一种RFID多阅读器协调方法技术

本发明专利技术公开了一种RFID多阅读器协调方法，从多阅读器负载不均衡的问题出发，从负载均衡的角度提高系统读取吞吐量，通过调整阅读器的功率进而灵活控制阅读器的覆盖范围，让阅读器动态地协调均衡，实现多个阅读器对RFID标签的均匀覆盖，并且在调整过程中阅读器标签数量的变化通过数学推理而得，不需要额外估计标签的时间，即不会带来额外的时间开销。该方法对系统效率的提升的是显著的，且易于实施，有一定的通用性，很有应用前景。

A coordination method of RFID multi readers

【技术实现步骤摘要】
一种RFID多阅读器协调方法
本专利技术涉及物联网RFID技术应用领域，特别是一种RFID多阅读器协调方法。
技术介绍
RFID(RadioFrequencyIdentification，射频识别)作为一种非接触式自动识别技术，能够进行有效的信息感知和收集，是物联网的重要支撑技术。RFID技术具有非接触式自动识别、低功耗低成本、高可靠性、识别精确高效且具有一定的计算和存储能力等优点，已广泛应用于供应链监控、目标跟踪、定位、仓库管理等，RFID产品已融入人们的生活并成功地应用于各个领域。例如，Ferragamo在其产品中嵌入了RFID标签，实现追踪产品以对抗假货；Zara等零售商利用RFID标签来进行库存管理；村田制作所将RFID标签应用在手术器械、小物品追溯等诸多应用中来进行高效、安全的管理；瑞章用RFID实现制程管控，RFID实现自动化数据采集为生产大数据分析提供了基础。RFID技术作为物联网时代的重要支撑技术，正在发挥着它的重大作用。RFID系统一般由RFID阅读器、标签和后台服务器组成，标签由芯片和标签天线组成，每个标签芯片都含有一个唯一的识别码，即标签ID，能够唯一的标识标签，标签还可计算、存储一定的数据信息，通常可将标签粘贴在物体上来标识物体，获取物体的相关信息。阅读器是用来读写标签的，通过无线信道发送射频信号来无接触自动识别标签。阅读器和标签通过无线信号传输信息，通信过程可以描述为：阅读器先通过其天线发送查询命令，标签的天线接收到无线信号后做出相应的响应，阅读器利用其天线扫描获取标签的返回信号，并传输给后台服务器处理。RFID的相关研究主要有标签识别、标签估计、信息收集、标签轮询(获取指定集合内的标签信息)、RFID定位、移动行为识别等。RFID系统的一个关键性能指标就是标签读取吞吐量，即单位时间能读取的标签数，而RFID系统中存在信号干扰问题，这会降低系统的识别效率。为了快速收集标签ID并提高系统吞吐量，研究人员设计了有效的防冲突协议(也称为标签识别协议)，以避免在两个或多个标签同时向阅读器传输信号时发生的标签-标签冲突，由于标签硬件条件的限制，标签之间不能通信，因此这些协议尝试安排标签在不同的时隙中响应。如经典的基于Aloha的防冲突算法让标签以概率参加响应，阅读器广播帧长和随机种子，标签根据其ID利用哈希函数随机选择一个时隙回复，任一时隙只有一个标签响应时阅读器才能成功识别该标签。由于射频识别的通信范围有限，单个RFID阅读器只能收集其询问区域内的标签，而大型RFID系统(如大型仓库或超市)中，为了达到监控区域的全覆盖，人们需要部署多个阅读器来协同工作以收集系统中所有的标签，多个阅读器把监控区域划分为不同的子区域，每个子区域是指被相同的阅读器集覆盖的独立物理区域。每个RFID阅读器都有一个询问区域和干扰区域，询问区域指的是在这个区域内阅读器能够与标签成功地相互通信，干扰区域是指阅读器的信号会干扰在该区域内的其他阅读器和标签。阅读器的询问区域取决于许多因素，包括天线、障碍物的存在、标签特性等。多阅读器系统中还存在阅读器引起的冲突，分为阅读器-标签冲突和阅读器-阅读器冲突。阅读器-标签冲突发生在当一个阅读器在另一个阅读器的干扰区域内时，一个阅读器的信号会干扰另一个阅读器接收标签向其发送的信号。阅读器-标签冲突可以通过安排邻近的阅读器在不同的信道工作，或者在不同的时间激活。阅读器-阅读器冲突发生在两个询问区域有重叠的阅读器同时激活时，在重叠区域的标签不能区分来自两个阅读器的信号，导致重叠区域的标签不能被成功询问。这种冲突只能通过安排有冲突的阅读器不同时激活来避免。为了提高多阅读器系统RFID系统的读取吞吐量，现有的研究考虑怎样更有效的安排调度，设计调度策略将多个阅读器分为多轮执行，每轮激活一个被选择的阅读器集，通过减少阅读器的冲突来提高读取效率。