專利名稱：一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻標(biāo)簽的讀取方法，尤其涉及一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法。
背景技術(shù)：
RFID(Radio-Frequencyldentification RFID)是近年來發(fā)展迅速的非接觸式自動識別技 術(shù)，該技術(shù)以無線進(jìn)行雙向非接觸數(shù)據(jù)通信對目標(biāo)加以識別，類似商店買貨物的條形碼， 與條形碼相比具有識別迅速，方法靈活，適應(yīng)場合廣，智能化程度高等優(yōu)點，將給零售、 物流、醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。
隨著網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點很多并且具體數(shù)目未知的網(wǎng)絡(luò)，比如射頻標(biāo) 簽識別(RFID, Radio Frequency Identification)系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN， Wireless Sensor Networks)，其標(biāo)簽數(shù)目或節(jié)點數(shù)目可以在幾十至幾千個，由此導(dǎo)致媒體接入控制(MAC, Medium Access Control)的碰撞非常嚴(yán)重。所謂碰撞(閱讀碰撞)是指如果多個標(biāo)簽同時把 自己的數(shù)據(jù)反饋給閱讀器，那么這幾個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)碰撞，閱讀器無法正確閱讀任何一個標(biāo) 簽。這種現(xiàn)象的后果是，讀取失敗，浪費了讀取時間，降低了讀取效率。
時隙ALOHA是一種簡單有效的防碰撞協(xié)議，已經(jīng)廣泛應(yīng)用；它把時間軸分為多個時 隙，每個標(biāo)簽隨機(jī)選擇一個時隙發(fā)射自己的信號；其效率在時隙數(shù)目等于節(jié)點數(shù)目的時候 達(dá)到最大值0.37，即一個時隙只能讀取0.37個標(biāo)簽。該方法己經(jīng)用于RFID。
現(xiàn)有的一個時隙讀取多個標(biāo)簽的方法有頻分和碼分兩種方式。頻分的方式，各個標(biāo)簽 在不同的頻段發(fā)射信號；碼分的方式，采用了擴(kuò)頻；這兩種方法的共同缺點是增加了系統(tǒng) 帶寬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法，即采用 陣列天線(就是多個天線協(xié)作)，估計出每個標(biāo)簽的入射角度信息；把接收的混合信號在 每個標(biāo)簽方向上做斜投影，以獲取每個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法，包括以下步驟
1)閱讀器用陣列天線讀取多個標(biāo)簽數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到信號矩陣Y的有效秩估計標(biāo)簽數(shù)目；
2) 估計每個標(biāo)簽的方向^;
3) 用標(biāo)簽方向做斜投影以分離多標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具體做法是-
A、 根據(jù)所述步驟(2)得到的標(biāo)簽方向矢量^建立角度矩陣人；
B、 根據(jù)矩陣A計算第t個標(biāo)簽的斜投影算子E .;
C、 用斜投影算子E .對接收信號做投影，獲得第？個標(biāo)簽數(shù)據(jù)。 所述步驟l)根據(jù)接收到的混合信號矩陣的有效秩估計標(biāo)簽數(shù)目，具體做法是-
(1) 有r個標(biāo)簽入射，閱讀器用乂個天線組成的天線陣列接收到信號矩陣為Y，其相關(guān)矩
(2) 將其做特征值分解得到R-U2:iJH
這里2^^g(A,……4,)是(x^的對角矩陣，U-[u,…… ']是特征向量組成的
特征矩陣；
(3) 設(shè)定一個經(jīng)驗門限《，滿足A〉《的特征值個數(shù)即為標(biāo)簽數(shù)目。 所述步驟2)采用MUSIC算法估計標(biāo)簽方向，具體做法是
(1)接收信號相關(guān)矩陣做特征值分解得到
R = UEU" = [S G]
、 一、r
—G
S由Si對應(yīng)的特征向量構(gòu)成，G由I^對應(yīng)的特征向量構(gòu)成；^和s對應(yīng)信號子空間，2:2和
G對應(yīng)噪聲子空間；
((2)第f個標(biāo)簽的入射方向如果是《，天線間距離是"，那么相鄰天線之間的接收
到的第/個標(biāo)簽的信號相角差是q弧度，系統(tǒng)載波波長是A，這四個參數(shù)之間滿足
