基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统及估计方法技术方案

基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统及估计方法，本发明专利技术涉及RFID标签数量估计系统及估计方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有的RFID基数估计协议资源需求高、查询速度慢、计算资源开销大、时间复杂度高，导致对RFID系统中目标标签数量估计准确率低的问题。基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统包括：基于Aloha协议的虚拟向量生成模块、向量分析与概率估计执行模块、单阅读器轮询模块、结果处理模块；所述基于Aloha协议的虚拟向量生成模块用于生成目标标签集合的期望向量并收集获得响应的响应向量。本发明专利技术用于RFID标签数量估计领域。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统及估计方法
本专利技术涉及RFID标签数量估计系统及估计方法。
技术介绍
在基于RFID(RadioFrequencyIdentification)技术的仓储管理、智能物流以及供应链管理系统中，常需要对特定种类的标签或标签集合进行数量估计。其基本搜索过程如图1所示：阅读器(Reader)用目标标签ID询问所有标签，各标签将自身ID与查询ID进行对比，相符的标签向阅读器发送响应表明查询成功。由于目标物体携带的RFID标签与阅读器能够进行无线识别与自动交互，因此其交互效率比传统条形码或二维码等被动光学识别技术更高效。基数估计问题是在给定的RFID系统中，对于已知的目标标签集合，求出当前在线的目标标签数量。在阅读器有效通信范围内存在多种类型的标签，每一种标签根据是否在当前系统中又分为在线与离线状态。基数估计需要解决的问题就是估计在当前RFID系统中某种标签(在线)的数量。此外，在库存管理、清单归类等应用中，存在大量低成本标签(即无源UHF标签，这类标签的资源按照EPC-C1-G2标准包含2K-5K个门级电路)，只有轻量级搜索协议能够在资源如此有限的标签上进行部署。基于Bloom过滤器的基数估计协议通过设置Bloom过滤器的哈希函数数量及映射向量长度，可以估计系统中目标标签的数量。但该方法存在大量哈希函数的选择问题，计算资源开销大、时间复杂度高，不适合上述应用场景。RFIDMAC层通信采用类似包交换网络中数据包(帧)的传递方式，EPC-G1标准规定了RFID系统中标签与阅读器的信息传输速率与时隙帧格式，标签与阅读器之间的数据交换以帧为单位进行，帧与帧之间有一定的时间间隔，每一帧由多个帧间隙组成(包括开始与结束标志)。通过建立标签与帧间隙的映射关系，可以实现快速大规模RFID标签的搜索。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的RFID基数估计协议资源需求高、查询速度慢、计算资源开销大、时间复杂度高，导致对RFID系统中目标标签数量估计准确率低的问题，而提出基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统及估计方法。基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统包括：基于Aloha协议的虚拟向量生成模块、向量分析与概率估计执行模块、单阅读器轮询模块、结果处理模块；所述基于Aloha协议的虚拟向量生成模块用于生成目标标签集合的期望向量Vk[·]并收集获得响应的响应向量Vc[·]；所述向量分析与概率估计执行模块用于对期望向量Vk[·]与响应向量Vc[·]进行对比与分析，得到目标标签的数量估计；所述单阅读器轮询模块用于将阅读器在有效范围内进行移动，并执行基数估计算法实现对目标标签数量的初步估计；所述结果处理模块用于将单阅读器轮询模块得到的目标标签数量初步估计结果进行去重及汇总，获得目标标签集合的数量的精确估计。基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计方法具体过程为：步骤一、阅读器生成随机数r，将帧划分为N个长度为fs的子帧，结合当前的帧序号fc及子帧的帧长fs，形成消息{fc,fs,r}并广播；其中，fc∈[0,N-1]，fs＝512为帧长度，fc由当前的帧计数器保存；步骤二、阅读器根据已知的目标标签集合Tk的信息，使用均匀分布的哈希函数H(TID,fc,fs)进行映射，填充并生成期望向量Vk[·]；步骤三、阅读器有效范围内的标签接收阅读器发送的信息，根据标签自身的TID，计算该标签所属帧序号若与阅读器发送来的消息{fc,fs,r}中的fc相符，则向阅读器发送{fc′,fs′}，否则该标签保持静默；式中，fs′＝512为帧长度；fc′为标签所属帧序号；步骤四、阅读器对所有在其有效范围内的标签，使用步骤二相同的哈希函数进行映射，填充响应向量Vc[·]；步骤五、阅读器根据接收到的{fc′,fs′}，更新响应向量Vc[·]；步骤六、阅读器根据期望向量Vk[·]和响应向量Vc[·]的值，计算帧间隙的数量K1,0、K1,1，得到在线目标标签数量的初步估计值；步骤七、判断是否还有阅读器未覆盖的区域，若有，阅读器在空间中移动，执行步骤一至步骤七；若没有，执行步骤八；步骤八、通过步骤四生成的响应向量Vc[·]，查询步骤二记录的期望向量Vk[·]，得到标签的标识符TID，与步骤七得到的结果集取交集得到所有在线目标标签集合，该集合元素数即为对在线的目标标签数量的估计值。本专利技术的有益效果为：本专利技术针对RFID系统中目标标签数量估计问题，利用单个阅读器在空间中不断移动，对有效通信范围内的标签集进行搜索，基于一定置信度对目标标签集的数量进行快速估计。解决现有的RFID基数估计协议资源需求高、查询速度慢的问题。本专利技术基于虚拟向量Aloha协议，使用均匀分布的哈希函数进行映射，生成期望向量Vk[·]，对所有标签使用同样的哈希算法进行帧填充，生成响应向量Vc[·]，通过观察期望向量Vk[·]与响应向量Vc[·]的状态，以一定置信区间估计标签数量。提供比确定性估计方法更好的性能，且计算开销低，时间复杂度低，适用于低成本RFID标签系统。提高了对RFID系统中目标标签数量估计准确率。从表2、3中的结果可以看出，尽管标签规模的增长会导致精度有所损失，但是可以通过增大N来提高精度值。并且从表中还可以看出基数估计协议的时间开销比确定性估计协议的时间开销小，且在总标签规模为10000量级的情况下，对于目标标签规模为1000量级的平均搜索时间达到1s以下的水平，比确定性估计协议提升约5倍的性能。附图说明图1为基本RFID标签搜索过程示意图；图2为本专利技术的组成框图；图3为本专利技术Aloha帧间隙映射原理图；图4为本专利技术实施例中基数估计协议的通信过程图；图5为本专利技术在模拟RFID系统扫描情况下估计协议的仿真结果图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统包括：基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统组成如图2所示，各模块功能分别为：基于Aloha协议的虚拟向量生成模块、向量分析与概率估计执行模块、单阅读器轮询模块、结果处理模块和测试模块；所述基于Aloha协议的虚拟向量生成模块用于生成目标标签集合的期望向量Vk[·]并收集获得响应的响应向量Vc[·]；所述向量分析与概率估计执行模块用于对期望向量Vk[·]与响应向量Vc[·]进行对比与分析，得到目标标签的数量估计；所述单阅读器轮询模块用于将阅读器在有效范围内进行移动，并执行基数估计算法(向量分析与概率估计执行模块功能)实现对目标标签数量的初步估计；所述结果处理模块用于将单阅读器轮询模块得到的目标标签数量初步估计结果进行去重及汇总，获得目标标签集合的数量的精确估计。所述测试模块用于将结果处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统，其特征在于：所述系统包括：/n基于Aloha协议的虚拟向量生成模块、向量分析与概率估计执行模块、单阅读器轮询模块、结果处理模块；/n所述基于Aloha协议的虚拟向量生成模块用于生成目标标签集合的期望向量V