而在大型的RFID系统中，如大型仓库中，存储了各式各样的物品，每个物品附有一个标签，通常阅读器部署后位置固定，而物品的大小尺寸和分布密度各不相同，且仓库物品时进时出，所以标签的分布是变化且不均匀的；这就使得每个阅读器下覆盖的标签数目是变化的，各个阅读器的标签数可能有很大差别。因此同一轮调度的阅读器的负载(即阅读器询问区域内的标签数)可能很不均衡，导致各阅读器询问标签的时间可能有很大差别，标签数多的阅读器需要较长的执行时间，而负载少的阅读器很快就能执行结束而处于空等状态，这就使得系统总的读取效率不高。针对多阅读器系统读取吞吐量的问题，现有的研究都只考虑怎样更有效的安排调度，并没有考虑在每一轮调度时阅读器的负载不均衡对标签读取效率的影响。如何解决阅读器负载不均衡的问题，即如何设计出高效的方法来协调多个阅读器的负载使其达到均衡状态，是进一步提高多阅读器RFID系统的标签读取吞吐量的关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种RFID多阅读器协调方法，提高RFID标签读取吞吐量。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种RFID多阅读器协调方法，包括以下步骤：1)确定每一轮次需调整的阅读器数量，即根据现有的基于图着色的阅读器调度算法，确定每一轮次需要调整的阅读器；2)对于当前轮次，获得该轮次阅读器的最大可调半径和最小可调半径，将目标负载，即目标值设置为当前轮次中阅读器的最大标签数；3)调整当前轮次任一阅读器的询问区域半径，若调整后该阅读器询问区域内的标签数，即负载仍未达到目标值，则将该阅读器的询问区域半径设置为最大调整半径，同时更新当前轮次其余阅读器半径的最大可调半径；所述最大调整半径是指阅读器在最大可调半径和最小可调半径限制下最多能调整到的半径值；4)重复步骤3)，直至该轮次所有阅读器的询问区域半径都被调整一次；5)若当前轮次阅读器的最大负载和最小负载差值大于阈值，则将目标值设定为当前轮次最大标签数和次大标签数的平均值，返回步骤3)，直至不平衡率不再下降，或者达到负载均衡；6)将当前轮次各阅读器的负载值调整为目标值，并更新各子区域的标签密度；7)重复步骤2)～步骤6)，直至所有轮次执行完毕。步骤2)中，阅读器的最大可调半径ri_max＝min{rMAX，min{dij-rj}}；其中，rMAX是阅读器最大功率时的半径(最大功率指的是阅读器功率的极限值，是由阅读器的种类等产品信息决定的，这里认为所用的阅读器都是一样的，因此最大功率也是统一的)，min{dij-rj}是同一轮次调度的其余阅读器与当前阅读器Ri询问区域边界之间的最小距离，dij是Ri与Rj之间的距离，Rj是与Ri同一轮次调度的阅读器；i＝1，2，......，M；j＝1，2，......，M；M为阅读器的数量。阅读器的最小可调半径的确定方法包括：1)对于内部阅读器，求目标阅读器的相邻阅读器之间的交点，并保留位于目标阅读器询问区域内的交点；对于边界阅读器，求目标阅读器的相邻阅读器之间的交点，并保留位于目标阅读器询问区域内的交点，并获得边界阅读器与监控区域边界之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种RFID多阅读器协调方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)确定每一轮次需调整的阅读器数量；/n2)对于当前轮次，获得该轮次阅读器的最大可调半径和最小可调半径，将目标负载，即目标值设置为当前轮次中阅读器的最大标签数；/n3)调整当前轮次任一阅读器的询问区域半径，若调整后该阅读器询问区域内的标签数，即负载仍未达到目标值，则将该阅读器的询问区域半径设置为最大调整半径，同时更新当前轮次其余阅读器半径的最大可调半径；所述最大调整半径是指阅读器在最大可调半径和最小可调半径限制下最多能调整到的半径值/n4)重复步骤3)，直至该轮次所有阅读器的询问区域半径都被调整一次；/n5)若当前轮次阅读器的最大负载和最小负载差值大于阈值，则将目标值设定为当前轮次最大标签数和次大标签数的平均值，返回步骤3)，直至不平衡率不再下降，或者达到负载均衡；/n6)将当前轮次各阅读器的负载值调整为目标值，并更新各子区域的标签密度；/n7)重复步骤2)～步骤6)，直至所有轮次执行完毕。/n

