一种主动式射频标签的码分预约和空分读取方法

摘要

本发明公开了一种主动式射频标签的码分预约和空分读取方法，属于通信技术领域。本发明的码分预约方法中阅读器首先利用预约码的正交性把预约码分离，然后用分离的预约码单独获取每个标签的入射方向，然后根据每个标签的入射方向计算对应标签的天线阵列方向矢和信道估计重构该标签信息最后将重构标签信息与该标签的原始信息yt比较，选取没有发身预约碰撞的标签发送数据；本发明的空分读取方法为根据标签的天线阵列方向矢量计算斜投影算子，然后根据每个标签的斜投影算子分离多个标签的数据载荷。本发明可以有效提高阅读器的读取效率；同时还可以给出目标物体的方位。

权利要求

1.一种主动式射频标签的码分预约方法，其步骤为：

1)标签在某一时隙内发射标签预约码；

2)阅读器检测分离标签的预约码，估计每个标签的入射方向；

3)根据每个标签的入射方向计算对应标签的天线阵列方向矢量 和信道估计

4)根据天线阵列方向矢量 和信道估计 重构该标签信息

5)将重构标签信息 与该标签的原始信息yt比较，如果其差值 小于设定的阈值则认定该标签的预约码为好码，否则认定该标签的预约码为坏码；

6)选取若干个预约码为好码的标签发送数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述时隙内包括：预约短时隙、ACK短时隙、标签数据载荷传输短时隙。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述预约码为正交码，采用相关检测方法分离所述预约码。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于采用阵列天线和所述分离出的各个标签预约码估计每个标签的入射方向。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于选取标签数量上限为阅读器天线数目。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于计算全部好码标签的入射方向角度差，选取最大化最小角度差的标签允许其发送数据。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于计算全部好码标签的入射方向角度差，选取角度差大于设定门限的标签允许其发送数据。

8.一种主动式射频标签的空分读取方法，其步骤为：

1)阅读器根据T个标签的天线阵列方向矢量 建立方向矩阵 其中T为自然数；

2)根据方向矩阵 计算第t个标签的斜投影算子

3)用算子 对接收信号做投影，获得第t个标签的信号矩阵Zt；

4)利用 将信号矩阵Zt合并为数据向量 其中H＝diag(h1…ht…hT)，为信道矩阵；

5)用信道估计 均衡 得到第t个标签的数据载荷 其中 为第t个标签的信道估计。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述均衡方法为迫零均衡方法：

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述根据方向矩阵 计算第t个标签的斜投影算子 的方法为：

1)从所述方向矩阵 中删除第t个标签的天线阵列方向矢量 得到方向矩阵

2)沿着 空间向 空间投影得到斜投影算子

说明书

一种主动式射频标签的码分预约和空分读取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种标签检测中得标签预约和数据读取方法，尤其涉及一种主动式射频标签的码分预约和空分读取方法，属于通信技术领域。

背景技术

[0002] RFID是近年来发展迅速的非接触式自动识别技术。

[0003] 射频识别技术(Radio-Frequency Identification RFID)以无线进行双向非接触数据通信对目标加以识别，类似商店买货物的条形码，与条形码相比具有识别迅速，方法灵活，适应场合广，智能化程度高等优点，将给零售物流医药等产业带来革命性变化。在年国家高技术研究发展计划中已将RFID识别技术与应用作为科技部先进制造技术领域重大项目进行实施。典型的RFID系统包括电子标签、阅读器(参考：Chawla，V.，Ha，D.S.，Anoverview of passive RFID.IEEE Communications Magazine，Vol.45，Issue.9，September 2007，PP.11-17；和“radio-frequency identification protocols class-1generation-2UHF RFIDprotocol for communications at 860MHz-960MHz version 1.0.9，”EPC global，Jan.2005.)。系统组成框图如图1所示，系统的基本工作流程是：阅读器发送一定频率的射频信号，标签被激活，标签将自身携带的信息(比如一个牙刷的价格)通过其内置发送天线发送出去；阅读器接收到标签的信号。

