CN102946612A - 一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其相邻基站阅读器之间由定向天线将其覆盖区域在空间上分开，即相邻的基站阅读器同时读取不同载波频率的移动标签终端时，彼此之间由于频分接入使标签之间正交隔离，互不干扰。即使在间隔数个基站阅读器遇到其他相同载波频率的通信同频干扰时，由于在空间上隔离数个不同载波频率的通信信道，也会远远大于其射频防卫度。而对于同一载波频率的多个有源移动电子标签同时要同基站阅读器通信的情况，也会由定向天线在空间予以分隔，减低误码率，提高系统通信质量，大大减小多有源移动电子标签对基站阅读器的通信碰撞概率，提高整个物联网系统的鲁棒性。

Description

一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于蜂窝组网理论的RFID物联网组网方式，可作为物联网节点组网通信的核心基础算法，应用于复杂电磁环境下无线通信场合。

背景技术

基于物联网的仓储区域通常包括用于存储货物的多个房间，货物上带有移动电子标签，在每个房间内及走廊的指定路段设置一个基站阅读器。所有基站阅读器同时工作，所有移动电子标签中的某些移动电子标签使用相同的波道与所要进入房间的基站阅读器通讯，而某些移动电子标签使用邻近波道与所要进入房间的基站阅读器通讯。来自同波道和邻近波道的干扰，以及外部噪声的影响，可能使基站阅读器与移动电子标签之间的通信质量变坏，甚至无法正常工作。更进一步地说，移动电子标签所表现出来的动中通信与固定通信相比，对干扰限制则更为严格，对基站阅读器设备的抗干扰性能要求更高。

为了克服这些干扰，物联网系统通常采用复杂的防碰撞算法，但是，仍然存在物联网通信系统频谱匮乏、容量小、通信质量不高及频谱利用率低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提供频谱利用率及通信质量的用于物联网系统的组网布局及通信方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、在仓储区域的每个房间的入口处或必经路段放置一个基站阅读器，每个基站阅读器对应于一个房间，所有基站阅读器与位于远端的阅读器基站互联，在货物上安装有源移动电子标签，每个基站阅读器包括一个收发机和定向天线，每个基站阅读器通过定向天线形成定向的覆盖区域；

步骤2、为在空间上相邻的两个房间所对应的两个基站阅读器分配不同的基站阅读器通信信道组，每个基站阅读器通信信道组包括N个通信信道，N≥2，在空间上相间隔的两个房间所对应的两个基站阅读器复用相同的基站阅读器通信信道组，在每个有源移动电子标签内存储有与基站阅读器通信信道组一一对应的电子标签通信信道组；

步骤3、每个基站阅读器在其分配到的基站阅读器通信信道组中选择一个通信信道主动向其覆盖区域发射唤醒信号，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答，唤醒信号中包含当前基站阅读器分配到的基站阅读器通信信道组中空闲通信信道信息，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答；

步骤4、有源移动电子标签在进入到第i个基站阅读器的覆盖区域后，被唤醒信号激活，根据唤醒信号所处的通信信道在所有电子标签通信信道组中选中一个与该通信信道所对应的电子标签通信信道组，再根据唤醒信号中包含的空闲通信信道信息在选中的电子标签通信信道组中任意选择一个空闲的通信信道j向基站阅读器发射应答信号，应答信号包含电子标签ID及相关属性信息；

步骤5、基站阅读器在发送完唤醒信号后，以单节点调频的形式在其分配到的基站阅读器通信信道组的每个通信信道上搜索是否有位于其覆盖区域内的应答信号，第i个基站阅读器若搜索到位于通信信道j上的应答信号，则进入步骤6；

步骤6、第i个基站阅读器对应答信号包含的电子标签ID进行分析，判断该电子标签ID是否在第i个基站阅读器事先设置的动态用户信息寄存器中，若是，则将该条应答信号舍弃，若否，则在动态用户信息寄存器中更新该电子标签ID，并存储与该电子标签ID所对应的相关属性信息，同时，将该电子标签ID及其对应的相关属性信息上传至阅读器基站。

优选地，在所述步骤2中，为所有基站阅读器分配不同的阅读器ID；在所示步骤3中，所述唤醒信号还包含当前基站阅读器自身的阅读器ID；在所述步骤4中，有源移动电子标签被唤醒信号激活后，将当前唤醒信号中所包含的阅读器ID与存储在有源移动电子标签寄存器中的上一次被唤醒信号激活时所对应的基站阅读器的阅读器ID相比较，若相同，则有源移动电子标签不进行任何动作，重新进入休眠状态，等待下次被唤醒，否则，更新有源移动电子标签寄存器后继续进行下面步骤。

