一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法
【专利摘要】在煤矿井下移动目标定位系统中，设计可靠的、并发识别能力好的无线通信算法，可以有效减少定位系统的漏读率，并通过对无线碰撞概率的控制，提高系统的可靠性，从而达到提高矿井移动目标定位系统性能，为煤矿生产提供安全保障的目标。本发明在此分析矿井定位系统的几种无线通信技术及其对漏读率影响的基础上，发明设计了“多发筛漏”算法，并在多发筛漏法的基础上，引入“时间片调度”算法，该算法在实现读卡器和标签双向通信的基础上，有效的降低了漏读率，可谓一举两得。
【专利说明】一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，具体涉及到煤矿井下移动目标通信的防碰撞方法，即对井下人员定位系统的防碰撞方法。
【背景技术】
[0002]随着我国通信技术和计算机技术的发展，通过仿制以及自主研发等手段，陆续开发出基于无源射频识别、有源射频识别、Zigbee网络等技术的井下定位系统。
[0003]在分析调查多家定位系统的井下无线通信技术后，发现有以下两个方面是众多定位系统的“通病”:
[0004](I)并发识别能力不强。所谓并发识别能力，即多个移动目标携带定位标签出现在同一地点，读卡器将其分辨出来的能力。由于无线信号碰撞，系统常常出现出现“漏读”和“误码”现象。有些定位系统标签并发漏读率甚至在30%以上，远不符合行业需求。
[0005](2)系统功能不完善，可靠性不高，不能实现完全人员识别区域定位，易出现“多卡”、
[0006]“漏卡”或“一卡同时多位置”等现象，地面控制中心接收到信息与实际情况有误差。
[0007]选择合适井下无线通信技术，设计合适的通信协议和防碰撞算法，可以在现有硬件条件的基础上，发挥其最大性能，提高通信成功概率，减小漏读率，优化无线通信网络。
【发明内容】
[0008]本发明的技术解决问题是:克服以上技术的不足，设计了“多发筛漏”算法，并在此基础上引入“时间片调度”算法，在较多标签并发识别的时候，保证较低的漏读率。
[0009]本发明的技术解决方案是:在多发筛漏法的基础上设计标签与读卡器的握手通信，以及如何将时间片校正信息反馈给标签，并且合理的分配标签和读卡器的工作量，以及充分考虑标签节能的问题。
[0010]设计时间片调度法工作流程如下:
[0011](I)标签采用定时发送的工作流程，标签休眠秒后发送自己的卡号，发送完成后等待读卡器回应。
[0012](2)读卡器接收到标签的无线数据，并将当前读卡器时间片序号h、时隙是否忙碌及其它系统数据发送给标签，为标签提供时钟参考。
[0013](3)标签发送后等待一段时间，若接收到读卡器的返回信号，提取其中读卡器的时间片序号，根据hT = NUM%X计算出该标签所属的时间片序号，若卜与11相同，则休眠、时间后再次发送；若hT与h不同，则调整自己的休眠时间tw为t/，使标签下一次发送时间位于自己所属于的时间片中。
[0014](4)标签发送后等待一段时间，若没有收到读卡器的返回信号，则休眠一段随机时间(此休眠时间小于tw)后重新发送，直到达到最大的重试次数为止。[0015]关于时间片校正的设计是:读卡器内部维护一张时间片表，随时更新标签占用时间片的状态，当收到标签后，如果标签所属的时间片空闲，读卡器把当前时间片号码发送给标签；如果标签所属时间片忙碌，读卡器将当前时间片序号和空闲的备用时间片序号发送给标签。标签收到读卡器数据后，根据当前时间片序号，计算出自己本次休眠的时间。即读卡器“查找”，标签“调整”。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1示出了两个标签工作示意图；
[0017]图2示出了标签碰撞示意图；
[0018]图3示出了时间片调度示意图；
[0019]图4示出了时间片分配示意图。
【具体实施方式】
[0020]1.标签碰撞模型分析
