專利名稱：：無線裝置集合的基數的估計的制作方法
技術領域：
：本發明涉及無線裝置、如射頻標識(radio-frequencyidentification:RFID)標簽，具體來說，涉及快速估計無線裝置集合的基數、即集合中的裝置數量的方法。
背景技術：
：在任意RFID部署中出現的一個常見問題是達到預期精度等級的現場的標簽數量的快速估計。這個領域的先前工作集中于標簽的標識，它花費較長時間，并且不適合于許多情況，特別是在標簽集合為密集或高度動態時。射頻標識(RFID)標簽用于從庫存控制和跟蹤到醫療患者管理的曰常情況的各種應用，并且以不斷增大的數量普遍出現。這種廣泛采用的關^t動力是標簽的簡單性，它以高容量實現較低(接近零)成本。標簽本身在其能力方面顯著不同，從由閱讀器(reader)探測時只傳送特定位串的"啞"或無源標簽到具有其自己的CPU、存儲器和電源的"智能，，或者有源標簽。無源標簽設計成具有較長壽命，因此不使用任何板上(on-board)能量源來傳送數據。它們改為從閱讀器節點所發送的探測信號導出傳輸所需的能量。這個探測信號例如可經由磁耦合(稱作近場)或者電磁耦合(稱作遠場)傳送。后者具有更大的范圍，并且設計成一次讀取數百個標簽，而前者通常具有小于1米的范圍，因此用于一次讀耳又少于1至5個標簽。RFID標簽一^:可分類為無源標簽、半無源標簽和有源標簽。有源和半有源標簽具有其自己的電源，通常采取電池的形式。但是，半無源標簽不使用其電源進行傳輸，而是主要將它用于驅動其它板上電路。全球幾乎所有的當前RFID部署都涉及無源和半無源標簽。傳感器(sensormote)(也是遠程傳感器的無線收發器)可分類為有源標簽。RFID標簽往往用于標記項目。因此，識別這些項目通常是這種RFID系統的主要目標。一般思路如下閱讀器探測標簽集合，并且標簽進行回復。存在許多實現標識的算法，它們可分為兩類概率性的和確定性的。由于RFID裝置比較簡單并且工作于無線介質，所以每當閱讀器探測標簽集合時通常會產生沖突。標識算法使用防沖突方案來解決這類沖突。在概率性標識算法中，使用稱作"ALOHA"方案的組幀方案，如F.C.Schoute的《動態纟且幀長度ALOHA》("DynamicframedlengthALOHA",/fiS五7awsacriowsowCbmmww/ca"o;is1,vol.31(4)，1983年4月)中所全面描述的，將其公開完整地結合到本文中。在ALOHA方案中，閱讀器傳遞幀長度，并且標簽挑選幀中的特定時隙以在其中進行傳送。閱讀器重復這個過程，直至所有標簽已經無沖突地在一個時隙中成功傳送一次。在半無源和有源標簽系統中，閱讀器可在各幀結束時確認已經成功的標簽。因此，那些標簽可在后續幀中保持靜寂(silent)，從而降低沖突的概率，由此縮短整體標識時間。在無源標簽系統中，所有標簽在每一幀中繼續傳送，這延長了識別所有標簽花費的總時間。確定性標識算法通常使用分時隙(slotted)ALOHA模型，其中閱讀器識別將在給定時隙中進行傳送的標簽集合，并且嘗試根據前一個時隙的結果來減小下一個時隙的爭用標簽集合。這些算法屬于"基于樹，，的標識算法的類，其中標簽根據其ID在二叉樹上分類，并且閱讀器在各步驟沿樹移動以便識別所有節點。在所使用的實際標簽響應時隙方面，確定性算法通常比概率性方案更快。但是，這類算法遇到大的閱讀器開銷，因為閱讀器必須在各時隙開始時使用探測來指定隔離爭用標簽子集的地址范圍。兩類標識算法的共同要求是系統中標簽的實際數量f的估計。這個估計用于設置組幀ALOHA中的最佳幀大小以及指導用于計算標識所需的預計數量的時隙的基于樹的標識過程。因此，重要的是盡可能精確的快速估計。