优选地，所述有源移动电子标签每间隔T秒处于接收信号状态，等待被唤醒信号激活，在其他时间内处于休眠状态。

在本发明中，相邻基站阅读器之间由定向天线将其覆盖区域在空间上分开，即相邻的基站阅读器同时读取不同载波频率的移动标签终端时，彼此之间由于频分接入使标签之间正交隔离，互不干扰。即使在间隔数个基站阅读器遇到其他相同载波频率的通信同频干扰时，由于在空间上隔离数个不同载波频率的通信信道，也会远远大于其射频防卫度，不会对正在通信的有源移动电子标签和基站阅读器产生同频干扰危害。而对于同一载波频率的多个有源移动电子标签同时要同基站阅读器通信的情况，也会由定向天线在空间予以分隔，况且处于同一载波频率的移动标签组内部又分配以不同的地址码再次加强其隔离度，减低误码率，提高系统通信质量，大大减小多有源移动电子标签对基站阅读器的通信碰撞概率，提高整个物联网系统的鲁棒性。

本发明提供的方法在占用极少频率资源的基础上，实现了空间的极大覆盖率，而且通信信号质量高、误码率低、通信协议简单可靠。同时它在保留了频分多路法多载波调制时信道间高隔离度、定向天线的高定向辐射特性的基础上有效地集成了空分多址、时分多址简单易实施的特性。整个系统的鲁棒性高，结构简单，易于根据不同的应用环境灵活设计和组网，成本低，同时通过简单的端口配置可以与移动网、互联网实施通信。

本发明提供的基于蜂窝理论构成的RFID物联网通信系统组网方法具有以下优点：

1、定向覆盖小区制：

放弃基站阅读器大范围覆盖，放弃点对点和广播覆盖模式，放弃连跳模式，将整个物联网网络覆盖划分成许多以定向的几何图形的覆盖区域。单一基站阅读器节点采用较低收发功率服务于一个定向覆盖小区，在较小的区域内设置一定数量的有源移动标签终端用户。但单一小区标签数量增大到一定程度而使准用频道数不够用时，采用小区分裂将原小区分裂为更小覆盖范围的小区，低功率发射和大容量覆盖之优势十分明显。

2、频率复用：

物联网系统的阅读器工作频率隔一定的时隙处于扫频一次，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个读卡器可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用。例如，标签数量超过1000甚至2000的大量有源移动电子标签同基站阅读器之间通信，若每个有源移动电子标签都有自己的频道频率，则需要极大的频谱资源，且在基站阅读器与有源移动电子标签通信时也许还可能饱和。频率复用大大地缓解了频率资源匮乏紧缺的矛盾，大大地增加了系统容量。在RFID系统组网通信中，频率复用能够从有限的原始频率分配中产生几乎无限的可用频率，这是实现无限系统容量的极好方法。支持频率复用的事实是，干扰影响并不是与基站阅读器之间绝对距离有关，而是与基站阅读器之间距离与基站阅读器覆盖范围半径比值有关。

3、多波道共用技术：

若干基站阅读器和大量主动式移动标签终端组成的物联网感知系统，为更多的用户共同使用而仍能满足通信质量。大量标签以组为单位，重复共用若干信道。多波道共用技术利用波导占用的间断性，使许多标签用户可以任意地、合理地选择波导，提高波道利用率。

4、转移整个系统的用电负载：

有源移动电子标签采用电池供电，而基站阅读器采用市电经过AC/DC直接供给。标签终端绝大部分时间处于休眠省电状态，将扫频、跳频、向上位机传递信息等耗电功能转移到基站阅读器，大大减轻标签电池用电负载，使得整个系统能够长时间稳定可靠运行。

附图说明

图1为本发明中的系统框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1，本发明提供了一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其步骤为：

步骤1、在仓储区域的每个房间的入口处或必经路段放置一个基站阅读器，每个基站阅读器对应于一个房间，所有基站阅读器与位于远端的阅读器基站互联，在货物上安装有源移动电子标签，每个基站阅读器不需要控制器，包括一个收发机和定向天线，每个基站阅读器通过定向天线形成定向的覆盖区域，基站阅读器定向天线的传输方向水平角度为180度、垂直角度为38度，而对天线的增益并无太多要求，以垂直方式分布在每一个房间的进门入口处或有源移动电子标签必经之地，用以完成基站阅读器激活处于省电休眠状态的移动标签终端，进而完成一次完整的简单的对话握手通信，获取相应的价值信息；