[0021]矿井移动目标定位系统基于有源RFID技术的退避算法，下面分析标签碰撞现象。设标签有效侦听时间为发送时间为ts，休眠时间为tw。标签每次发送数据后进入睡眠状态，经历tw时间后醒来再次发送数据，发完后再次进入睡眠状态。所以，标签的工作流程是一种周期性工作，设标签进行一次侦听、发送、休眠的过程为以工作周期，时长为T，那么有:
[0022]T = tL+ts+tff+ Δ t
[0023]其中Λ t为标签从无线发送状态转换到休眠状态所耗费的时间，即工作状态转换时间间隔。由于\、&及At均为毫秒级，tw为秒级，所以工作周期与休眠时间近似相等。
[0024]实际标签的先听后发的CSMA/CA判断是一定强度的载波积累\时间段后，达到一定的能量值，若该值超过载波侦听的判决门限，则认为信道忙碌。此过程与侦听时间、载波信号强度、判决门限，环境噪声、无线传输多径效应等因素有关，为了建模、分析方便，这里对标签的先听后发的CSMA/CA判断做如下简化:对于标签的有效侦听时间沁标签必须听满\长时间的载波，才会认为信道忙碌。即侦听时间段内，若载波没有完全占满信道，则认为信道空闲。设有两个标签分别为C1和C2，它们的发送时间点处于不同相对位置时的工作状态如图1所示，横坐标为时间，纵坐标标示出了标签C1、C2的工作状态。图中灰色的横条代表监听，白色横条代表发送，时长分别为\和ts，二者在一起组成一个完整的先听后发过程。C21、C22、C23、C24表不C2标签相对于C1标签四个不同的发射时间。
[0025]当标签C2处在C21情况，即标签C2在h时刻开始侦听信道，C1在h时刻开始侦听信道，C1和C2两个标签占用信道的时间完全错开，均侦听到信道空闲，向读卡器发送自己的ID号，读卡器能正确接收到两个标签的信息。这种情况，定义为信道空闲发送成功的情况。
[0026]当标签C2处在C22情况，即标签C2在t2时刻开始侦听信道，而C1则在h时刻开始侦听信道，由图中可以看出，在C1侦听信道的全部过程中，C2 —直处于发送状态，即C1监测信道一直忙碌。此时标签C1会退避，延时重发(重发状态未在图中表示出来)。当标签C2处在C23情况，于t4时刻开始侦听信道，此时与上述情况恰好相反，在C2侦听信道的全部过程中，C1 一直处于发送状态。C2监测信道忙碌，会退避，延时重发。这种情况，定义为并发识别中的信道忙碌检测成功。
[0027]当标签C2处在C24情况，即在t3时刻开始侦听信道，而C1在h时刻侦听信道时，信道处于完全空闲状态，而标签C2侦听到信道中有部分载波，但由于累积载波强度没有达到门限值，C2会误认为信道空闲，发送数据。此时，C2发送的无线信号与C1的信号同时存在同一信道中，造成无线碰撞。而读卡器无法从混叠的信号中分辨出正确的信号，造成传输错误。标签C1和C2均认为信道空闲，数据发送成功，不会退避重发。
[0028]根据上述分析，在煤矿井下定位系统中标签并发识别会出现信道空闲发送成功、信道忙碌检测成功和信道忙碌检测失败三种情况。前两种情况，标签可以自己检测到状态，相应采取措施，休眠或退避重发。信道忙碌检测失败的情况，标签则无法知道自己的通信状态，读卡器也没有检测到标签信号。下面使用概率分析的方法，计算上述几种情况发生的概率。
[0029]2.两个标签退避O次碰撞概率
[0030]首先分析定位系统并发接收中最简单情况，设有两个标签C1和C2,二者均使用CSMA/CA侦听信道是否忙碌，但退避次数为0，即若检测到信道忙碌后便进入休眠状态，而不是退避延时重发。其碰撞模型如图2所示，C21、C22、C23和C24分别表示标签C2四个不同的发送时间的状态。C/和C24’表示C1和C24检测到信道忙碌而退避发送状态。