例如在概率性標識算法中，估計和標識步驟可假想地被組合或者同時執行，以便節省時間。但是，缺點在于，初始步驟則依靠標簽數量的不精確估計。因此，估計過程應當能夠使用不可識別信息、如所有標簽所使用的位串來計算標簽集合的大小L標簽集合的基數的估計在與RFID標簽有關的其它問題中也是重要的。由于保密限制，在某些情況下，閱讀器查詢標簽的標識可能不是可接受的。在這類情況下，標簽可發出不可識別信息，該信息仍然可用于計算基數的估計。當標簽集合很快改變使得所有標簽的標識不可能(例如，飛機飛過傳感器現場，同時嘗試獲得現場保持的有源傳感器數量的估計)時，出現另一組問題。一種有效的基數估計方案應當也能夠工作在這類環境。應當注意，在這些情況下，從能量管理角度來看，與使用無源標簽相反，使用有源標簽沒有為估計問題帶來任何特殊優勢。
發明內容在若干方面，根據本發明的原理來解決現有技術的問題。首先，本發明在某些實施例中提供一種在大量情況下工作很正常的有效快速的估計方案。其次，本發明在某些實施例中提供一種方法，它與標識所花費的時間相比，實現以較少量的時間來計算標簽集合的基數。法改進，它們可與現有RFID標簽配合使用，并且可使用可用技術以較小的遞增成本來實現。具體來說，本發明在某些實施例中提出靜態標簽集合的兩種估計算法，并且本文中通過分析和模擬來證明其性質。本文表明，兩種估計算法相互補充。本發明在某些實施例還提供單統一估計算法，它準許以預期精度等級來估計靜態標簽集合的基數，以及本文中經由分析和模擬來表明所述統一算法的性能。本發明在某些實施例中還使用概率性組幀ALOHA模型來提供更好的估計算法，它們可在比任何已知算法基本更短的時間內實現預期性能。本文中還表明，這種算法的估計范圍跨越許多數量級(例如從數十個標簽到數萬個標簽)。在一個實施例中，本發明提供一種方法，用于在包括一個或多個標簽的集合以及一個或多個閱讀器的系統中估計一個或多個標簽的集合的基數。一個或多個閱讀器發出請求標簽發出對識別它們的應答的命令。該命令包括定義應答的時隙總數的定時信息。響應該命令，所述標簽的一個或多個標簽(i)選擇在其中對命令進行應答的時隙；以及(ii)在所選時隙發出應答。該方法包括(a)發出命令；(b)在一個或多個時隙接收來自一個或多個標簽的應答；以及(c)根據下列項中至少之一來導出系統中一個或多個標簽的集合的基數的估計(i)零時隙的數量，其中零時隙是標識為其中沒有標簽進行傳送的時隙，(ii)單時隙的數量，其中單時隙是標識為其中僅具有一個標簽進行傳送的時隙，以及(iii)沖突時隙的數量，其中沖突時隙是標識為其中具有多于一個標簽進行傳送的時隙。在另一個實施例中，本發明提供一種設備，用于在包括一個或多個標簽的集合以及一個或多個閱讀器的系統中估計一個或多個標簽的集合的基數。一個或多個閱讀器發出請求標簽發出對識別它們的應答的命令。該命令包括定義應答的時隙總數的定時信息。響應該命令，所述標簽的一個或多個標簽(i)選擇在其中對命令進行應答的時隙；以及(ii)在所選時隙發出應答。該設備(a)發出命令，(b)在一個或多個時隙接收來自一個或多個標簽的應答，以及(d)根據下列項中至少之一來導出系統中一個或多個標簽的集合的基數的估計(i)零時隙的數量，其中零時隙是標識為其中沒有標簽進行傳送的時隙，(ii)單時隙的數量，其中單時隙是標識為其中僅具有一個標簽進行傳送的時隙，以及(iii)沖突時隙的數量，其中沖突時隙是標識為其中具有多于一個標簽進行傳送的時隙。在另一個實施例中，本發明提供一種機器可讀介質，其中具有編碼的程序代碼。當程序代碼由機器運行時，該機器實現用于在包括一個或多個標簽的集合以及一個或多個閱讀器的系統中估計一個或多個標簽的集合的基數的方法。