CN101178765A - 调整射频识别探询器的方法和*** - Google Patents

调整射频识别探询器的方法和*** Download PDF

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Abstract

一种用于周期地测量由射频识别探询器使用的射频信道上发现的环境噪声得电平以读取射频识别标签的方法、设备和***。在该射频识别探询器已经发送信号之后测量环境噪声。然后使用测量的环境噪声等级动态调整用于预测信道上的冲突的阈值。

Description

调整射频识别探询器的方法和***
技术领域
本发明一般涉及射频识别。
背景技术
使用射频识别(RFID)***进行识别并从而追踪大量的目标。使用用于识别和追踪的RFID技术的目标的一些示例是证件(即护照和驾驶执照等)、零售商品、可移动电子设备、家私、零件、药品及集装箱。RFID***包括读取在RFID标签中存储的信息的一个或多个RFID探询器和用于处理信息的计算机。通常将RFID标签直接附着到目标上，或将RFID标签放置在容纳目标的包装内。每当RFID标签处于RFID探询器的范围之内，RFID探询器就读取在RFID标签上编码的信息。
包括来自其它标签、探询器和设备的RF信号的环境或背景噪声，使得RFID探询器很难或在在某些情况下不可能检测来自RFID标签的RF应答信号很困难。为了解决该问题，已经建立了协议参数。协议参数控制RFID标签产生的RF应答信号的传送。由RFID探询器确定不同协议参数的值并将其传送到RFID标签，RFID标签然后使用该参数生成RF应答信号并传送。如果适当地设置，协议参数将增加RFID探询器在即使存在环境噪声的范围内也能精确读取全部RFID标签的可能性。如果没有适当的设置协议参数，RFID探询器在其范围内将不能读取一些或全部RFID标签。因此，希望RFID探询器能够确定协议参数的适当的值，从而能在范围内读取全部RFID标签。
发明内容
本发明提供一种用于优化射频识别探询器的方法，该方法包括：在射频信道上传送射频信号；在射频信道内接收射频信号；对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
本发明提供一种射频识别探询器，包括：射频发送器，用于在一个或多个射频信道上传送射频信号；射频接收器，用于在一个或多个射频信道上接收射频信号；处理单元，其与所述接收器和所述发送器通信；以及存储单元，其与所述处理单元电连接，其中所述存储单元存储多个指令，当由处理单元执行所述指令时，所述指令使得处理单元：(i)选择射频信道；(ii)使发送器在射频信道上传送信号(iii)从所述接收器接收射频信道上的信号；(iv)对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及(v)基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
本发明提供一种射频识别***，包括：计算机；射频识别探询器，其与计算机通信，所述探询器包括：发送器，用于在一个或多个射频信道上传送射频信号；接收器，用于在一个或多个射频信道上接收射频信号；处理单元，其与所述接收器和所述发送器通信；以及存储单元，其与所述处理单元电连接，其中所述存储单元存储多个指令，当由处理单元执行所述指令时，所述指令使得处理单元：(i)使发送器在射频信道上传送信号；(ii)从所述接收器接收射频信道上的信号(iii)对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及(iv)基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
附图说明
图1是包括RFID探询器和多个RFID标签的示例RFID***的示意图；
图2是示例RFID探询器的高级功能示意图；
图3是说明用于为RF信道确定阈值的示例方法的高级流程图。
图4是说明用于确定冲突已经发生的示例方法的高级流程图。