【技术特征摘要】
1.一种RFID多阅读器协调方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定每一轮次需调整的阅读器数量；
2)对于当前轮次，获得该轮次阅读器的最大可调半径和最小可调半径，将目标负载，即目标值设置为当前轮次中阅读器的最大标签数；
3)调整当前轮次任一阅读器的询问区域半径，若调整后该阅读器询问区域内的标签数，即负载仍未达到目标值，则将该阅读器的询问区域半径设置为最大调整半径，同时更新当前轮次其余阅读器半径的最大可调半径；所述最大调整半径是指阅读器在最大可调半径和最小可调半径限制下最多能调整到的半径值
4)重复步骤3)，直至该轮次所有阅读器的询问区域半径都被调整一次；
5)若当前轮次阅读器的最大负载和最小负载差值大于阈值，则将目标值设定为当前轮次最大标签数和次大标签数的平均值，返回步骤3)，直至不平衡率不再下降，或者达到负载均衡；
6)将当前轮次各阅读器的负载值调整为目标值，并更新各子区域的标签密度；
7)重复步骤2)～步骤6)，直至所有轮次执行完毕。


2.根据权利要求1所述的RFID多阅读器协调方法，其特征在于，步骤2)中，阅读器的最大可调半径ri_max＝min{rMAX，min{dij-rj}}；其中，rMAX是阅读器最大功率时的半径，min{dij-rj}是同一轮次调度的其余阅读器与当前阅读器Ri询问区域边界之间的最小距离，dij是Ri与Rj之间的距离，Rj是与Ri同一轮次调度的阅读器；i＝1，2，......，M；j＝1，2，......，M；M为阅读器的数量。


3.根据权利要求2所述的RFID多阅读器协调方法，其特征在于，阅读器的最小可调半径的确定方法包括：
1)对于内部阅读器，求目标阅读器的相邻阅读器之间的交点，并保留位于目标阅读器询问区域内的交点；对于边界阅读器，求目标阅读器的相邻阅读器之间的交点，并保留位于目标阅读器询问区域内的交点，并获得边界阅读器与监控区域边界之间的交点；
2)判断保留下来的交点是否有效地构成了单覆盖子区域，若构成，则目标阅读器Ri的最小可调半径ri_min就是有效交点与目标阅读器Ri之间的最大距离；所述有效的交点是指该交点只位于目标阅读器的询问区域内。


4.根据权利要求1所述的RFID多阅读器协调方法，其特征在于，步骤2)中，各轮次调整先后顺序的决定规则为：优先选择调整具有最多阅读器的轮次；对于阅读器数量相同的轮次，选择负载差异最小的轮次。


5.根据权利要求1所述的RFID多阅读器协调方法，其特征在于，步骤3)中，调整当前轮次任一阅读器的询问区域半径的具体实现过程包括：
1)将每个子区域的标签数设为均匀分布的，为每个阅读器维护一个相邻子区域集，所述相邻子区域集由当阅读器改变询问半径时面积变化的子区域组成；找到位于调整前半径和最大或最小可调半径之间的临界点，按照临界点与目标阅读器Ri之间的距离，将临界点由近到远或从远至近排序，每经过一个临界点变化的子区域集就会改变，每次半径达到一个临界点时，更新其相邻子区域集；
2)根据相应的相邻子区域集，计算当半径调整到各个临界点到圆心的距离时，能增加或减少的标签数{Δn1，...，ΔnK}，K为临界点数；Δrk是第k个临界点到圆心的距离与调整前半径的差值；
3)判断目标标签数ntarget与当前标签数的差值Δn在哪两个临界点之间，若Δnk-1＜Δn＜Δnk，则半径调整到第(k-1)个临界点和第k个临界点之间，再由得到从第k-1个临界点到第k个临界点的过程中，每变化单位距离改变的标签数，则需要调整到ntarget时的半径差由下述公式求得：



其中，加号和减号分别对应询问半径扩大或缩小的情况；Δr是满足目标标签数时半径需要调整的大小；Δrk-1和Δrk分别是第k-1个和第k个临界点到圆心的距离与调整前半径的差值；Δnk-1和Δnk是当半径调整到第k-1个和第k个临界点到圆心的距离时，能增加或减少的标签数；Δn是目标标签数ntarget与当前标签数，即调整前标签数的差值。


6.根据权利要求5所述的RFID多阅读器协调方法，其特征在于，Δnk的计算过程包括：
阅读器Ri的询问区域半径扩大时：



Adjk是到第k个临界点时任一阅读器的相邻子区域集；sb是到第k个临界点时阅读器的相邻子区域集中的任一子区域；

是阅读器调整前后子区域sb变...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璇，杨秋莹，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43