該方法包括(a)發出命令；(b)在一個或多個時隙接收來自一個或多個標簽的應答；以及(c)根據下列項中至少之一來導出系統中一個或多個標簽的集合的基數的估計(i)零時隙時隙的數量，其中單時隙是標識為其中僅具有一個標簽進行傳送的時隙，以及(iii)沖突時隙的數量，其中沖突時隙是標識為其中具有多于一個標簽進行傳送的時隙。通過以下詳細描述、所附權利要求以及附圖，本發明的其它方面、特征和優點將變得更為清楚，附圖中，相似參考標號表示相似或相同單元。圖1示出本發明的一個示范實施例中、作為三個估計量的每個估計量的負荷因數的函數的時隙的歸一化預計數量的圖表；圖2示出本發明的一個示范實施例中的兩個估計量的工作范圍的比4交；圖3示出本發明的一個示范實施例中的兩個估計量的實驗性能；圖4示出本發明的一個示范實施例中、在具有均值和方差的正態分布上所重疊的沖突時隙的數量的實驗分布；圖5示出本發明的一個示范實施例中、作為負荷因數的函數的歸一化估計量方差的圖表；圖6示出本發明的一個示范實施例中的一個估計量的估計方差的圖表；圖7示出本發明的一個示范實施例中、可使用兩個估計量導出的統一簡單估計算法的偽代碼；圖8示出本發明的一個示范實施例中、對于單幀的不同實驗運行中的各種估計值相對標簽集合基數的圖表；圖9示出本發明的一個示范實施例中的概率性估計量方差的圖表；圖10示出本發明的一個示范實施例中的另一個概率性估計量方差的圖表；圖11示出本發明的一個示范實施例中、可使用兩個概率性估計量導出的統一概率性估計算法的偽代碼；圖12示出本發明的一個示范實施例中的RFID系統。具體實施方式系統模型在本文所使用的示范系統模型中，符合本發明的RFID系統包括一組閱讀器和大量標簽。這種系統對于RFID采用'H兌前先聽(listen-before-talk)"模型，其中標簽在"回復"之前監聽閱讀器的請求。在這種情況下，假定存在先于任何標識過程的用于計算標簽集合的基數的獨立估計階段，并假定標識階段使用組幀分時隙ALOHA(framed-slottedALOHA)模型以便標簽向閱讀器進行傳送(但是在備選實施例中，估計階段可與標識階段組合)。在這種系統模型中，在假定大小/時隙的幀的情況下，標簽根據均勻概率分布隨機挑選時隙，并且在該時隙進行傳送。標簽無法感測信道，因此只在所選時隙進行傳送。時隙同步由閱讀器的請求或命令來提供，請求或命令通常包含激勵標簽的探測。在估計階段由閱讀器進行探測時，在這種系統模型中假定標簽用包含嵌入到字符串的某種凈企4晉(例如CRC)的位串進行響應。這個公共位串的長度定義為最小長度字符串，使得當多個標簽在給定時隙傳送相同字符串時，閱讀器可檢測沖突。這個字符串對于標簽無需是唯一的，因此通常遠比唯一標簽標識符的長度要小。因此，閱讀器可檢測估計階段的沖突，并且識別僅由一個標簽在任何時隙進行的成功傳輸。如果時隙未被任意標簽選取，則閱讀器將認為這個時隙為空閑。在這種系統模型中，整個系統使用單個無線信道/頻帶進行操作。這種系統模型中的系統的負荷因數/7定義為標簽的數量/與幀中的時隙的數量/之比，即/=#。當標簽選擇進行傳送時，它具有兩種自由度(i)選擇大小/的幀中的時隙，以及(ii)任何給定幀中的傳輸的概率/。盡管選擇集合有限，但是對于無源和有源標簽，當前標簽系統已經允許可變的幀大小。相應地，閱讀器的傳輸請求可包含一個或兩個選項(i)由所有標簽使用的預期幀大小/,以及(ii)由標簽在給定幀中用于傳送的傳輸的概率。給定兩個參數，標簽首先判定是否以概率/7參與該幀，然后在大小/的幀中隨機挑選時隙。這些參數的每個可對于幀而改變，從而產生四種可能的組合(i)具有固定；？