大规模射频标签识别、检测与估计技术研究

发布时间：2018-05-22 15:25

本文选题：射频识别 + 多哈希　；参考：《大连理工大学》2016年博士论文

【摘要】：随着第四次工业革命开始,人们越来越意识到将传统工业生产与新兴信息技术进行深度融合的必要性。而RFID(射频识别)技术在未来智能化生产中必将取代传统的条形码技术成为最主要的自动识别技术之一。然而,在推广RFID技术的进程中,我们仍然面临着诸多亟待解决的关键科学问题和技术挑战。本论文主要关注大规RFID系统中信号冲突严重、有源标签能量受限、隐私安全难以保障这三类挑战。在总结现有方法和研究成果的基础上,围绕异常标签识别、异常标签检测、标签数量估计这三类重要的标签信息收集问题开展研究工作,具体的研究内容和创新点总结如下。标签识别在RFID领域是最早得到学术界和工业界关注的一类问题,但如何从大量正常标签中识别少量异常标签仍然没有得到很好的解决,现有协议性能仍有巨大提升空间。因此在第一部分研究内容中,本论文针对异常标签识别,具体研究了丢失标签识别和未知标签识别两类子问题。针对丢失标签识别问题,我们发现时隙帧利用率低下是现有协议的主要性能瓶颈。为此,本文提出了基于多哈希的丢失标签识别协议。阅读器通过迭代发送轻量级比特位图指导标签进行多次哈希运算,提高时隙帧中单一时隙的比例。虽然多次哈希能够提高时隙利用率,但执行多哈希是需要代价的,过多轮的哈希反而会降低总体时间效率。为此,本文还通过大量的理论分析研究了哈希次数对协议性能的影响,找到了哈希代价与时隙利用率之间的最佳权衡。试验结果表明,本文提出的多哈希丢失标签识别协议比目前最优协议在时间效率方面有显著提高。针对未知标签识别问题,本文发现现有协议均将未知标签标记过程与识别过程分别考虑,两个阶段的操作是脱节的,标记阶段的信息没有被充分利用,因此时间效率仍有很大的提升空间。为此,本文提出新型异或布隆过滤器的数据结构,不仅可以用来标记未知标签,还可大幅降低未知标签ID识别过程中的信号冲突。试验结果表明本文提出的基于异或布隆过滤器的未知标签识别协议能够满足既定的识别精度,且总体时间效率有所提高。在第一部分研究内容中,本文研究了异常标签识别问题,即找出具体的异常标签ID。然而,在实际应用中,盲目地执行重量级的异常标签识别可能会出现空转现象,浪费了很多时间和能量代价却没有识别到任何异常标签。一个合理的方案是先调用轻量级的异常标签检测协议,当发现确实系统中存在异常标签,才去调用重量级的异常标签识别协议。因此,轻量级的异常标签检测也是具有重要研究意义的,被作为本文的第二部分研究内容。在异常标签检测方面,本文主要研究了未知标签检测问题。现有相关协议基于传统布隆过滤器数据结构验证未知标签。为了确保错误检测概率低于一定阈值,布隆过滤器的长度必须与标签数量成正比,因此在大规模RFID系统中现有协议的可扩展性较差。本文将采样思想与传统布隆过滤器数据结构相结合,提出采样布隆过滤器,在此基础上提出兼顾时间效率和有源标签能量消耗的高精度未知标签检测协议。实验结果表明,本文提出的基于采样布隆过滤器的未知标签检测协议在相同的检测精度前提下,在时间效率和能量效率方面比现有协议有大幅提高。在库存管理应用场景中,管理员只需要知道剩余标签的数量即可判断是否需要补充货物。这时,没有必要识别具体的标签ID,只需要知道标签数量的近似值即可。在标签数量估计方面,本文分别研究了阻塞标签环境下的标签数量估计问题和多类别RFID系统中的Top-k查询问题。针对阻塞标签环境下的标签数量估计问题,本文首次给出了该问题的形式化定义,而且通过大量的试验结果发现传统标签数量估计协议均不能排除阻塞标签对估计过程的干扰,因此现有协议无一例外均返回错误的估计值。本文依据时隙状态变换,通过统计学的方法,提出了精度可保的真实标签数量估计协议。大量的理论分析保证该协议能够满足需要的估计精度。实验结果表明,本文提出的协议比现有标签识别协议在时间效率方面有大幅提高。针对多类别RFID系统中的TOP-k查询问题,本文首先提出了基本查询协议,同类别的标签在同一个时隙中向阅读器发送特殊格式的字符串。阅读器根据时隙中的叠加信号来估计对应类别标签的数量,并动态剔除那些肯定不属于Top-k集合的标签类别。本文还提出了大量的理论分析保证Top-k查询准确度。然后,本文又提出基于分段完美哈希的补充协议,在标签类别和时隙之间分段建立双射关系,从而提高时隙帧的利用率。本文还研究了哈希时时隙帧分段大小对通信代价和计算代价的影响,在两种代价之间寻求最佳平衡。试验结果表明本文提出的Top-k查询协议比现有协议提高了查询速度。
[Abstract]:In order to solve the problem of RFID technology , this paper mainly focuses on the identification of abnormal tags , the limited energy of active tags and the difficulty to guarantee the security of the new information technology . An unknown label detection protocol based on sampling Bloom filter is proposed in this paper , which is greatly improved in terms of time efficiency and energy efficiency under the condition of the same detection accuracy . In the case of inventory management application , it is necessary to know whether the number of tags is needed to replenish goods . In this paper , it is necessary to know the approximate value of the number of tags .
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.44

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