CN104766032B - 一种基于多接收天线同时识别多个标签的q参数实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其具体是阅读器根据接收到的RN16信号，结合多接收天线对待识别的标签做位置估计，从中选择出不相干的若干个标签；再由阅读器发送的ACK信号的RN16信息通知一个或多个对应的标签同时发送其EPC数据；标签在EPC数据前***一个正交序列，使得阅读器可以获取到信道参数，从而正确的同时识别多个标签数据。本发明能有效的利用了标签冲突信号，允许多个标签同时发送数据，多接收天线的识别效果也更好，大大提高了标签识别效率，也极大地促进RFID技术的发展。

Description

一种基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法

技术领域

本发明涉及一种识别多个标签的Q参数实现方法，尤其涉及一种基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。在计算机互联网的基础上，利用射频识别(RadioFrequeneyldentifieation，RFID)、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的架构中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息***，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

作为当前最具发展潜力的产业之一，物联网将有力带动传统产业转型升级，引领战略性新兴产业的发展，实现经济结构和战略性调整，引发社会生产和经济发展方式的深度变革，具有巨大的战略增长潜能，是后危机时代经济发展和科技创新的战略制高点，已经成为各个国家构建社会新模式和重塑国家长期竞争力的先导力。随着世界信息产业第三次浪潮“物联网”时代的来临，作为“物联网”关键技术之一的RFID技术也将在工业自动化、物流、交通、商业等领域得到更加广泛的应用，成为一个新的经济增长点。

RFID***一般由电子标签和阅读器组成。阅读器和标签芯片电路通过基带信号控制载波信号参量，将低频基带信号搬移至高频，使得基带信号适合无线信道传输，保证RFID***通信的传输有效性和可靠性。RFID***通常采用幅度键控(Amplitude-ShiftKeying，ASK)和相移键控(Phase-ShiftKeying，PSK)调制方式，无源标签由于其内部不带电源，只能利用芯片电路中调制模块开关，通过改变芯片电路输入阻抗来改变标签的功率反射系数，进而调节反向散射信号的幅度和相位，也就是反向散射调制。

为了保证传输信号与传输信道的性能匹配，提高信号有效性，防止信号受到干扰或碰撞，减少信号冗余度，保证数据传输速率，RFID***常采用反向非归零码(NRZ，NotReturn to Zero)编码、曼彻斯特(Manchester)编码、单极性归零(UniPolar Return toZero)编码、差动双相(FMO)编码、密勒(Miller)编码、变形Miller编码等编码方式。

阅读器负责发送广播并接收标签的标识信息；标签收到广播命令后将自身标识信息发送给阅读器。然而由于阅读器与所有标签共用一个无线信道，当阅读器识别区域内有两个或者两个以上的标签在同一时刻向阅读器发送标识信息时，将产生碰撞。

阅读器往往无法识别冲突信号，致使不能对这些标签进行实时处理。解决此碰撞的常用方法称为防碰撞算法。典型的RFID协议的防碰撞算法主要分为两大类：基于ALOHA的算法和基于树搜索的算法。目前被ISO接受的超高频段的空中接口协议标准有ISO180006A、B、C三种，分别是基于帧时隙ALOHA算法、二进制树算法和动态帧时隙ALOHA算法。

然而这些防碰撞算法，在一个信道只有一个标签回复时才能够正确解码，冲突的信息被丢弃，标签要进行重传，大约50％的***时间浪费在这方面。这无疑浪费了大量有用的信息，制约了防碰撞算法识别效率的进一步提高。如果可以有效的利用标签冲突信号，将极大地促进RFID技术的发展。