[0004] 被动式RFID标签：标签自己没有电源，依靠阅读器发射的电磁波充电。一般采用ASK信号，即只发射0/1信号，不能发射更复杂的正负数信号。

[0005] 主动式RFID标签：标签自己有电源，有内置电路，比被动式标签复杂，通常可以发射正负数信号+1/-1、甚至复数信号。

[0006] 通过利用主动式标签和正交码作为预约码进行标签检测可以实现在同一时隙检测多个标签，这给标签识别技术带来的很大的便利(参考：H.Guo，Y.Zhao，A study oftwo-dimensional reservation MAC protocal for wireless communication systems.IEEE Conf.onWireless Communications，Networking and Mobile Computing.Sept.2007Page(s)：2165-2168)，但是同时此技术也会产生码碰撞的发生，使阅读器无法准确识别标签。所谓码碰撞(预约碰撞)是指：每个标签随机使用一个正交码用来预约信道，如果多个标签使用了同一个码，而阅读器又不知道该码对应着多个标签，这就是一个预约碰撞。该现象应该尽量避免。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种基于主动式RFID的标签检测方法，用于检测和消除预约码碰撞，实现标签的准确检测；我们采用时隙-ALOHA和正交码预约相结合的MAC方式，如图2所示。

[0008] 在阅读器上采用Nr个天线的阵列；预约码是正交码，其码长等于码个数W。

[0009] 假设某时隙有T个标签给阅读器应答，它们各自的信道h1，h2，…，hT都是模1的随机高斯复数，且在一个时隙里面不变。那么阅读器收到的信号是

[0010] R＝AHXH+N (1)[0011] 这里H＝diag(h1 … ht … hT)是信道矩阵。X＝[X1 … Xt … XT]，Xt是第t个标签的发射信号。(在后面的描述中，标签发射的信号有两种：长为W的预约码，用ct∈CW×1表示，这里CW×1代表W行1列的矢量；长为L的标签数据载荷，用dt∈CL×1表示。)N是高斯噪。A＝[a1 … aT]是阅读器的阵列天线产生的阵列乘法矩阵因子， 是阅读器天线阵列与第t个标签对应的天线阵列方向矢量

[0012]