具体实施方式
在下面的说明中，阐明多个细节以提供对本发明的理解。然而，本领域技术人员应该理解，没有这些细节也可以实施本发明，并且对于所述实施例的多种变化和修改是有可能的。
如图1所示，RFID***10的示例性示意图包括RFID探询器15(也称为RFID标签读取器或RFID读取器)、环境噪声40以及多个目标20、25、30、35(每个包括RFID标签50、55、60、65)。每个RFID标签包括识别RFID标签且与目标相关的信息。存储在每个RFID标签上的信息可以从全部的其它RFID标签中唯一识别每个RFID标签，或者该信息可以识别RFID标签属于某个组(例如，牛奶的1加伦容器)。在一些实施例中，除了唯一识别标签或识别组所必须的信息，RFID标签还包括附加信息。例如，RFID标签可以包括从牛奶的全部其它容器中识别牛奶的独特的1加伦容器的信息，并且RFID标签具有详细说明供应商、批号和牛奶有效期的附加信息。
仍然参考图1，设计RFID探询器15以从处于RFID探询器15范围45之内的每个RFID标签50、55、60、65读取信息。RFID探询器15通过传送射频(RF)信号以读取RFID标签上存储的信息。将该信号称作问询信号或问询命令。由在RFID探询器15的范围45内的全部RFID标签50、55、60、65接收问询信号。然后RFID标签传送包括在RFID标签中存储的信息的RF应答信号。RFID探询器15接收来自每个RFID标签的RF应答信号并恢复在每个RF应答信号中包括的信息。该信息可以包括任何类型的数据，这些数据包括全球唯一ID号(globally unique ID number)、价格、追踪数据、目的地、零件号、序列号或说明与标签有联系的目标的其他属性或属性的组合等。一些RFID***支持包括相对小量信息的RFID标签，而其它的***支持包括大量数据的RFID标签，还有一些***支持两种类型的标签。
为了降低成本，一些类型的RFID标签不具有驱动标签的电子组件的内部电源(即电池)。将这些类型的标签称为无源标签。无源标签包括连接至电子组件的天线，该天线通常包括单个集成电路(IC)。由通过RFID探询器传送的入RF信号在标签的天线中感应的小电流向无源标签供电。该感应电流提供足够使IC上电并将应答信号传送回RFID探询器的电能源。无源RFID标签使用将来自探询器的RF信号进行调制并将其返回至RFID探询器的反向散射技术来生成RF应答信号。RF应答信号包括存储于每个标签中的信息。该传送方法减少了操作标签所需的电能，因此排除了对于电池的需要并降低了标签的成本。然而，由无源标签传送的RF信号是非常弱的。
如果存在环境RF噪声40，RFID探询器可能不能区别来自标签的RF应答信号和环境RF噪声40。当这种情况出现时，RFID探询器15将不能读取一个或多个RFID标签。另外，环境RF噪声40的电平(level)将随着时间而变化并会引起间断故障和可靠性问题。多数RFID环境具有会干扰RFID探询器15和RFID标签之间通信的可检测电平的环境RF噪声40。环境RF噪声40的一个或多个噪声源将会改变并可以存在于RFID探询器15的范围45之内或之外。在某些环境中，一个或多个带电发送器，即手机、无绳电话、WiFi***(IEEE802.11)或者甚至是其它探询器，都会对环境RF噪声的电平起作用。来自这些噪声源的环境RF噪声是相对容易识别的，并且在某些情况***可以适应于与这些噪声源共存。然而，在某些环境中，存在环境RF噪声的一个或多个噪声源，在该种噪声源中直到探询器传送RF信号之后才能检测到有影响的环境RF噪声。在某些情况，噪声源是与探询器放置的过于接近的一个或多个非瞬时标签，这导致标签对探询器重复地响应。通常协议参数可以通过关闭非瞬时标签或者否则防止它们参与问询瞬时标签的过程，来解决非瞬时标签问题。在其它情况，一个或多个噪声源是反射或反向散射探询器的RF信号的电机设备。多数电机设备并没有被专门设计来传送RF信号，但是它们的设计和工作模式使得它们有可能反射或反向散射RF信号。在没有RF信号进行反向散射时，这些设备发出在RFID***使用的频段中的很少的RF噪声。然而，当探询器传送RF信号时，这些设备将反射或反向散射RF信号，从而造成环境RF噪声的噪声源。风扇、日光灯镇流器是显示反向散射RF信号特性的电机设备的示例。