现有技术中的冲突恢复方法主要有以下两种：

基于物理层的冲突恢复技术，需要构造阅读器接收信号模型，根据各标签反射信号到达阅读器接收天线的时间差异，获取信道系数，进而将接收信号在I/Q平面进行分解。即将一个标签信号作为一维空间，把另一个标签信号看成它的干扰，用在其正交子空间的投影来进行预测。单接收天线条件下当两个标签信号的角度差很小时，识别效果很差；多接收天线条件下，则要求修改标签回复Query命令时的信号格式，增加正交的postpreamble字段，这显然增加了***的开销；当两个标签选择的postpreamle值相同时，就无法将它们分开。

另一类冲突恢复方法是基于媒质接入控制(MAC，Media Access control)层的标签识别码(ID，Identification)编码方法，如使用平衡不完全区组设计引入防碰撞算法，并把其扩展为多分支树算法，提出使用BIBD作为标签的ID以实现多分支算法，但这对目前已经实行的RFID标准改动较大(改变了标签ID的定义)，另一方面由于多叉树的工作原理需要标签记忆每个分支状态，也不利于标签成本的控制。

上述两种冲突恢复方法，都是针对标签回复阅读器的RN16的信号，从冲突信号中识别出一个RN16，从而通知(一个)对应的标签传送其EPC数据。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种构思巧妙、合理，有效的利用标签冲突信号，可实现多个标签同时发送数据，天线识别效果好，标签识别效率高的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法。

本发明的技术方案如下：

上述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其包括以下步骤：(1)在标签回复阅读器的广播查询时，使用16比特的单位向量正交序列来代替RN16，并采用开关电路振幅调试方式发送此信号；(2)由阅读器根据接收到的RN16信号，结合各接收天线对待识别的标签做位置估计，从中选择出不相干的一个或一个以上标签，再由阅读器发送的ACK信号的RN16信息通知一个或一个以上对应的标签发送其EPC数据；(3)标签根据其在所接收RN16信息的位置，先发送一个正交序列信号，再发送其EPC数据；(4)阅读器根据各标签发送的正交序列信号，得到时隙的信道参数，再根据一个或一个以上接收天线情况下的计算方法，同时识别各标签的EPC数据，以完成对一个或一个以上标签的同时识别。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述步骤(1)中RN16是由16个比特组成，标签在回复阅读器的广播查询时，随机选取一个16位长度的单位向量来代替RN16，并采用开关电路调幅方式进行信号调制发送；所述步骤(1)中所述标签是采用振幅调制的方式发送方波信号，当取值为0时，振幅为0不发送信号，取值为1时才发送。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中；所述振幅调制的方式包括振幅键控和幅度键控；所述振幅键控是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控；所述二进制振幅键控信号可表示成具有一定波形形状的二进制序列与正弦型载波的乘积；所述幅度键控是通过乘法器和开关电路来实现，载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，在接收端即根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中，所述步骤(2)中待识别的标签的确定方法具体为：由阅读器根据各自接收到的标签回复RN16信号，对每一个单一信号的位置，根据信号到达各接收天线的时间和角度不同，根据最小二乘法，估计出对应标签的位置，并在各标签的估计位置太接近时，选择其中一个来作为待识别的标签，至此，完成本时隙需要通知的待识别标签的确定。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中，所述对应标签的位置的定位方法包括：

(1)时间到达法，即用3个以上的接收机接收同一信号源发射的无线电信号，通过测量同一信号到达不同接收机的时间可以计算出接收机到信号源的距离，从而达到定位的目的。目前，利用TOA进行定位的技术主要有圆周模型和相交线模型；

(2)时间到达差法，即分别在3个不同的监测站同步接收信号源发出的无无线电信号，确定同一信号到达3个不同监测站的时间，求出任意2个信号到达的时间差，就可获得信号源到不同监测站的距离差，由距离差可以确定2条双曲线，2条双曲线相交的交点即为信号源的位置；