[0013] 如果只有一个标签入射，那么在没有噪声的情况下，ejω就是相邻两个天线接收信号的商，即ω是相邻两个天线接收信号的相位的差，其原理如图3所示。

[0014] 本发明采用正交码预约，用阵列天线获取标签的空间角度信息。利用标签的空间角度不同，可以读取一个时隙中的多个标签。

[0015] 为实现本发明的目的，本发明采取的技术方案为：

[0016] 一种主动式射频标签的码分预约方法，其步骤为：

[0017] 1)标签在某一时隙内发射标签预约码；

[0018] 2)阅读器检测分离标签的预约码，估计每个标签的入射方向；

[0019] 3)根据每个标签的入射方向计算对应标签的天线阵列方向矢量 和信道估计[0020] 4)根据天线阵列方向矢量 和信道估计 重构该标签信息

[0021] 5)将重构标签信息 与该标签的原始信息yt比较，如果其差值 小于设定的阈值则认定该标签的预约码为好码，否则认定该标签的预约码为坏码；

[0022] 6)选取若干个预约码为好码的标签发送数据。

[0023] 所述时隙内包括：预约短时隙、ACK短时隙、标签数据载荷传输短时隙。

[0024] 所述预约码为正交码，采用相关检测方法分离所述预约码。

[0025] 所述方法中采用阵列天线和所述分离出的各个标签预约码估计每个标签的入射方向。

[0026] 所述选取标签数量上限为阅读器天线数目。

[0027] 所述方法中计算全部好码标签的入射方向角度差，选取最大化最小角度差的标签允许其发送数据。

[0028] 所述方法中计算全部好码标签的入射方向角度差，选取角度差大于设定门限的标签允许其发送数据。

[0029] 一种主动式射频标签的空分读取方法，其步骤为：

[0030] 1)阅读器根据T个标签的天线阵列方向矢量 建立方向矩阵 其中T为自然数；

[0031] 2)根据方向矩阵 计算第t个标签的斜投影算子

[0032] 3)用算子 对接收信号做投影，获得第t个标签的信号矩阵Zt；

[0033] 4)利用 把信号矩阵Zt合并为数据向量 其中H＝diag(h1 … ht … hT)，为信道矩阵；

[0034] 5)用信道估计 均衡 得到第t个标签的数据载荷dtH，其中 为第t个标签的信道估计。

[0035] 所述均衡方法为迫零均衡方法：

[0036] 所述根据方向矩阵 计算第t个标签的斜投影算子 的方法为：

[0037] 1)从所述方向矩阵 中删除第t个标签的天线阵列方向矢量 得到方向矩阵[0038] 2)沿着 空间向 空间投影得到斜投影算子

[0039] 本发明的积极效果

[0040] 由于RFID网络中标签数目众多，容易发生多个标签同时向阅读器发送数据并相互干扰的情况，即碰撞，降低了读取效率；另一方面，在很多应用场合中需要获得目标物体的方位；故此解决碰撞问题和方向定位是RFID网络的两个重要考虑。本发明采用正交码接入和天线阵列有机结合的方式，达到了一个时隙读取多个标签的效果，并且给出了标签的方向信息。

附图说明

[0041] 图1为典型RFID系统组成示意图；

[0042] 图2为时隙-ALOHA和正交码预约相结合的MAC方式图；

[0043] 图3为入射角度和阵列天线示意图；

[0044] 图4为时隙划分示意图；

[0045] 图5为标签分离原理示意图；

[0046] 图6为标签选择原理示意图；

[0047] 图7为多标签数据分解示意图；

[0048] 图8为本发明方法流程图；

[0049] 图9为方向估计误差的平均值和方差，

[0050] 图10为方向估计误差的平均值和方差，天线数目Nr＝5，码长W＝16/32/64；

[0051] 图11为无纠错编码的误帧率，天线数目Nr＝5，码长W＝16/32/64；

具体实施方式

[0052] 将时间轴划分为多个时隙，每个时隙包括三个短时隙：预约短时隙，ACK短时隙，标签数据载荷传输短时隙，如图4所述。下面简单描述一个时隙发生的事情：

[0053] 1，标签随机选择一个时隙，在码预约短时隙发送自己的预约码，然后等待阅读器的反馈；

[0054] 2，阅读器收到预约码以后，在ACK短时隙进行分析，然后通知这些正在预约的标签，哪些标签可以发送数据，哪些不能；

[0055] 3，在标签数据载荷传输短时隙，那些被允许发送数据的标签发送有效载荷数据。那些发送了预约码但是在本时隙没有获得发送数据权的标签，回到初始状态，重复以上过程，即再随机选择一个时隙，预约并等待允许发送数据。

[0056] 讨论如何在一个时隙读取多个标签。阅读器接收到多个标签的预约码以后，利用码的正交性分离这些码；然后阅读器利用这些分离码来估计每个标签的入射方向；阅读器从当前预约的标签中，选择适当数目的标签让它们发送数据；阅读器用估计出的标签入射方向，做投影算子，把投影算子作用于多个标签的载荷数据的混合体，得到每个标签的单独的载荷数据。接下来细致描述这个过程。

[0057] 1、方向估计、信道估计

[0058] 首先介绍如何估计标签的入射方向：假设每个标签都使用了不同的预约码，那么利用码之间的正交性，阅读器可以分离这些属于不同标签的预约码，其原理如图5所示，用相关的办法

[0059]

[0060] 这里ct是第t个标签发射的码矢量，而 是属于第t个标签的相关后的信号矢量， 是噪声矢量，htW是一个标量。很显然这个过程和CDMA码的相关检测是一致的，能够引入信噪比增益。比如我们使用walsh码作为预约码，那么信噪比增益就是码长W。然后通过一个简单的门限准则，就可以知道码Ct是否被发射。设定一个门限γy，如果下式[0061] ‖yt‖＝‖RCt‖＞γy (4)