【技术特征摘要】
1.基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计系统，其特征在于：所述系统包括：
基于Aloha协议的虚拟向量生成模块、向量分析与概率估计执行模块、单阅读器轮询模块、结果处理模块；
所述基于Aloha协议的虚拟向量生成模块用于生成目标标签集合的期望向量Vk[·]并收集获得响应的响应向量Vc[·]；
所述向量分析与概率估计执行模块用于对期望向量Vk[·]与响应向量Vc[·]进行对比与分析，得到目标标签的数量估计；
所述单阅读器轮询模块用于将阅读器在有效范围内进行移动，并执行基数估计算法实现对目标标签数量的初步估计；
所述结果处理模块用于将单阅读器轮询模块得到的目标标签数量初步估计结果进行去重及汇总，获得目标标签集合的数量的精确估计。


2.基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、阅读器生成随机数r，将帧划分为N个长度为fs的子帧，结合当前的帧序号fc及子帧的帧长fs，形成消息{fc,fs,r}并广播；
其中，fc∈[0,N-1]，fs＝512为帧长度，fc由当前的帧计数器保存；
步骤二、阅读器根据已知的目标标签集合Tk的信息，使用均匀分布的哈希函数H(TID,fc,fs)进行映射，填充并生成期望向量Vk[·]；
步骤三、阅读器有效范围内的标签接收阅读器发送的信息，根据标签自身的TID，计算该标签所属帧序号若与阅读器发送来的消息{fc,fs,r}中的fc相符，则向阅读器发送{fc′,fs′}，否则该标签保持静默；
式中，fs′＝512为帧长度；fc′为标签所属帧序号；
步骤四、阅读器对所有在其有效范围内的标签，使用步骤二相同的哈希函数进行映射，填充响应向量Vc[·]；
步骤五、阅读器根据接收到的{fc′,fs′}，更新响应向量Vc[·]；
步骤六、阅读器根据期望向量Vk[·]和响应向量Vc[·]的值，计算帧间隙的数量K1,0、K1,1，得到在线目标标签数量的初步估计值；
步骤七、判断是否还有阅读器未覆盖的区域，若有，阅读器在空间中移动，执行步骤一至步骤七；若没有，执行步骤八；
步骤八、通过步骤四生成的响应向量Vc[·]，查询步骤二记录的期望向量Vk[·]，得到标签的标识符TID，与步骤七得到的结果集取交集得到所有在线目标标签集合，该集合元素数即为对在线的目标标签数量的估计值。


3.根据权利要求2所述基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计方法，其特征在于：所述步骤二中阅读器根据已知的目标标签集合Tk的信息，使用均匀分布的哈希函数H(TID,fc,fs)进行映射，填充并生成期望向量Vk[·]；具体过程为：
定义哈希函数H(TID,fc,fs)为：

其余Vk[·]＝0；
其中，TID表示标签ID，r表示阅读器生成的随机数；Vk[·]为期望向量；％为“取余”运算，为“异或”运算；
其中N×fc决定了期望向量的大小，fs＝512为帧长度；
根据H(TID,fc,fs)函数填充期望向量Vk[·]。


4.根据权利要求3所述基于虚拟向量Aloha协议的RFID标签数量估计方法，其特征在于：所述步骤四中阅读器对所有在其有效范围内的标签，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵昕，陆海军，袁冰洋，万行全，姚爱红，
申请(专利权)人：宜澈电气上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31