现在参考图2，探询器15包括在总线120上连接至存储器115、通信接口125及RF接口105的处理器110。存储器115包括易失性和非易失性两种类型的存储器。非易失性存储器用于存储当处理器110执行时控制RFID探询器15的操作的指令。非易失性存储器还包括由该指令使用以控制RFID探询器15的参数。在一些实施例中，处理器110具有改变非易失性存储器的内容的能力。在一些实施例中，处理器110通过专用存储总线访问存储器。处理器110使用通信接口125与一个或多个外部***145通信。通信接口可以包括例如以太网等的有线接口或例如Wi-Fi(IEEE802.11)等的无线接口。在一些实施例中，外部***中的一个是在零售环境中使用的销售点终端。在一些实施例中，一个外部***中包括与来自RFID标签的信息一起使用以识别和追踪目标的数据库。
仍然参考图2，处理器110使用RF接口105与一个或多个RFID标签通信。RF接口105包括RF发送器140和RF接收器135，两者都支持用于与RFID标签通信的多个RF信道。RF发送器140和RF接收器135被连接至天线130，并使用天线130向RFID标签发送信号和从RFID标签接收信号。在一些实施例中，使用多个天线以增加与RFID标签通信的范围和能力。由于来自无源标签的信号很弱，因此在RFID标签和天线130之间放置的目标起了屏蔽和防止弱的RF应答信号到达天线130的作用。具有多于一个天线的RFID***增加了将由***的天线中的至少一个接收来自RFID标签的RF应答信号的可能性。因此附加的天线增加了RFID探询器15的范围45和可靠性。
RFID探询器15被限制成一次只能在每个信道接收一个RF应答信号。在任何特定的时间都有多个RFID标签处于RFID探询器15的范围45内的多标签环境中，如果多于一个的RFID标签同时应答，则冲突发生。当冲突发生时，由于无法理解信号，因此丢失全部数据。为了防止冲突，RFID探询器15必须单一化(SINGULATE)在RFID探询器15的范围45内每个RFID标签。当RFID探询器15一次可以识别一个RFID标签并与该一个RFID标签通信时，产生单一化标签。单一化处理包括RFID探询器15设置协议参数和向在范围45之内的全部RFID标签传递该协议参数。RFID标签然后使用该参数确定与探询器15通信时使用的适当的时间和信道。如果合适地设置参数，探询器15将成功地单一化在范围45之内的全部RFID标签。如果没有合适地设置参数，在RFID标签之间将发生冲突，并且单一化将占用较长的时间或可能根本不发生。
EPCglobal IncTM是已经建立管理RFID***某些方面的志愿性标准的国际组织。来自该组织的一个标准是“用于在860MHz-960MHz上通信的EPCTM射频识别协议Class-1，generation-2 UHF RFID协议，版本1.0.9”，将其并入本文作为参考，该协议包括操作RFID探询器和标签的指南。将达到该标准的要求的探询器描述为Class-1，generation-2探询器。虽然在其它实施例中RFID探询器15遵守用于Class-1，generation-2探询器的标准，但是RFID探询器15也将遵守工作在无源和/或有源RFID标签下的其它RFID标准。
用于Class-1，generation-2 RFID***的EPCglobal IncTM标准定义了当在RFID***中RFID探询器单一化RFID标签时，控制RFID探询器的性能和精确性的一系列协议参数。协议参数包括：1)Q，用于设置整个范围(round)内的时隙数；2)DR(TRcal除法比率)，用于设置T＝＞R链路频率；3)SEL，用于选择对问询信号或命令作出应答的标签；4)SESSION，用于为目录范围(inventory round)选择会话(session)；5)TARGET，用于选择目录标签是A的标签还是目录标签是B的标签参与目录范围。协议参数的用途是消除对来自RFID探询器15的问询信号的多个同时的标签应答(即，冲突)。在问询期间，在RFID探询器15的范围内向全部标签广播协议参数。