(3)信号强度法，即测量接收到的信号的强度，推算出信号源与监测站的距离。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述步骤(2)中在同一个时隙中可有若干个标签回复RN16信号，这些RN16信号被阅读器同时接收，当只有一个RN16信号时，阅读器在ACK中选择这个RN16信号即可，如果有多个RN16信号同时被接收，根据所接收的单一信号的位置，即可初步标识出有哪些不冲突的应答标签。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述步骤(3)中阅读器是根据所述步骤(1)和(2)确定本次需要通知的不冲突的应答标签，再通过ACK信号通知所述应答标签发送EPC数据；所述应答标签收到此ACK信号的RN16后，如果自己发送的单位向量包含在其中，将发送其EPC数据；同时，所述应答标签在发送EPC数据前，根据其在本次发送的位置为索引，从一组正交序列中选取一个插在EPC数据之前发送，以使阅读器更好的获取信道参数。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述阅读器每次通知的应答标签个数不大于8个，即在ACK信号所包含的RN16中1的个数最大不超过8；所述ACK信号包含其中单个标签的RN16，RN16的每一个为“1”的位则表示发送对应单位向量的标签。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述正交序列选择了长度为8的正规阿达玛矩阵作为正交序列，一共有8个正交序列；所述应答标签根据其在收到ACK所包含RN16的位置信息，选择对应的正交信号，放在EPC数据之前发送。

所述基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其中：所述步骤(4)具体是选用4个接收天线，分布在待识别区域的不同位置，所述4个接收天线通过有线方式与阅读器相连；所述4个接收天线最多可以同时识别8个标签数据。

有益效果：

本发明基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法构思巧妙、合理，其中阅读器可根据接收到的RN16信号，结合多接收天线对待识别的标签做位置估计，从中选择出不相干的若干个标签；阅读器发送的ACK信号的RN16信息通知一个或多个对应的标签同时发送其EPC数据；标签在EPC数据前***一个正交序列，使得阅读器可以获取到信道参数，从而正确的同时识别多个标签数据；其他的标签冲突回复技术，只能从冲突的RN16的信号中，一次通知一个标签发送EPC数据，而本发明能有效的利用了标签冲突信号，允许多个标签同时发送数据，多接收天线的识别效果也更好，大大提高了标签识别效率，也极大地促进RFID技术的发展。

具体实施方式

本发明基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，包括以下步骤：

S010、在标签回复阅读器的广播查询时，使用16比特的单位向量正交序列来代替RN16，并采用开关电路振幅调试方式发送此信号；

S020、由阅读器根据接收到的RN16信号，结合各接收天线对待识别的标签做位置估计，从中选择出不相干的若干标签，再由阅读器发送的ACK信号的RN16信息通知一个或一个以上对应的标签发送其EPC数据；

S030、标签根据其在所接收RN16信息的位置，先发送一个正交序列信号，再发送其EPC数据；

S040、阅读器根据各标签发送的正交序列信号，得到时隙的信道参数，再根据一个或一个以上接收天线情况下的计算方法，同时识别各标签的EPC数据，以完成对一个或一个以上标签的同时识别。

其中，上述步骤S010中RN16是由16个比特组成，标签在回复阅读器的广播查询时，随机选取一个16位长度的单位向量来代替RN16，并采用开关电路调幅方式进行信号调制发送；单位向量是最简单的正交序列，形如：(1，0，0，…，0)，(0，1，0，…，0)，(0，0，1，0，…，0)，…，(0，0，…，0，1)；标签采用振幅调制的方式发送方波信号，当取值为0时，振幅为0不发送信号，取值为1时才发送；振幅键控是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控(2ASK)；二进制振幅键控信号可以表示成具有一定波形形状的二进制序列(二进制数字基带信号)与正弦型载波的乘积；幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现，载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0，通常又称为通断键控信号。

上述步骤S020中在同一个时隙中，可以有若干个标签回复RN16，这些信号被阅读器同时接收；当只有一个信号时，阅读器在ACK中选择这个RN16即可；如果有多个信号同时被接收，由于这些信号是基于16位的单位向量构造的，接收信号的每一位可以有空、单一信号、冲突信号等不同情况；根据所接收的单一信号的位置，就可以初步标识出有哪些不冲突的应答标签。