的固定/，(ii)具有可變/的固定/，(iii)具有固定p的可變/，以及(iv)具有可變p的可變/。在本發明的某些實施例中，將不考慮又稱作沖突解析或斗爭解析的標識問題(但是應當知道，例如對于概率性標識算法，解決標識問題可假想地與解決標簽基數估計問題相結合或者與其同時執行)。在本文所述的某些實施例中，本發明的焦點只是以盡可能少的時間來提供標簽集合的基數的可靠估計。由于估計方案實際上是概率性的，所以估計過程的精度要求使用兩個參數來指定誤差界限^>0和失效概率0<<1。要解決的問題如下假定系統中f個標簽的集合，閱讀器必須以寬度P的置信區間來估計系統中的標簽數量，即，目標是獲得估計"使得i^G—+其中概率p大于cc。換言之，最大誤差應當最多為±*，其中概率/大于a。示例(sample)問題是以大于99.99%的概率p估計標簽實際數量的±1%之內的標簽數量。按照用于執行預期精度等級的估計的時隙數量來測量估計量的性能。為了實現指定精度等級，通常進行多個測量。按照對于所有測量求和的時隙的總數來測量性能。目標是以盡可能少的時間來實現預期性能。換言之，如果它需要/e個時隙以某個精度來計算t個標簽的估計"并且需要/,.個時隙來唯一識別2個標簽，則□〖A應當成立，其中&和&分別是在估計和標識階段中傳送的位串的大小。變量Z。將在本文中用于表示單位正態分布的百分點。如果a=99.9%，則Za=3.2。現在將描述幀中的隨機時隙選擇的當前實現，該實現可易于擴展成適應給定幀中的傳輸概率。在PhilipsSemiconductors的"I-CODE智能才示j己RFID標簽"，(http:〃www.semiconductors.com/acrobat—download/other/identification/SL092030"df，通過引用將其公開完整地結合到本文中)全面描述的PhillipsI-Code系統中，幀大小A通常為2的冪)由閱讀器連同作為16位數的種子值(seedvalue)—起發送。各標簽^f吏用這個種子信息連同其標識符一起散列到范圍[1,/]的整數，它指定該幀將爭用的時隙。閱讀器在各幀中發送不同的種子以便確保標簽不一定選擇各幀中的同一個時隙。要注意，由其它RFID廠商進行的標簽/閱讀器實現對于時隙選擇沿用相似原理。這個方案可擴展到支持可變爭用概率；，下面更詳細地進行論述。閱讀器這時在各探測中發送三個參數(i)種子，(ii)幀大小/,以及(iii)整數其中符號「l表示函數"不小于...的最小整數"。標簽將組合種子/標識符值散列到范圍如果散列值大于/,則標簽在這個幀中沒有進行傳送，否則，它在所計算時隙進行傳送，由此產生幀傳輸概率!=^。這個/模型通過本文所述的模擬來實現，除了在本文所述的模擬中dra"^函數用于散列方案之外。根據I-Code系統，估計量時隙設置為10位長(這實際上是過度估計，因為能夠使用更小的位長度來檢測沖突)，以便實現每秒4000個估計時隙的速率。唯一標簽ID字段為56位長，其中包括CRC,以及I-Code中的最大標簽識別率為每秒200個標簽，使用56-kbps比特率。因此，估計時隙遠比標識時隙要小。簡單估計算法本文中開發了標簽集合的基數f的兩個不同的估計量，假定所有標簽在估計過程期間在所有幀中進行傳送。兩個估計量相互補充，并且將它們相結合提供對于大范圍的標簽集合基數正常運行的估計算法。在本文所使用的示范系統模型中，具有幀大小/的閱讀器探測標簽，以及標簽均勻地隨機挑選幀中的時隙,并且在那個時隙進行傳送。指示符隨機變量《用于時隙y中沒有傳輸的情況。換言之，如果沒有標簽在時隙y進行傳送，則x廣i,否則z廣o。類似地，當且僅當存在正好一個在時隙/進行傳送的時隙時，y;-i，以及當且^f又當存在多個在時隙進行傳送的標簽時，^=1。