可配置的协议参数“Q”确定可用于标签应答问询信号的时隙的数量。每个标签需要一个时隙以对来自探询器15的问询信号进行应答。在将Q设置为1的情况，探询器范围内的全部标签将在相同的时隙传送它们对问询信号的应答。如果多个标签处于探询器的范围中，这些标签都将在相同的时隙传送它们的应答并引起冲突。为了防止发生冲突的任何可能性，可以将Q设置为最大值32,768(215)。这可以防止冲突，但是由于它可能占据32,768个时隙来单一化标签，因此RFID***的吞吐量性能将受到极大的损害。因此，期望当标签数量小时Q使用较小的值而当标签数量大时Q使用较大的值，从而在减少或消除冲突时使吞吐量最大化。
如上所示，当没有适当地设置协议参数时，如果探询器15未能成功单一化全部RFID标签导致多于一个的标签在相同的RF信道同时应答，则冲突将发生。EPCglobal IncTM标准没有提供能检测冲突的内在特性，因此探询器15没有直接感知冲突或在冲突期间的多个标签的存在。另外，对于当传送询问信号时在探询器15的范围45内没有标签因此探询器15将检测不到应答信号的情况下，可能会误认为冲突。因此，执行Class-1，generation-2标准的探询器15不能内在地区分表示存在多个标签的冲突和表示不存在标签的无响应。
通过建议探询器使用强制时隙为预定最小数量的协议参数的默认值设置，该标准的设计者找到解决***性能问题和区分无标签和多个标签的问题的方法。假定时隙的最小数量将足够大到允许一些成功的单一化在多标签环境中发生，但足够小到不至于不利地影响***性能。列出了一运算法则，其要点是基于成功单一化的数量使用反馈环增加或减少时隙的数量。该运算法则规定：1)如果成功单一化的数量等于零，则减少时隙的数量(但不减少到最小数量以下)；2)如果成功单一化的数量等于一，则保持相同的时隙数量；3)如果成功单一化的数量大于一，则增加时隙的数量。当RFID***工作时，将连续应用该运算法则。
除了使用成功单一化的数量调整时隙数量之外，该标准的设计者还找到预测标签之间冲突发生的方法。当探询器15不能内在地检测两个或多个标签之间的冲突时，探询器可以将接收到的信号的幅值与阈值比较，然后预测冲突是否已发生。设计者还为由探询器15使用的每个RF信道定义了统计学上计算的静态阈值。(有时将阈值称作决策阈值。)使用该方法，如果接收到的信号超过阈值，则假定冲突已经发生。为了防止另外的冲突，增加时隙的数量。如果接收到的信号降到阈值之下，则假定没有冲突发生。为了提高***吞吐量性能，当没有冲突时降低时隙的数量，但时隙的数量不低于最小数量之下。
由于统计学上定义的静态阈值不适合在RFID环境中环境RF噪声的动态特性，因此该设计是有错误的。环境RF噪声40的电平随着时间和地理位置而改变。为了解决该问题，相对高的设置统计学上定义的静态阈值。在具有周期的较低的环境RF噪声40的环境中，阈值太高导致探询器15遗漏来自处于探询器15范围45边缘的标签的较弱的应答。在该情况，探询器15错误地将较弱的应答看作噪声。在具有周期的较高的环境RF噪声40的环境中，阈值太低导致探询器15错误地将环境RF噪声40识别为冲突。该错误识别的冲突将使得当RFID***尝试减少冲突数量时，RFID***增加时隙的数量。这造成了很难诊断并诊断费用很高的间断问题。在具有持续高电平环境RF噪声40的环境中，冲突的增加将不利地影响RFID***的性能和探询器读取标签的能力。