2;rd cos(《)
從0 冗遍歷的給q取值，用每一個《,值構(gòu)造厶「=[1 e^' e一']，得出一個w,值
使lAfGl最小，估計出第f個標(biāo)簽的方向^， ^是q的估計值；這里lAfGl是AfG的范 數(shù)，且A-[A…a^是閱讀器的陣列天線產(chǎn)生的陣列乘法矩陣因子，天線陣列方向矢量 a, =「1 eM …e風(fēng)叫T"^l，2,…,r。
5所述噪聲子空間G求法為設(shè)置兩個門限，標(biāo)簽數(shù)目估計門限^， MUSIC估計方向門 限&，且《>《，特征值小于《則其對應(yīng)的特征向量位于噪聲子空間G。 如果特征值大于6而小于《，則特征值對應(yīng)的特征向量廢棄不用。 所述步驟2)釆用ESPRIT算法來估計標(biāo)簽的方向。
所述步驟A具體做法為根據(jù)估計出的標(biāo)簽方向^，得到角度信息e^'，構(gòu)造角度矩
陣入=[5, ...... sr]，這里5, =[1 e威...ew>']r。
所述步驟b具體做法為
I 、對于第r個標(biāo)簽的5,，把5,刪除得到構(gòu)造的I,[5, ... I ... q;
II、得出正交投影矩陣g =1_叉,(^,)—'I"
m、用p^得出從x,到5,的斜投影算子是e _-"^p-isr^p-丄。
所述步驟C是用斜投影算子E .把接收信號矩陣Y從i,向每個標(biāo)簽方向投影，得到第z個
標(biāo)簽數(shù)據(jù)q^E -R。
一，
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是用陣列天線的空間特征，從空間域解決了標(biāo) 簽碰撞問題，達(dá)到了在一個時隙讀取多個標(biāo)簽的目的，提高了讀取效率。


圖l本發(fā)明的流程圖
圖2效率分析示意圖
圖3角度估計誤差率示意圖
圖4誤幀率示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合本發(fā)明的流程圖即圖1作進(jìn)一步詳細(xì)描述 1、天線陣列描述
舉一個具體例子來說明，假設(shè)有7=2個標(biāo)簽在給閱讀器發(fā)射數(shù)據(jù)，他們的入射方向不同，
閱讀器有4個天線，數(shù)據(jù)長度為w^6，那么閱讀器的接收信號矩陣是
6<formula>formula see original document page 7</formula>
式中Y是閱讀器接收到的4X6的信號矩陣；矩陣A-[a,
生的陣列乘法矩陣因子，天線陣列方向矢量<formula>formula see original document page 7</formula>h是2
X2的信道矩陣；x是2個標(biāo)簽數(shù)據(jù)組成的矩陣，由于數(shù)據(jù)長度為^=6,所以x"是2X6的 矩陣；N是4X6的閱讀器接收端的加性白噪聲矩陣。
2、 有效秩(奇異值)確定標(biāo)簽數(shù)目 接收信號矩陣的有效秩，就是標(biāo)簽數(shù)目，具體操作如下 接收信號的相關(guān)矩陣R是
R = YYff
將其做特征值分解得到 R = UEUH
這里5:-ctog(A……^ )是W,x乂的對角矩陣，U = [u,
特征矩陣。設(shè)定一個經(jīng)驗門限，超過該門限的特征值個數(shù)就是標(biāo)簽數(shù)目，即滿足;^《的 特征值個數(shù)。
3、 MUSIC算法估計角度 接收信號矩陣是Y，相關(guān)矩陣R-YY"
(2)
是特征向量組成的
將其做特征值分解得到R<formula>formula see original document page 7</formula>這里矩陣分塊為R-[S G]， S由A對應(yīng)的特征向量構(gòu)成，G由I^對應(yīng)的特征向量構(gòu)成； g和S對應(yīng)信號子空間，^和G對應(yīng)噪聲子空間；利用噪聲子空間G可以估計標(biāo)簽方向, 具體的說
第f個標(biāo)簽的入射方向如果是《，天線間距離是"，那么相鄰天線之間的接收到的第/個標(biāo) 簽的信號相角差是W,弧度，系統(tǒng)載波波長是A，這四個參數(shù)之間滿足<formula>formula see original document page 7</formula>從0 ;r遍歷的給w,取值，用每一個q值構(gòu)造A「
1 e"叫e""' l，然后找出一個q值使得lAfGll最小，這樣就可以估計第f個標(biāo)簽的方向A， ^是q的估計值；這里lAfGl
是AfG的范數(shù)或者看作是AfG的能量。以上是基本MUSIC算法，很多文獻(xiàn)都有說明，其 中一個文獻(xiàn)是"張賢達(dá)，《矩陣分析與應(yīng)用》，清華大學(xué)出版社，2004,頁碼657-672"。 還可以采用ESPRIT算法來估計標(biāo)簽的方向。 把而SIC算法稍作修改，用來估計標(biāo)簽角度 具體做法是