[0031]当C2的发射时间在时间点h和t2之间(即图中C21位置到C22位置)时，C2能够发送成功，C1会侦听到信道忙碌，退避一段时间，在如图虚线C/位置发送信号；当(:2在时间点t4和t5之间(即图中C23位置到C24位置)时，C1能够发送成功，c2会侦听到信道忙碌退避，如图所示，C2在C24时间点侦听到信道忙碌，会延时至C24 ’发送。如果退避后信道空闲，C2可成功发送。上述两个时间段为信道忙碌检测成功的情况。在标签的工作周期T内，这种情况发生的概率是时间段到t2，以及t4到t5的长度之和比上工作周期T，设两个标签退避次数为0，发生信道忙碌检测成功的概率为P1Qj),其中2代表并发标签个数，O代表最大退避次数，其表达式为:
[0032]P1 (2,0) = 2ts—2ti
[0033]而当标签C2在时间点t2和t4之间(即图中C22位置到C23位置)，标签C1和C2会因为侦听的无线信号时间不够长，将忙碌的信道认为空闲，两个标签同时发送数据，造成无线并发碰撞，即信道忙碌检测失败的情况。在标签的工作周期内，这种情况发生的概率是时间段t2到t4的长度比工作周期T。设两个标签退避次数为0，发生信道忙碌检测失败的概率为P2 (2，O)，其表达式为:
[0034]P2 (2,0) =
[0035]3.η个标签退避O次碰撞概率
[0036]将上一节的情况有两个标签扩展到多个标签。讨论多个标签并发碰撞情况，除了两个标签碰撞，还需分析多个标签在同一时刻碰撞的可能。
[0037]对于信道忙碌检测成功的情况，设η个标签中有m个同时碰撞，其概率为Pml (η，O)，其值为:[0038]
【权利要求】
1.一种矿井移动目标无线通信的防碰撞算法，在有源RFID技术和CSMA/CA先听后发退避算法实现定位系统的无线通信的基础上，发明设计了“多发筛漏法”算法并引入时间片调度算法，以减小漏读率。多发筛漏算法设计 实际通信中标签至少需要数秒钟才能通过读卡器的覆盖范围，若标签休眠时间较短，那么可以在读卡器的覆盖范围内发送多次标签号。在标签的多次发送中，只要有一次被读卡器正确读到，便可认为是通信成功。所以，在标签能耗满足要求的前提下，适当地减少休眠时间，增加标签发射次数，有助于读卡器筛除漏读标签，减少漏读率。将这种连续尝试多次发送，以确保至少一次被成功接收到的方法，称为“多发筛漏法”。以η个标签退避i次的碰撞概率为例介绍。 在通信过程中，当信道忙碌检测成功时，检测到碰撞的标签会退避重发。当标签最大退避次数为i，可计算出，标签退避i次仍碰撞的概率为退避后又碰撞的概率P1Oi, i)为:
2.时间片调度算法设计 时间片调度法希望标签每次发送数据都在相对固定的时间点或时间段，减少标签碰撞的可能性，它的核心是调节系统通信节奏，为标签发送时间“定时”。由于煤矿井下定位系统的通信模型是读卡器与标签之间形成点对多点的星形网络，因此使用读卡器而不是标签调节通信节奏更为合理。在时间片调度法中，标签采用定时发送，多个标签并发识别，在不考虑无线碰撞的情况下，经过一个周期所有标签都将发送一遍无线数据。将标签工作周期作为读卡器的通信周期，不考虑碰撞，一个周期内读卡器能收到所有标签的信息。如果将读卡器的工作周期划分成若干个时间片，并将多个标签的发送时间调整至不同的时间片内，完成标签和读卡器的握手通信，即时间片调度。 在划分好时间片以后，下面需要考虑的问题是时间片分配，即第几号标签在哪个时间片内。由于在实际工程应用中，标签的编号往往是连续的，所以可将标签卡号对一个较大的整数取余(这个整数被称为取余参数)，得到的余数与时间片号一一对应，即标签的发送时间片号码与其余数相同。这就是标签与时间片的对应关系。 设取余参数为X，将卡号余上X得到标签的时间片因子hT，即
hT = NUM % X hT即是该标签所属的时间片序号。设计X大小时，要充分考虑到X小于H，即保证余数的种类小于时间片总个数。那些序号大hT的时间片称为备用时间片。于没有当读卡器发现标签所属的时间片已经被占用时，可将标签调整至空闲的备用时间片发送。
【文档编号】G06K7/00GK104036208SQ201310091312
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】张楠 申请人:山西大同大学