上述步骤S020中待识别的标签的确定方法具体为：由阅读器根据各自接收到的标签回复RN16信号，对每一个单一信号的位置，根据信号到达各接收天线的时间和角度不同，根据最小二乘法，估计出对应标签的位置，并在各标签的估计位置太接近时，选择其中一个来作为待识别的标签，至此，完成本时隙需要通知的待识别标签的确定。

上述步骤S030中的定位算法包括以下最基本的几种定位算法：

(1)时间到达法(TOA)

即用3个以上的接收机接收同一信号源发射的无线电信号，通过测量同一信号到达不同接收机的时间可以计算出接收机到信号源的距离，从而达到定位的目的。目前，利用TOA进行定位的技术主要有圆周模型和相交线模型；

(2)时间到达差法(TDOA)

即分别在3个不同的监测站同步接收信号源发出的无无线电信号，确定同一信号到达3个不同监测站的时间，求出任意2个信号到达的时间差，就可获得信号源到不同监测站的距离差，由距离差可以确定2条双曲线，2条双曲线相交的交点即为信号源的位置；

(3)信号强度法(RSS)

即无线信号的传播存在以下规律：接收方测得的信号强度越强，则发送方就离接收方越近，反之，就越远。因此，通过测量接收到的信号的强度就可以推算出信号源与监测站的距离。

上述步骤S040中阅读器根据上两步已经确定了本次需要通知的不冲突的应答标签，将通过ACK信号通知这些标签发送EPC数据；一般情况下，ACK信号包含某个标签的RN16，这里发送的RN16的每一个为“1”的位则表示发送对应单位向量的标签；标签收到此ACK信号的RN16后，如果自己发送的单位向量包含在其中，将发送其EPC数据；为了阅读器可以更好的获取信道参数，在发送EPC数据前，将根据自己在本次发送的位置为索引，从一组正交序列(这里选择了长度为8的正规阿达玛矩阵作为正交序列，一共有8个正交序列)中选取一个插在EPC数据之前发送；标签根据其在收到ACK所包含RN16的位置信息(ACK的RN16中最多包含8个“1”，这里选择从前向后排列的第几个”1”作为选择正交序列的索引)，选择对应的正交信号，放在EPC数据之前发送。

同时，上述步骤S040在实际中，一般选用4个接收天线，分布在待识别区域的不同位置，这些天线通过有线方式与阅读器相连；4个接收天线最多可以同时识别8个标签数据，所以阅读器每次通知的标签个数不大于8个，即在ACK信号所包含的RN16中1的个数最大不超过8。

以下结合实际运算公式对本发明做进一步详述：

根据多接收天线的信号模型：

也即

S_e(t)＝H_ea(t)+I(t)+n(t)

根据最小方差估计方法：

可以得到信道参数

假设标签个数是n，则是一个8xn的矩阵，它是一个秩＝n的矩阵，我们可以求它的拟矩阵(在非方阵的情况下，可以求其广义逆)。满足

这里I表示单位矩阵。

则有：

后续收到来自多个标签的EPC数据，可以通过上式，由所求的信道参数矩阵，同时识别。

本发明基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法构思巧妙、合理，可允许一个或多个标签同时发送数据，不仅极大地促进了RFID技术的发展，而且有效的利用了标签冲突信号，多接收天线的识别效果也更好，大大提高了标签识别效率。

Claims (9)

1.一种基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

(1)在标签回复阅读器的广播查询时，使用16比特的单位向量正交序列来代替RN16，并采用开关电路振幅调制方式发送此信号；

(2)由阅读器根据接收到的RN16信号，结合各接收天线对待识别的标签做位置估计，从中选择出不相干的一个或一个以上标签，再由阅读器发送的ACK信号的RN16信息通知一个或一个以上对应的标签发送其EPC数据；

