。为了表示这三种信道状态，可以采用简单编码标志状态，例如用两个数据位来编码并广播给电子标签。电子标签通过以下方式来获取信道状态
00阅读器没有收到任何数据；
11 阅读器收到多于一个电子标签的数据传输；
01阅读器收到一个电子标签的轻量级数据传输； 10 阅读器收到一个电子标签的重量级数据传输。对于电子标签的竞争概率，每个电子标签存储一个竞争窗口长度dw，在每一个时间段，电子标签会从W，dw-Ι]中任选一个数字，当选择的这个数字为0时，该电子标签会发送轻量级数据竞争信道。电子标签的竞争窗口长度dw会进行如下变化
如果当前为冲突信道，电子标签会加倍竞争窗口的长度； 如果当前为可用信道，电子标签会保持竞争窗口长度不变； 如果当前为空信道，电子标签会减半竞争窗口的长度。即如果信道为空，则电子标签将竞争概率减倍，如果信道可用，则电子标签保持当前竞争概率，如果信道发生冲突，则电子标签将竞争概率加倍，以此使电子标签处于最优竞争概率。当电子标签收到RFID阅读器开始识别的命令时会处于等待状态。在等待状态下， 电子标签会根据概率判断是否进行竞争信道，如果开始竞争，会进入发送状态，如果竞争成功，会发送剩余数据并进入已读状态；如果经过概率计算不竞争，那么会继续保持等待状态，或者竞争失败，会返回等待状态即保持原态。图2表示电子标签的状态转换图。首先，所有的电子标签接收到命令后进入等待状态，当竞争数字为0时，电子标签会进入发送状态，并发送轻量级数据竞争信道，如果竞争成功，即处于信道可用状态，会继续发送剩余重量级数据并进入已读状态，进入已读状态的电子标签将不再进行信道竞争。即电子标签只有在信道可用的情况下才会发送重量级数据部分，所以重量级数据部分不会造成冲突，以此减少冲突消耗，增加信道利用率和读取速率。当竞争数字不为0时，电子标签会保持等待状态，并在下一时间段重新竞争信道。
权利要求
1.一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是基于无线射频识别技术的，由阅读器进行信道监听，命令初始化后，只须周期性将无线信道状况编码后广播给电子标签；电子标签获得信道状况后，如果决定进行标签码的发送，则采用轻量级数据进行信道竞争、自动将竞争概率调至最优，在竞争成功后再发送剩余数据，从而实现 RFID中的载波监听多路访问，节约阅读器的协调消耗和电子标签的冲突消耗，以提高信道利用率和读取电子标签的速率。
2.根据权利要求1所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是通过阅读器在初始化，即发送一次“开始识别”后，就开始周期性收集并统计信道状况，再将信道状况编码后发送给通信范围内的电子标签，由此达到电子标签的载波监听目的与网络维护。
3.根据权利要求2所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是阅读器通过简单编码对无线信道状况进行标识，然后将编码传送给电子标签，使电子标签获得信道状况。
4.根据权利要求1所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是阅读器周期性监听信道并控制周期长短。
5.根据权利要求1所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是电子标签将要发送的数据分为轻、重量级数据两部分，先发送轻量级部分竞争信道，再发送重量级部分完成通信，并根据协议进行反应，当轻量级数据竞争成功时继续发送重量级数据，当轻量级数据竞争失败时则重新发送，或保持原状态。
6.根据权利要求5所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是多个电子标签的轻量级部分竞争可能造成冲突，如果造成冲突，阅读器监听到后会广播给电子标签，所有发生冲突的电子标签会调整竞争概率并重新竞争信道，使电子标签获知信道状况，并进行最优反应来增加信道利用率。
7.根据权利要求5所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是电子标签只有在信道可用的情况下才会发送重量级数据部分，重量级数据部分不会造成冲突，从而减少冲突消耗，增加信道利用率和读取速率。
8.根据权利要求1所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是如果信道状况为空，则电子标签将竞争概率减半；如果信道状况为可用，则电子标签保持当前竞争概率；如果信道发生冲突，则电子标签将竞争概率加倍，以此使电子标签处于最优竞争概率。
9.根据权利要求1所述的一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，其特征是阅读器可设置电子标签的竞争概率，并可周期性发送数据控制电子标签的竞争概率。
全文摘要
本发明涉及一种基于阅读器的无线射频识别中的载波监听多路访问协议，本发明用于无线射频识别技术中减少阅读器的通信消耗和电子标签冲突消耗，以达到更高的信道利用率和标签读取速率。本发明采用阅读器进行载波监听，并将信道状况通过少量编码数据周期性广播给通信范围内的电子标签，达到减少信道占用率的目的；电子标签在每个周期开始时决定竞争信道的概率，从而使电子标签的竞争概率处于最优状态，以达到减少冲突概率的目的。电子标签在竞争信道时，先发送轻量级数据，获得信道使用权后，再发送重量级数据完成通信，从而减少因冲突而发生的不必要的信道占用，从而增加电子标签读取速率。
文档编号G06K7/00GK102332081SQ20111025086
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者伍楷舜, 倪明选, 康磊 申请人:广州市香港科大霍英东研究院