现在参考图3，在图3中提供说明用于动态调整用于预测冲突的探询器15的阈值的方法的框图。探询器15在许多不同射频或RF信道上与RFID标签通信，且为每个RF信道维持一个阈值。在步骤300中，探询器15选择RF接收器135支持的信道中的一个。在一些实施例中，也可以调整RF接收器135的带宽。在该情况，将带宽变窄以增加RF接收器135的敏感性。在步骤305中，探询器15使RF发送器140传送简短信号。该简短信号不能使RF标签应答，但能使易于反射或反向散射RF信号的设备产生应答。在步骤310中，探询器15使RF接收器135捕捉在选择的RF信道上接收的信号的样本。该信号表示选择的RF信道的瞬时环境RF噪声。探询器15然后对采样信号进行频谱分析(步骤315)。使用傅立叶(傅立叶)分析在频域完成该频谱分析。然而，可以使用其它方法进行相同的分析。频谱分析产生出结果，该结果是选择的RF信道的瞬时环境RF噪声信号的幅值。在步骤320中，探询器15在专用于为选择的RF信道存储结果的循环缓冲器中存储该结果。在空闲时段，探询器15为每个RF信道持续重复该过程。在某些时间点上，每个RF信道的循环缓冲器变满。在该时间点上，删除最前的结果并添加最新的结果。循环缓冲器的大小是可选择的。
在为每个RF信道确定瞬时环境RF噪声的幅值的同时，探询器15通过使用在分配给RF信道的循环缓冲器中存储的结果为每个信道计算动态阈值。下面说明该过程。在步骤350中，探询器15选择单个RF信道。在步骤355中，探询器15从分配给RF信道的循环缓冲器中读取全部的结果。使用统计学的高斯分布建立信道的环境RF噪声的模型，高斯分布是公知的计算平均值、方差、和标准偏差的公式。假定环境噪声将持续遵循高斯分布模型，探询器15将选择的信道的阈值设置为来自循环缓冲器的结果的平均值加上三个标准偏差(步骤360)。在空闲时段，探询器15为每个RF信道周期地重复该过程。这样，基于在每个RF信道上得到的实际的实时环境RF噪声的统计学分析周期的更新每个信道的阈值。
现在参考图4，使用用于确定RF信道上瞬时环境RF噪声及每个信道的阈值的上面方法的改进方法，探询器15可以预测冲突是否已经发生。当探询器15接收到响应于问询信号的信号，但该接收的信号是无法理解时，该方法开始(步骤400)。探询器15对接收的信号进行频谱分析并确定接收的信号的幅值(步骤405)。然后将该幅值与用于接收该信号的RF信道的阈值进行比较(步骤410)。当该信号的幅值大于阈值时，探询器15确定冲突已发生(步骤415)。当该信号的幅值小于阈值时，探询器15确定没有冲突发生并且在范围之内没有标签(步骤420)。
当预测冲突已经发生时，探询器15调整协议参数来增加时隙的数量以消除未来的冲突。探询器15然后传送另一个问询信号并对应答进行检查。重复该过程直到没有冲突并且读取了全部的标签。使用动态阈值预测冲突比使用统计学上定义的静态阈值预测冲突更精确和更可靠。因此，不再需要使用原有的协议参数，该协议参数强制时隙的最小数量，该最小数量对***吞吐量有不利影响。原有的协议参数是当探询器15使用统学计上定义的静态阈值才需要的附加的安全措施。因此，使用动态阈值增加预测准确性并允许探询器15初始将协议参数设置为如一个时隙一样小的值，以在仍然有效地处理冲突时使***吞吐量最大化。
存在很多瞬时环境RF噪声源，并且这些噪声源随着环境而改变。这些噪声源可以是：其它探询器，在附近工作的通信***(即WiFi或网络)，来自电子设备的杂散发射，发射或反向散射RF信号的设备，或各种噪声源的组合。无论哪一种噪声源，由探询器15使用动态阈值可以允许RFID***动态地适应它的当前环境以维持最大化的吞吐量和可靠性。
还应该明白，使用有源RFID标签(使用电池对电子组件和RF发送器供电)或有源和无源RFID标签的组合的RFID***可以具有与以上RFID***相同的优点。
尽管在当前优选实施例的内容中揭示了本发明，但应认识到本领域技术人员可以使用与上述说明、附图及随后的权利要求一致的多种实施方式。

Claims (25)

1.一种用于优化射频识别探询器的方法，该方法包括：
在射频信道上传送射频信号；
在射频信道内接收射频信号；
对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及
基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号包括所述射频信道上的环境噪声。