設(shè)置兩個經(jīng)驗門限， 一個是標(biāo)簽數(shù)目估計門限《， 一個是MUSIC估計方向要用的門限^;
且《>4;據(jù)此把特征值分為三類，；1>《的，義<《的，《<;1<《的，對應(yīng)的特征向量
也分為三組u、. ， u。， uu，這里下標(biāo)"s"代表信號(signal) ， "n"代表噪聲(noise)， "u，，代表不確定(uncerntain)
估計用戶數(shù)目，如果一個特征值滿足;i〉《
就認(rèn)為該特征值對應(yīng)著一個標(biāo)簽；所有超過門限《的特征值的個數(shù)就是標(biāo)簽數(shù)目；對于門 限《確認(rèn)噪聲子空間如果一個特征值滿足/1 <《 就認(rèn)為它代表噪聲子空間G，對應(yīng)的特征向量u"位于噪聲子空間G。
如果特征值滿足《<;1<《
認(rèn)為是不確定的特征值，即無法可信的確定是信號還是噪聲，那么這樣的特征值對應(yīng)的特
征向量u^廢棄不用，以免帶來方向檢測錯誤。在圖sic檢測中之用那些滿足;i〈《的特征
比如特征值值是
0.2647 0.5310 0.7128 0.788;
noise subspace，噪聲子空間
1.1233 v 1.5687''5.9431 16.5237'
uncemtain, 不確定 singal subspace, 信號子空間
假設(shè)我們設(shè)定的經(jīng)驗門限是《=4，而《=1，這時候標(biāo)簽數(shù)目判定為2;應(yīng)該把最大2個 特征向量和第三、第四大特征值對應(yīng)的特征向量都不用，只用最小的后4個特征值對應(yīng)的 特征向量作為噪聲子空間，用作檢測。 4、斜投影分離多標(biāo)簽數(shù)據(jù)
比如有2個標(biāo)簽(tag)入射，閱讀器接收到的是它們的合成信號"標(biāo)簽l+標(biāo)簽2"。 現(xiàn)在己經(jīng)知道了它們各自的方向，那么可以做"類似三角分解" 一樣的操作，即斜投影，得到標(biāo)簽1和標(biāo)簽2。
在本實施例中，用前面所述方法得出w,的估計值^，首先根據(jù)估計的角度信息e^構(gòu)造角 度矩陣即A的估計A^S,……S,]，構(gòu)造^ = [^……5,]，這里 5, =[1 e成...e;7V3']r
對于第f個標(biāo)簽的s,,把s,刪除得到構(gòu)造的X,， ... i... ^;i;
然后得出正交投影算子P^ =i-X,(^X,)1f (4)
那么從l到s,的斜投影算子可以利用正交投影算子得出，是
",(a,Pp,)—'afP^ (5) 我們用E —把接收信號Y從X,向每個標(biāo)簽方向投影，就得到第？個標(biāo)簽的數(shù)據(jù) q,=E5《R (6) 5、讀取效率的分析
定義讀取效率為一個時隙能讀取的標(biāo)簽數(shù)目，那么其值為<formula>formula see original document page 9</formula>
這里^是接收天線個數(shù)，e是業(yè)務(wù)強(qiáng)度，即所有標(biāo)簽總數(shù)除以所有時隙數(shù)目，或者看作是 平均每個時隙內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)目和乂有關(guān)。這個結(jié)果見圖2。
6、仿真結(jié)果
定義角度估計誤差為
eM| (8)
隨著數(shù)據(jù)長度r和天線數(shù)目乂的增加，誤差降低。 隨著信噪比不同，假設(shè)只有兩個標(biāo)簽被讀取，且標(biāo)簽數(shù)據(jù)長度為64，
假設(shè)方向估計差6度即工算是方向估計錯誤，那么角度估計錯誤率如圖3所示
這里的誤幀率就是標(biāo)簽的誤讀率，只要標(biāo)簽數(shù)據(jù)載荷的64比特中有一個比特錯了，就認(rèn) 為該標(biāo)簽讀取錯誤。標(biāo)簽讀取的誤幀率如圖4所示。隨著信噪比的增加，誤幀率降低；隨 著天線數(shù)目增多，誤幀率也降低，說明增加天線數(shù)目可以提高讀取的正確性。
權(quán)利要求
1、一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法，包括以下步驟1)閱讀器用陣列天線讀取多個標(biāo)簽數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到信號矩陣Y的有效秩估計標(biāo)簽數(shù)目；2)估計每個標(biāo)簽的方向3)用標(biāo)簽方向做斜投影以分離多標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具體做法是A、根據(jù)所述步驟(2)得到的標(biāo)簽方向矢量建立角度矩陣B、根據(jù)矩陣計算第t個標(biāo)簽的斜投影算子C、用斜投影算子對接收信號做投影，獲得第t個標(biāo)簽數(shù)據(jù)。