步骤2、为所有基站阅读器分配不同的阅读器ID，为在空间上相邻的两个房间所对应的两个基站阅读器分配不同的基站阅读器通信信道组，每个基站阅读器通信信道组包括N个通信信道，N≥2，在空间上相间隔的两个房间所对应的两个基站阅读器复用相同的基站阅读器通信信道组，在每个有源移动电子标签内存储有与基站阅读器通信信道组一一对应的电子标签通信信道组；

步骤3、每个基站阅读器在其分配到的基站阅读器通信信道组中选择一个通信信道主动向其覆盖区域发射唤醒信号，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答，唤醒信号中包含当前基站阅读器分配到的基站阅读器通信信道组中空闲通信信道信息及当前基站阅读器自身的阅读器ID，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答；

步骤4、有源移动电子标签每间隔T秒处于接收信号状态，等待被唤醒信号激活，在其他时间内处于休眠状态，当处于处于接收信号状态的有源移动电子标签在进入到第i个基站阅读器的覆盖区域后，被唤醒信号激活，将当前唤醒信号中所包含的阅读器ID与存储在有源移动电子标签寄存器中的上一次被唤醒信号激活时所对应的基站阅读器的阅读器ID相比较，若相同，则有源移动电子标签不进行任何动作，重新进入休眠状态，等待下次被唤醒，否则，更新有源移动电子标签寄存器后根据唤醒信号所处的通信信道在所有电子标签通信信道组中选中一个与该通信信道所对应的电子标签通信信道组，再根据唤醒信号中包含的空闲通信信道信息在选中的电子标签通信信道组中任意选择一个空闲的通信信道j向基站阅读器发射应答信号，应答信号包含电子标签ID及相关属性信息；

步骤5、基站阅读器在发送完唤醒信号后，以单节点调频的形式在其分配到的基站阅读器通信信道组的每个通信信道上搜索是否有位于其覆盖区域内的应答信号，第i个基站阅读器若搜索到位于通信信道j上的应答信号，则进入步骤6；

步骤6、第i个基站阅读器对应答信号包含的电子标签ID进行分析，判断该电子标签ID是否在第i个基站阅读器事先设置的动态用户信息寄存器中，若是，则将该条应答信号舍弃，若否，则在动态用户信息寄存器中更新该电子标签ID，并存储与该电子标签ID所对应的相关属性信息，同时，将该电子标签ID及其对应的相关属性信息上传至阅读器基站。

以下以只有三个房间，即房间A、房间B及房间C的仓储区域为简化实例来进一步说明本发明，房间A、房间B及房间C相互紧靠排成一排：

步骤1、在房间A、房间B及房间C的分别布置基站阅读器A、基站阅读器B及基站阅读器C，基站阅读器A、基站阅读器B及基站阅读器C均与位于远端的阅读器基站互联，为基站阅读器A、基站阅读器B及基站阅读器C分配不同的阅读器ID，分别为阅读器ID-1、阅读器ID-2及阅读器ID-3；

步骤2、为基站阅读器A与基站阅读器B及基站阅读器B与基站阅读器C分配不同的基站阅读器通信信道组，基站阅读器A与基站阅读器C共用相同的基站阅读器通信信道组，则基站阅读器A与基站阅读器C分配到基站阅读器通信信道组A，基站阅读器B分配到基站阅读器通信信道组B，基站阅读器通信信道组A由信道f0及信道f1组成，基站阅读器通信信道组B则由信道f2及信道f3组成，则在每个有源移动电子标签内存储有两组电子标签通信信道组数据，分别为电子标签通信信道组A及电子标签通信信道组B，其中，电子标签通信信道组A由信道f0及信道f1组成，而电子标签通信信道组B则由信道f2及信道f3组成；

步骤3、基站阅读器A及基站阅读器C在基站阅读器通信信道组A中选择信道f0主动向其覆盖区域发射唤醒信号，而基站阅读器B则在基站阅读器通信信道组B中选择信道f2主动向其覆盖区域发射唤醒信号。基站阅读器A发射的唤醒信号中包含有阅读器ID-1及信道f1空闲信息；基站阅读器B发射的唤醒信号中包含有阅读器ID-2及信道f3空闲信息；基站阅读器A发射的唤醒信号中包含有阅读器ID-3及信道f1空闲信息；

步骤4、有源移动电子标签每间隔T秒处于接收信号状态，等待被唤醒信号激活，在其他时间内处于休眠状态。当处于接收信号状态的有源移动电子标签离开房间B进入房间A时，被基站阅读器A发射的唤醒信号激活，将当前唤醒信号中所包含的阅读器ID(此时的数值为阅读器ID-1)与存储在有源移动电子标签寄存器中的上一次被唤醒信号激活时所对应的基站阅读器的阅读器ID(此时的数值为阅读器ID-2)相比较，发现不相同，则将有源移动电子标签寄存器中的数据更新为阅读器ID-1。由于唤醒信号处于信道f0，则选中电子标签通信信道组A，又由于唤醒信号中包含信道f1空闲信息，因此，在电子标签通信信道组A中选择信道f1向基站阅读器发射应答信号，应答信号包含电子标签ID及相关属性信息；