要注意，對于所有時隙y,《+《.+^=1。如果時隙_/中沒有傳輸，即《=1,則這個時隙y將稱作空時隙或零時隙。如果正好一個標簽在時隙y進行傳送，即y廣i，則時隙y'將稱作單(singleton)時隙。如果多個標簽在時隙/進行傳送，從而引起沖突，即巧.=1,則時隙y'將稱作沖突時隙。空時隙的總數將由A^Z二A表示，單時隙的總數將由A^S么^表示，以及沖突時隙的總數將由乂=iv。-M表示。要注意，7V。、AO和M是隨機變量。由閱讀器在特定情況下觀測到的值由w。、w;和表示。閱讀器根據(W。,"7,Wc)導出f的估計。以下引理1幫助得出f的估計。引理1設(AWV;,AQ分別表示具有Z個標簽和幀大小/的系統中的沒有傳輸、一個傳輸和沖突的時隙數量。設/4//。貝'J:為了獲得估計量，閱讀器首先測量(w。，,&)。/人引理1已知，空時隙的預計數量為/^，或者空時隙的分數為,。閱讀器從當前測量觀測到，空時隙的分數為/。使預計值和觀測值相等，閱讀器這時確定求解e—p。="0//并設置？0=^。的^。類似地，閱讀器可從單時隙以及從沖突時隙得到/的估計。三個示范估計量和/的估計如下表1所示。估計量待解決的問題ZE:零估計量^SE:單估計量/;《II一sCE:沖突估計量^1-(1+(〔/，，="c//表1可比較容易以封閉形式來求解基于^的估計量，但是其它兩個估計量涉及求解一個變量的非線性方程。簡單對分搜索(bisectionsearch)或牛頓法可用于求解該方程，因為上表1所示的估計函lt"正常表現"，因此這些方法均可較快地收斂。另外，當估計為整數時，一旦不確定性的間隔已知為小于1，搜索可終止，并且這個事實還可用于求解該方程。盡管有其它可能的搜索方法，但本文將使用對分搜索方法。三個示范估計量具有極為不同的特性。圖l示出作為負荷因數/的函數的歸一化預計值五/7Vo/《、五/AW《和五/—A^/"的圖表。要注意，空時隙和沖突時隙的曲線在/中是單調的，而單時隙的曲線是非單調的。直觀地，當負荷因數很低時，存在許多空時隙，但存在極少單時隙或沖突時隙。當負荷因數增加時，空時隙的數量隨單時隙和沖突時隙的數量的相應增加而減少。單時隙的預計數量在負荷因數p=1時達到最大，這是標識算法中廣泛用于優化單幀中的成功標識數量的事實。從這一點開始，當負荷因數增加時，存在更多沖突時隙，而單時隙的數量減少。當閱讀器求解e"'-n^/中的時，解對于/^l不是唯一的。這表示，將單時隙單獨用于估計標簽的數量不是合乎需要的。因此，以下論述將集中于零估計量(ZE),其中估計由"f。表示，以及沖突估計(CE)，其中估計由"^表示。現在將論述估計量的工作范圍。當標簽的數量^/時，幀中的所有時隙具有遇到沖突的高概率，從而使"。="尸0以及&=/:在這類情況下，零估計量和沖突估計量沒有有限估計，即/()=^=1。由于標簽的數量假定為固定的，因此，當幀大小增力口(而負荷因數減小)時，估計量為有限的概率將增加。換言之，假定幀大小/,則對標簽的數量存在上限，它可使用給定估計量可靠地估計。定義l給定幀大小/和概率6<1，估計量的工作范圍定義為估計量以大于0的概率具有有限解的標簽的最大數量L工作范圍的定義只確保可獲得有限估計。(應當注意，工作范圍沒有證明估計為有限時的估計的精度。)對于固定/，零估計量(ZE)的目標是確定將以小于1W的概率不會產生空時隙的標簽的最大數量，以及沖突估計量(CE)的目標是確定將以小于l-P的概率產生所有時隙中的沖突的標簽的最大數量。將使用歸于vonMises的關于iV。