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述步驟l)根據(jù)接收到的信號矩陣的有效 秩估計標(biāo)簽數(shù)目的具體做法是(1) 有r個標(biāo)簽入射，閱讀器用W,個天線組成的天線陣列接收到信號矩陣為Y，其相 關(guān)矩陣R二YY (2) 將其做特征值分解得到R-xn:uH這里i:-力"g(;^……、;)是乂xw,的對角矩陣，u = [Ul…… ,]是特征向量組成的特征矩陣；(3) 設(shè)定一個經(jīng)驗門限《，滿足;1>《的特征值個數(shù)即為標(biāo)簽數(shù)目。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2)采用MUSIC算法估計標(biāo)簽方向，具體做法是(1)接收信號相關(guān)矩陣做特征值分解得到<formula>formula see original document page 2</formula>s由A對應(yīng)的特征向量構(gòu)成，g由s,對應(yīng)的特征向量構(gòu)成；^和s對應(yīng)信號子空間， ^和g對應(yīng)噪聲子空間；(2)第f個標(biāo)簽的入射方向如果是《，天線間距離是"，那么相鄰天線之間的接收到的第^個標(biāo)簽的信號相角差是q弧度，系統(tǒng)載波波長是;io，這四個參數(shù)之間滿足<formula>formula see original document page 2</formula>從0 ;r遍歷的給q取值，用每一個q值構(gòu)造A,-「1 一2"' e^"]，得出一個w,值使llAfGl最小，估計出第f個標(biāo)簽的方向A, ^是q的估計值；這里lA「Gl是A「G的 范數(shù)，iA = [ai ■ a^是閱讀器的陣列天線產(chǎn)生的陣列乘法矩陣因子，天線陣列方向矢量a, =[1 eM…e'Kffl']r,, = l,2,.",:r。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述噪聲子空間G求法為設(shè)置兩個門限， 標(biāo)簽數(shù)目估計門限《，MUSIC估計方向門限& ，且《> & ，特征值小于《則其對應(yīng)的特征 向量位于噪聲子空間G。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如果特征值大于《而小于《，則特征值對應(yīng)的特征向量廢棄不用。
6、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2)采用ESPRIT算法來估計標(biāo)簽 的方向。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述步驟A具體做法為根據(jù)估計出的標(biāo) 簽方向A ，得到角度信息 一'，構(gòu)造角度矩陣A-[^……W ，這里S, =[1 e成...
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述步驟B具體做法為-I 、對于第r個標(biāo)簽的a,,把5,刪除得到構(gòu)造的1 ... i, …II、 得出正交投影矩陣p"i-X,(Xf1,)—'Xf ;III、 用P(得出從X(到5,的斜投影算子是E ， =S"SfP-fO—'afP-十。
9、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟C是用斜投影算子e ^把接收信號矩陣Y從i,向每個標(biāo)簽方向投影，得到第 個標(biāo)簽數(shù)據(jù)q, =E. - R 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同時讀取多個射頻標(biāo)簽的方法，屬于無線通信領(lǐng)域，該方法包括以下步驟配有天線陣列的閱讀器根據(jù)接收到信號矩陣Y的有效秩估計標(biāo)簽數(shù)目；2)估計每個標(biāo)簽的方向ω_t；根據(jù)得到的標(biāo)簽方向矢量ω_t建立角度矩陣A；根據(jù)矩陣A計算第t個標(biāo)簽的斜投影算子Ea₁｜A₁；用斜投影算子Ea₁｜A₁對接收信號做投影，獲得第t個標(biāo)簽數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用陣列天線的空間特征，從空間域解決了標(biāo)簽碰撞問題，達(dá)到了在一個時隙讀取多個標(biāo)簽的目的，提高了讀取效率。
文檔編號G06K7/00GK101533456SQ20081010168
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者趙玉萍, 郭宏博 申請人:北京大學(xué)