步骤5、基站阅读器A、基站阅读器B及基站阅读器C在发送完唤醒信号后，以单节点调频的形式在分别在基站阅读器通信信道组A、基站阅读器通信信道组B及基站阅读器通信信道组A的每个通信信道上搜索是否有位于其覆盖区域内的应答信号，此时，基站阅读器A会搜索到位于信道f1上的应答信号，由于有源移动电子标签与基站阅读器C在空间上间隔距离较远，因此，源移动电子标签发射的应答信号没有足够的场强让基站阅读器C搜索到，即使基站阅读器C能够搜索到位于信道f1上的应答信号，但是，该应答信号的场强强度不够，完全可以忽略；

步骤6、由基站阅读器A对应答信号包含的电子标签ID进行分析，判断该电子标签ID是否在基站阅读器A事先设置的动态用户信息寄存器中，若是，则将该条应答信号舍弃，若否，则在动态用户信息寄存器中更新该电子标签ID，并存储与该电子标签ID所对应的相关属性信息，同时，将该电子标签ID及其对应的相关属性信息上传至阅读器基站。

Claims (3)

1.一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、在仓储区域的每个房间的入口处或必经路段放置一个基站阅读器，每个基站阅读器对应于一个房间，所有基站阅读器与位于远端的阅读器基站互联，在货物上安装有源移动电子标签，每个基站阅读器包括一个收发机和定向天线，每个基站阅读器通过定向天线形成定向的覆盖区域；

步骤2、为在空间上相邻的两个房间所对应的两个基站阅读器分配不同的基站阅读器通信信道组，每个基站阅读器通信信道组包括N个通信信道，N≥2，在空间上相间隔的两个房间所对应的两个基站阅读器复用相同的基站阅读器通信信道组，在每个有源移动电子标签内存储有与基站阅读器通信信道组一一对应的电子标签通信信道组；

步骤3、每个基站阅读器在其分配到的基站阅读器通信信道组中选择一个通信信道主动向其覆盖区域发射唤醒信号，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答，唤醒信号中包含当前基站阅读器分配到的基站阅读器通信信道组中空闲通信信道信息，以等待进入到覆盖区域内的有源移动电子标签应答；

步骤4、有源移动电子标签在进入到第i个基站阅读器的覆盖区域后，被唤醒信号激活，根据唤醒信号所处的通信信道在所有电子标签通信信道组中选中一个与该通信信道所对应的电子标签通信信道组，再根据唤醒信号中包含的空闲通信信道信息在选中的电子标签通信信道组中任意选择一个空闲的通信信道j向基站阅读器发射应答信号，应答信号包含电子标签ID及相关属性信息；

步骤5、基站阅读器在发送完唤醒信号后，以单节点调频的形式在其分配到的基站阅读器通信信道组的每个通信信道上搜索是否有位于其覆盖区域内的应答信号，第i个基站阅读器若搜索到位于通信信道j上的应答信号，则进入步骤6；

步骤6、第i个基站阅读器对应答信号包含的电子标签ID进行分析，判断该电子标签ID是否在第i个基站阅读器事先设置的动态用户信息寄存器中，若是，则将该条应答信号舍弃，若否，则在动态用户信息寄存器中更新该电子标签ID，并存储与该电子标签ID所对应的相关属性信息，同时，将该电子标签ID及其对应的相关属性信息上传至阅读器基站。

2.如权利要求1所述的一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其特征在于，在所述步骤2中，为所有基站阅读器分配不同的阅读器ID；在所示步骤3中，所述唤醒信号还包含当前基站阅读器自身的阅读器ID；在所述步骤4中，有源移动电子标签被唤醒信号激活后，将当前唤醒信号中所包含的阅读器ID与存储在有源移动电子标签寄存器中的上一次被唤醒信号激活时所对应的基站阅读器的阅读器ID相比较，若相同，则有源移动电子标签不进行任何动作，重新进入休眠状态，等待下次被唤醒，否则，更新有源移动电子标签寄存器后继续进行下面步骤。

3.如权利要求1所述的一种用于区域位置服务的物联网组网布局及通信方法，其特征在于，所述有源移动电子标签每间隔T秒处于接收信号状态，等待被唤醒信号激活，在其他时间内处于休眠状态。

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