3.根据权利要求1所述的方法，其中由所述频谱分析产生的结果是接收的信号的幅值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述频谱分析包括对所述接收的信号的傅立叶分析。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在分配给所述射频信道的循环缓冲器中存储所述结果。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述统计学分析包括对在循环缓冲器中存储的数据使用高斯分布模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将所述决策阈值设置为平均值加上三个标准偏差。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述决策阈值与所述射频信道相关联。
9.一种射频识别探询器，包括：
射频发送器，用于在一个或多个射频信道上传送射频信号；
射频接收器，用于在一个或多个射频信道上接收射频信号；
处理单元，其与所述接收器和所述发送器通信；以及
存储单元，其与所述处理单元电连接，其中所述存储单元存储多个指令，当由处理单元执行所述指令时，所述指令使得处理单元：
(i)选择射频信道；
(ii)使发送器在射频信道上传送信号
(iii)从所述接收器接收射频信道上的信号；
(iv)对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及
(v)基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
10.根据权利要求9所述的探询器，其中所述信号包括所述射频信道上的环境噪声。
11.根据权利要求9所述的探询器，其中由所述频谱分析产生的所述结果是所述接收的信号的幅值。
12.根据权利要求9所述的探询器，其中所述频谱分析包括所述接收的信号的傅立叶分析。
13.根据权利要求9所述的探询器，其中在接收所述信号之前将所述接收器的带宽变窄。
14.根据权利要求9所述的探询器，其中在分配给所述射频信道的循环缓冲器中存储所述结果。
15.根据权利要求14所述的探询器，其中所述统计学分析包括对在循环缓冲器中存储的数据使用高斯分布模型。
16.根据权利要求15所述的探询器，其中将所述决策阈值设置为平均值加上三个标准偏差。
17.根据权利要求16所述的探询器，其中所述决策阈值与所述射频信道相关联。
18.一种射频识别***，包括：
计算机；
射频识别探询器，其与计算机通信，所述探询器包括：
发送器，用于在一个或多个射频信道上传送射频信号；
接收器，用于在一个或多个射频信道上接收射频信号；
处理单元，其与所述接收器和所述发送器通信；以及
存储单元，其与所述处理单元电连接，其中所述存储单元存储多个指令，当由处理单元执行所述指令时，所述指令使得处理单元：
(i)使发送器在射频信道上传送信号；
(ii)从所述接收器接收射频信道上的信号
(iii)对接收的信号进行频谱分析以获得结果；以及
(iv)基于使用所述结果的统计学分析为探询器设置决策阈值。
19.根据权利要求17所述的***，其中所述信号包括所述射频信道上的环境噪声。
20.根据权利要求17所述的探询器，其中由所述频谱分析产生的所述结果是所述信号的幅值。
21.根据权利要求17所述的探询器，其中所述频谱分析包括所述信号的傅立叶分析。
22.根据权利要求17所述的探询器，其中在分配给所述射频信道的循环缓冲器中存储所述结果。
23.根据权利要求21所述的探询器，其中所述统计学分析包括对在循环缓冲器中存储的数据使用高斯分布模型。
24.根据权利要求22所述的探询器，其中将所述决策阈值设置为平均值加上三个标准偏差。
25.根据权利要求23所述的探询器，其中所述决策阈值与所述射频信道相关联。
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