(3)标签根据其在所接收RN16信息的位置，先发送一个正交序列信号，再发送其EPC数据；

(4)阅读器根据各标签发送的正交序列信号，得到时隙的信道参数，再根据一个或一个以上接收天线情况下的计算方法，同时识别各标签的EPC数据，以完成对一个或一个以上标签的同时识别；

所述步骤(1)中RN16是由16个比特组成，标签在回复阅读器的广播查询时，随机选取一个16位长度的单位向量来代替RN16，并采用开关电路调幅方式进行信号调制发送；

所述步骤(1)中所述标签是采用振幅调制的方式发送方波信号，当取值为0时，振幅为0不发送信号，取值为1时才发送。

2.如权利要求1所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于；所述振幅调制的方式包括振幅键控和幅度键控；

所述振幅键控是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控；所述二进制振幅键控信号可表示成具有一定波形形状的二进制序列与正弦型载波的乘积；

所述幅度键控是通过乘法器和开关电路来实现，载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，在接收端即根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

3.如权利要求1所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于，所述步骤(2)中待识别的标签的确定方法具体为：由阅读器根据各自接收到的标签回复RN16信号，对每一个单一信号的位置，根据信号到达各接收天线的时间和角度不同，根据最小二乘法，估计出对应标签的位置，并在各标签的估计位置太接近时，选择其中一个来作为待识别的标签，至此，完成本时隙需要通知的待识别标签的确定。

4.如权利要求3所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于，所述对应标签的位置的定位方法包括：

(1)时间到达法

即用3个以上的接收机接收同一信号源发射的无线电信号，通过测量同一信号到达不同接收机的时间可以计算出接收机到信号源的距离，从而达到定位的目的；目前，利用TOA进行定位的技术主要有圆周模型和相交线模型；

(2)时间到达差法

即分别在3个不同的监测站同步接收信号源发出的无线电信号，确定同一信号到达3个不同监测站的时间，求出任意2个信号到达的时间差，就可获得信号源到不同监测站的距离差，由距离差可以确定2条双曲线，2条双曲线相交的交点即为信号源的位置；

(3)信号强度法

测量接收到的信号的强度，推算出信号源与监测站的距离。

5.如权利要求1所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于：所述步骤(2)中在同一个时隙中可有若干个标签回复RN16信号，这些RN16信号被阅读器同时接收，当只有一个RN16信号时，阅读器在ACK中选择这个RN16信号即可，如果有多个RN16信号同时被接收，根据所接收的单一信号的位置，即可初步标识出有哪些不冲突的应答标签。

6.如权利要求1所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中阅读器是根据所述步骤(1)和(2)确定本次需要通知的不冲突的应答标签，再通过ACK信号通知所述应答标签发送EPC数据；所述应答标签收到此ACK信号的RN16后，如果自己发送的单位向量包含在其中，将发送其EPC数据；同时，所述应答标签在发送EPC数据前，根据其在本次发送的位置为索引，从一组正交序列中选取一个插在EPC数据之前发送，以使阅读器更好的获取信道参数。

7.如权利要求6所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于：所述阅读器每次通知的应答标签个数不大于8个，即在ACK信号所包含的RN16中1的个数最大不超过8；

所述ACK信号包含其中单个标签的RN16，RN16的每一个为“1”的位则表示发送对应单位向量的标签。

8.如权利要求6所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于：所述正交序列选择了长度为8的正规阿达玛矩阵作为正交序列，一共有8个正交序列；所述应答标签根据其在收到ACK所包含RN16的位置信息，选择对应的正交信号，放在EPC数据之前发送。

9.如权利要求1所述的基于多接收天线同时识别多个标签的Q参数实现方法，其特征在于：所述步骤(4)具体是选用4个接收天线，分布在待识别区域的不同位置，所述4个接收天线通过有线方式与阅读器相连；所述4个接收天线最多可以同时识别8个标签数据。