[0062] 成 立，那 么 我 们 认 为 在 当 前 的 时 隙，码 ct 被 发 射 了。 记注意到没有噪声的时候，矢量yt的相邻元素yt，nr和yt，nr+1jωt
的商，就是e ，于是我们得出一种简单的方向估计方案

[0063]

[0064] 这其实是一个迫零方案。则标签的入射角度是

[0065]

[0066] 和 是等价的，本文中我们利用 而不考虑 有了 以后，就可以构造属于Ct的天线阵列方向矢量

[0067]

[0068] 最后考虑信道估计。很显然，从式(3)可知，ht的估计是

[0069]

[0070] 2、标签选择

[0071] 得出方向估计 和信道估计 以后，需要做标签选择。即阅读器从检测出的码中，选出几个码，通过ACK信号广播反馈给所有标签，让标签知道自己的预约是否被接受，是否可以发送自己的载荷数据。其原理如图6所示。

[0072] 做标签选择有多种原因，其一是防止读取碰撞，其二是天线资源有限，其三是保证被选择标签的空间特征有显著差别。下面主要讨论第一个原因。

[0073] 如果在一个时隙中，一个预约码ct被多个标签使用，这就是一个糟糕的预约，这个情况需要被阅读器知道，否则阅读器认为只有一个标签在使用ct，阅读器会允许使用了ct的这些标签都发送数据，其结果是使用了ct的这多个方向不同的标签同时发送数据，而阅读器却估计出一个错误的方向，也就是说阅读器没能掌握这些标签的空间特征；于是“利用多个标签的空间特征来分离数据”失效，也就是读取错误。这种在一个预约时隙被多个标签使用的码，我们称它为“坏码”；而被唯一标签使用的预约码，称其为“好码”。被选择的码只能是“好码”，所谓选择标签也就是选择码。

[0074] 现在讨论如何能检测出一个码是“好码”还是“坏码”。如果码ct被多个标签使用，那么我们的方向算法得出的估计 将是错误的，以及导出的信道估计 也是错误的，所以，我们重构信号

[0075]

[0076] 它将和(8)式中真实的yt不同，于是通过比较它们的区别，就可以断定码ct是否是“坏码”，设定一个经验门限τ，那么可以通过

[0077]

[0078] 判定码ct是否“坏码”。

[0079] 最后，标签选择的准则归纳如下：

[0080] 1，只选择“好码”对应的标签。

[0081] 2，选中标签的角度差应该尽量大，即最大化最小角度差：

[0082] arg max(min{|ωti-ωtj|})，或者引入一门限，选取标签空间特征差别大于设定门限的标签。

[0083] 3，选择的标签数目上限是阅读器天线数目Nr

[0084] 准则1保证了被选的标签的方向估计是正确的，该标签可以从空域被分离开来。显然，如果多个标签使用同一个码，从不同角度入射，阅读器却据此只估计出一个入射方向，那么方向估计不可能正确。

[0085] 准则2保证了被选中标签的空间特征差别尽量大，这有利于后面的用空间特征来分离多标签数据。

[0086] 准则3保证了被选择的标签都能被读取，事实上它保证了标签数据的信号空间维度不超过阅读器的处理能力范围。

[0087] 首先满足准则1以便剔除“坏码”，然后再按照准则2、3选取。

[0088] 3、斜投影分离多个标签的数据载荷

[0089] ·斜投影的简单说明

[0090] 1，比如有2个标签入射，我们接收到的是它们的合成信号“tag1+tag2”，并且已经知道了它们各自的角度，那么可以做“类似三角分解”一样的操作，即斜投影，得到tag1和tag2。

[0091] 如图7所示：

[0092] 2，所谓“类似三角分解”，就是矩阵操作的“斜投影”

[0093] 3，EA|B是投影矩阵；EA|B×Y是把Y沿着矩阵B的向量空间，向矩阵A的向量空间的投影；投影结果一定是在A空间，在B空间分量是0.

