一種礦井移動目標無線通信的防碰撞算法
【專利摘要】在煤礦井下移動目標定位系統中，設計可靠的、并發識別能力好的無線通信算法，可以有效減少定位系統的漏讀率，并通過對無線碰撞概率的控制，提高系統的可靠性，從而達到提高礦井移動目標定位系統性能，為煤礦生產提供安全保障的目標。本發明在此分析礦井定位系統的幾種無線通信技術及其對漏讀率影響的基礎上，發明設計了“多發篩漏”算法，并在多發篩漏法的基礎上，引入“時間片調度”算法，該算法在實現讀卡器和標簽雙向通信的基礎上，有效的降低了漏讀率，可謂一舉兩得。
【專利說明】一種礦井移動目標無線通信的防碰撞算法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無線通信【技術領域】，具體涉及到煤礦井下移動目標通信的防碰撞方法，即對井下人員定位系統的防碰撞方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國通信技術和計算機技術的發展，通過仿制以及自主研發等手段，陸續開發出基于無源射頻識別、有源射頻識別、Zigbee網絡等技術的井下定位系統。
[0003]在分析調查多家定位系統的井下無線通信技術后，發現有以下兩個方面是眾多定位系統的“通病”:
[0004](I)并發識別能力不強。所謂并發識別能力，即多個移動目標攜帶定位標簽出現在同一地點，讀卡器將其分辨出來的能力。由于無線信號碰撞，系統常常出現出現“漏讀”和“誤碼”現象。有些定位系統標簽并發漏讀率甚至在30%以上，遠不符合行業需求。
[0005](2)系統功能不完善，可靠性不高，不能實現完全人員識別區域定位，易出現“多卡”、
[0006]“漏卡”或“一卡同時多位置”等現象，地面控制中心接收到信息與實際情況有誤差。
[0007]選擇合適井下無線通信技術，設計合適的通信協議和防碰撞算法，可以在現有硬件條件的基礎上，發揮其最大性能，提高通信成功概率，減小漏讀率，優化無線通信網絡。
【發明內容】
[0008]本發明的技術解決問題是:克服以上技術的不足，設計了“多發篩漏”算法，并在此基礎上引入“時間片調度”算法，在較多標簽并發識別的時候，保證較低的漏讀率。
[0009]本發明的技術解決方案是:在多發篩漏法的基礎上設計標簽與讀卡器的握手通信，以及如何將時間片校正信息反饋給標簽，并且合理的分配標簽和讀卡器的工作量，以及充分考慮標簽節能的問題。
[0010]設計時間片調度法工作流程如下:
[0011](I)標簽采用定時發送的工作流程，標簽休眠秒后發送自己的卡號，發送完成后等待讀卡器回應。
[0012](2)讀卡器接收到標簽的無線數據，并將當前讀卡器時間片序號h、時隙是否忙碌及其它系統數據發送給標簽，為標簽提供時鐘參考。
[0013](3)標簽發送后等待一段時間，若接收到讀卡器的返回信號，提取其中讀卡器的時間片序號，根據hT = NUM%X計算出該標簽所屬的時間片序號，若卜與11相同，則休眠、時間后再次發送；若hT與h不同，則調整自己的休眠時間tw為t/，使標簽下一次發送時間位于自己所屬于的時間片中。
[0014](4)標簽發送后等待一段時間，若沒有收到讀卡器的返回信號，則休眠一段隨機時間(此休眠時間小于tw)后重新發送，直到達到最大的重試次數為止。[0015]關于時間片校正的設計是:讀卡器內部維護一張時間片表，隨時更新標簽占用時間片的狀態，當收到標簽后，如果標簽所屬的時間片空閑，讀卡器把當前時間片號碼發送給標簽；如果標簽所屬時間片忙碌，讀卡器將當前時間片序號和空閑的備用時間片序號發送給標簽。標簽收到讀卡器數據后，根據當前時間片序號，計算出自己本次休眠的時間。即讀卡器“查找”，標簽“調整”。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1示出了兩個標簽工作示意圖；
[0017]圖2示出了標簽碰撞示意圖；
[0018]圖3示出了時間片調度示意圖；
[0019]圖4示出了時間片分配示意圖。
【具體實施方式】
[0020]1.標簽碰撞模型分析