[0094] ·详细说明

[0095] 利用预约码获得方向估计以后，来考虑分离多个标签的数据。在阅读器发回ACK信号以后，被允许发射数据的标签发送它们各自的数据，假设有T个标签被允许发送数据，那么阅读器的接收信号是

[0096] R＝AHDH+N (11)[0097] 这里D是对角阵，对角元素是dt，即第t个标签的有效载荷数据。已经估计出了所有这T个标签的方向信息，可以构造

[0098]

[0099] 其中 对于第t个标签，我们把它的方向

[0100] 矢量 从整个方向矩阵 中删除，得到除了第t个标签以外，所有其它标签的方向矢量组成的矩阵 为

[0101]

[0102] 然后得出沿着 空间向 空间投影的斜投影算子

[0103]

[0104] P是矩阵， 是正交投影矩阵算子；E是矩阵， 是斜投影矩阵算子；I是单位矩阵该算子能够把一个信号沿着 向 投影，其物理意义是，投影后的信号完全存在于 空间中，而在 空间中分量为0。我们用算子 对接收信号R做投影，就可以获得第t个标签的信号，而去除了第t个标签以外的其它所有标签的信号，即

[0105]

[0106] 就是属于第t个标签的接收信号矩阵，而 是投影后的噪声。利用 把矩阵Zt合并为数据向量

[0107]

[0108] 这里矢量 至此，我们利用空间信息完成了多标签信号分离， 就是分离后的、单属于标签t的、受到乘性信道和加性噪声污染的数据。接下来用信道估计 均衡 就H可以得到第t个标签的数据载荷dt。最简单的均衡办法是迫零均衡

[0109]

[0110] 如图8所示，描述了该方案的框架，即利用预约码的正交性分离码，然后用码做方向估计；用估计出的方向构造斜投影算子，并把接收信号投影分配到每个标签的方向上，以获取分离后的信号；最后，做信道估计，并均衡分离后的信号，得出每个标签的载荷数据。图中没有画出标签选择等细节。

[0111] 读取效率的理论分析

[0112] 假设总共需要读取的标签个数是U，而时隙总数目是S，那么平均每个时隙内出现的标签个数是G＝U/S，也就是业务量。定义预约效率为一个时隙内，出现的“好码”的个数，即仅仅被一个标签使用的码的个数，记做Ns，则

[0113]

[0114] 记读取效率为Ef，定义为一个时隙平均成功读取的标签个数。当成功预约的标签数目Ns超过天线数目Nr的时候，阅读器只能让Nr个标签发送数据，所以效率上限就是Nr，因此我们得到效率Ef的表达式为

[0115]

[0116] 这个结果的前提假设是在标签选择的时候，所有的“坏码”都被检测出来了，且“好码”没有被误判作“坏码”，即(19)式是一个理论效率，如图9所示。可见当Nr＞Ns的时候读取效率由业务量G和码长W共同决定；当Nr＜Ns的时候，读取效率不能超过Nr。

[0117] 仿真结果

[0118] 4.1标签方向估计结果

[0119] 定义角度估计误差为：

[0120] 随着码长和天线数目的增加，误差降低。见图9和图10

[0121] 4.2误帧率和误比特率

[0122] 无纠错编码的误帧率和误比特率如图11所示。固定码长W＝16，天线数目Nr＝5，被选中标签数目的上限分别设置为Tmax＝2，3，4，信噪比为0～20dB，采用BPSK调制方式，并用信道估计结果做均衡，得出符号判决，给出无纠错编码的误帧率仿真结果；这里的误帧率就是标签的误读率，只要标签数据载荷的64比特中有一个比特错了，就认为该标签读取错误。从图可见，误帧率随着信噪比增加而减小，随着Tmax的减小而减小。并且注意到，天线数目应该一定程度上超过被选中标签数目，否则误帧率居高不下。