[0021]礦井移動目標定位系統基于有源RFID技術的退避算法，下面分析標簽碰撞現象。設標簽有效偵聽時間為發送時間為ts，休眠時間為tw。標簽每次發送數據后進入睡眠狀態，經歷tw時間后醒來再次發送數據，發完后再次進入睡眠狀態。所以，標簽的工作流程是一種周期性工作，設標簽進行一次偵聽、發送、休眠的過程為以工作周期，時長為T，那么有:
[0022]T = tL+ts+tff+ Δ t
[0023]其中Λ t為標簽從無線發送狀態轉換到休眠狀態所耗費的時間，即工作狀態轉換時間間隔。由于\、&及At均為毫秒級，tw為秒級，所以工作周期與休眠時間近似相等。
[0024]實際標簽的先聽后發的CSMA/CA判斷是一定強度的載波積累\時間段后，達到一定的能量值，若該值超過載波偵聽的判決門限，則認為信道忙碌。此過程與偵聽時間、載波信號強度、判決門限，環境噪聲、無線傳輸多徑效應等因素有關，為了建模、分析方便，這里對標簽的先聽后發的CSMA/CA判斷做如下簡化:對于標簽的有效偵聽時間沁標簽必須聽滿\長時間的載波，才會認為信道忙碌。即偵聽時間段內，若載波沒有完全占滿信道，則認為信道空閑。設有兩個標簽分別為C1和C2，它們的發送時間點處于不同相對位置時的工作狀態如圖1所示，橫坐標為時間，縱坐標標示出了標簽C1、C2的工作狀態。圖中灰色的橫條代表監聽，白色橫條代表發送，時長分別為\和ts，二者在一起組成一個完整的先聽后發過程。C21、C22、C23、C24表不C2標簽相對于C1標簽四個不同的發射時間。
[0025]當標簽C2處在C21情況，即標簽C2在h時刻開始偵聽信道，C1在h時刻開始偵聽信道，C1和C2兩個標簽占用信道的時間完全錯開，均偵聽到信道空閑，向讀卡器發送自己的ID號，讀卡器能正確接收到兩個標簽的信息。這種情況，定義為信道空閑發送成功的情況。
[0026]當標簽C2處在C22情況，即標簽C2在t2時刻開始偵聽信道，而C1則在h時刻開始偵聽信道，由圖中可以看出，在C1偵聽信道的全部過程中，C2 —直處于發送狀態，即C1監測信道一直忙碌。此時標簽C1會退避，延時重發(重發狀態未在圖中表示出來)。當標簽C2處在C23情況，于t4時刻開始偵聽信道，此時與上述情況恰好相反，在C2偵聽信道的全部過程中，C1 一直處于發送狀態。C2監測信道忙碌，會退避，延時重發。這種情況，定義為并發識別中的信道忙碌檢測成功。
[0027]當標簽C2處在C24情況，即在t3時刻開始偵聽信道，而C1在h時刻偵聽信道時，信道處于完全空閑狀態，而標簽C2偵聽到信道中有部分載波，但由于累積載波強度沒有達到門限值，C2會誤認為信道空閑，發送數據。此時，C2發送的無線信號與C1的信號同時存在同一信道中，造成無線碰撞。而讀卡器無法從混疊的信號中分辨出正確的信號，造成傳輸錯誤。標簽C1和C2均認為信道空閑，數據發送成功，不會退避重發。
[0028]根據上述分析，在煤礦井下定位系統中標簽并發識別會出現信道空閑發送成功、信道忙碌檢測成功和信道忙碌檢測失敗三種情況。前兩種情況，標簽可以自己檢測到狀態，相應采取措施，休眠或退避重發。信道忙碌檢測失敗的情況，標簽則無法知道自己的通信狀態，讀卡器也沒有檢測到標簽信號。下面使用概率分析的方法，計算上述幾種情況發生的概率。
[0029]2.兩個標簽退避O次碰撞概率
[0030]首先分析定位系統并發接收中最簡單情況，設有兩個標簽C1和C2,二者均使用CSMA/CA偵聽信道是否忙碌，但退避次數為0，即若檢測到信道忙碌后便進入休眠狀態，而不是退避延時重發。其碰撞模型如圖2所示，C21、C22、C23和C24分別表示標簽C2四個不同的發送時間的狀態。C/和C24’表示C1和C24檢測到信道忙碌而退避發送狀態。
[0031]當C2的發射時間在時間點h和t2之間(即圖中C21位置到C22位置)時，C2能夠發送成功，C1會偵聽到信道忙碌，退避一段時間，在如圖虛線C/位置發送信號；當(:2在時間點t4和t5之間(即圖中C23位置到C24位置)時，C1能夠發送成功，c2會偵聽到信道忙碌退避，如圖所示，C2在C24時間點偵聽到信道忙碌，會延時至C24 ’發送。如果退避后信道空閑，C2可成功發送。上述兩個時間段為信道忙碌檢測成功的情況。在標簽的工作周期T內，這種情況發生的概率是時間段到t2，以及t4到t5的長度之和比上工作周期T，設兩個標簽退避次數為0，發生信道忙碌檢測成功的概率為P1Qj),其中2代表并發標簽個數，O代表最大退避次數，其表達式為:
[0032]P1 (2,0) = 2ts—2ti
[0033]而當標簽C2在時間點t2和t4之間(即圖中C22位置到C23位置)，標簽C1和C2會因為偵聽的無線信號時間不夠長，將忙碌的信道認為空閑，兩個標簽同時發送數據，造成無線并發碰撞，即信道忙碌檢測失敗的情況。在標簽的工作周期內，這種情況發生的概率是時間段t2到t4的長度比工作周期T。設兩個標簽退避次數為0，發生信道忙碌檢測失敗的概率為P2 (2，O)，其表達式為:
[0034]P2 (2,0) =
[0035]3.η個標簽退避O次碰撞概率
[0036]將上一節的情況有兩個標簽擴展到多個標簽。討論多個標簽并發碰撞情況，除了兩個標簽碰撞，還需分析多個標簽在同一時刻碰撞的可能。
[0037]對于信道忙碌檢測成功的情況，設η個標簽中有m個同時碰撞，其概率為Pml (η，O)，其值為:[0038]
【權利要求】
1.一種礦井移動目標無線通信的防碰撞算法，在有源RFID技術和CSMA/CA先聽后發退避算法實現定位系統的無線通信的基礎上，發明設計了“多發篩漏法”算法并引入時間片調度算法，以減小漏讀率。多發篩漏算法設計 實際通信中標簽至少需要數秒鐘才能通過讀卡器的覆蓋范圍，若標簽休眠時間較短，那么可以在讀卡器的覆蓋范圍內發送多次標簽號。在標簽的多次發送中，只要有一次被讀卡器正確讀到，便可認為是通信成功。所以，在標簽能耗滿足要求的前提下，適當地減少休眠時間，增加標簽發射次數，有助于讀卡器篩除漏讀標簽，減少漏讀率。將這種連續嘗試多次發送，以確保至少一次被成功接收到的方法，稱為“多發篩漏法”。以η個標簽退避i次的碰撞概率為例介紹。 在通信過程中，當信道忙碌檢測成功時，檢測到碰撞的標簽會退避重發。當標簽最大退避次數為i，可計算出，標簽退避i次仍碰撞的概率為退避后又碰撞的概率P1Oi, i)為:
2.時間片調度算法設計 時間片調度法希望標簽每次發送數據都在相對固定的時間點或時間段，減少標簽碰撞的可能性，它的核心是調節系統通信節奏，為標簽發送時間“定時”。由于煤礦井下定位系統的通信模型是讀卡器與標簽之間形成點對多點的星形網絡，因此使用讀卡器而不是標簽調節通信節奏更為合理。在時間片調度法中，標簽采用定時發送，多個標簽并發識別，在不考慮無線碰撞的情況下，經過一個周期所有標簽都將發送一遍無線數據。將標簽工作周期作為讀卡器的通信周期，不考慮碰撞，一個周期內讀卡器能收到所有標簽的信息。如果將讀卡器的工作周期劃分成若干個時間片，并將多個標簽的發送時間調整至不同的時間片內，完成標簽和讀卡器的握手通信，即時間片調度。 在劃分好時間片以后，下面需要考慮的問題是時間片分配，即第幾號標簽在哪個時間片內。由于在實際工程應用中，標簽的編號往往是連續的，所以可將標簽卡號對一個較大的整數取余(這個整數被稱為取余參數)，得到的余數與時間片號一一對應，即標簽的發送時間片號碼與其余數相同。這就是標簽與時間片的對應關系。 設取余參數為X，將卡號余上X得到標簽的時間片因子hT，即
hT = NUM % X hT即是該標簽所屬的時間片序號。設計X大小時，要充分考慮到X小于H，即保證余數的種類小于時間片總個數。那些序號大hT的時間片稱為備用時間片。于沒有當讀卡器發現標簽所屬的時間片已經被占用時，可將標簽調整至空閑的備用時間片發送。
【文檔編號】G06K7/00GK104036208SQ201310091312
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月7日 優先權日:2013年3月7日
【發明者】張楠 申請人:山西大同大學