和的分布的下列典型結果(如Feller的《概率論導言及其應用》("AnIntroductiontoProbabilityTheoryandItsApplications",Vol.1,JohnWiley,1968)中充分說明，通過引用將其內容完整地結合到本文中)。引理2設f個標簽各從/個時隙中隨機挑選一個時隙，并且在那個時隙進行傳送。設/，/—>,同時保持"/=/。然后，空時隙的數量iV。接近參數-/e—P的泊松隨機變量，并且單時隙的數量M近似作為參數A，=/pe的泊松隨機變量分布，其中p/是負荷因數。使用以上結果，閱讀器無法獲得有限^的概率為7V。=0的概率。由于7V。作為具有參數A。的泊松變量分布，因此，要求失效概率小于(1-0相當于設置A。5-log(l-的。如果0設置為=0.99，則這對應于設置A。55。(當A。-5時，失效概率大約為0衡。)在CE估計量的情況下，僅當iV^/、即沒有空時隙或單時隙時，估計過程才失效。這個概率由下式給出再次使用^=0.99,可以看到，只要負荷因數確保Ao+A,S5，則基于沖突的估計量以小于0.007的概率失效。圖2示出對于0=0.99、即小于1%的失效概率的ZE和CE估計量的工作范圍的比較。X軸線表示時隙數量，以及y線軸表示可分別使用ZE和CE估計量來估計的標簽最大數量^和t。要注意，CE估計量的范圍大于ZE估計量的范圍。這種差異隨幀的大小而增加。例如，對于戶100個時隙，CE估計量的工作范圍比ZE估計量高大約180,而當戶5000個時隙時，高大約11600。因此，基于沖突的CE估計量可在比基于空時隙的ZE估計量更高的負荷因數進行工作。圖3示出當標簽數量從0增加到1000時、戶100時的CE和ZE估計量的實驗性能。x軸線表示標簽的實際數量，以及y軸線表示標簽的估計數量^和^。理想曲線是圖表中所示的45度線條。圖表中的各點表示100次實驗的平均數。要注意，,。的性能在標簽數量/大約為350時開始退化，以及^的性能在Z大約為550時開始退化。從以上結果可以觀察到，隨著增加幀大小，工作范圍對于兩個估計量均擴大，其中對于沖突估計量比對于零估計量具有更大范圍。這還意味著，沖突估計量對于比零估計量更大的負荷因數范圍正常工作。現在將論述確定估計量的精度。但是，首先導出CE和ZE估計量的方差。方差的計算不僅準許比較兩個估計量的精度，而且還幫助判定如何使用估計量來獲得估計的預期精度等級。在本文的以上"i侖述中，使用A^和iVy可近似為泊松隨機變量的事實。優選上述泊松分布的原因在于，它是在零值對iV。和M給出概率質量函數值的離散分布。證實，7V。和7V/也可漸近地近似為正態分布，這是用于分析估計量的方差的事實。具有均值a和方差Z的正態分布用^[。，6]表示。定理l設f個標簽的每個標簽從/個時隙中隨機進行挑選，并且在該隨機選取的時隙進行傳送。7V。表示空時隙的數量，以及7V"c表示沖哭時隙的數量。如果/"~>00，同時保持/々，，則Wo~#[〃0,cro2]其中/,0=，a02H(1+P)e—"以及乂.~#[/^'.,°^]其中/^/(卜e"(l+p))以及o\:=/e"((l+/)-(+2/+/02+/73)e—p)圖4示出如定理1中所計算的、與具有均值和方差的正態分布上所重疊的沖突時隙的數量的實驗分布。最后，測量7V。和iVc的實例，然后使用它們來估計,。要注意，//。和/^被看作標簽的數量f的(非線性)函數，即作為/^W和A(0。從引理l和圖l已知，//。(0和A(0是,的單調連續函數，即//。(0在,中遞增而^(,)在/中遞減。由于它們是單調且連續的，所以這些函數均具有唯一倒數，分別由g/」和」表示。換言之，g//U09=f和定理2。設/，/—oo,同時保持W-p。則，U"w0)-g0(〃0(,))]-#[oa]以及其中以及為了比較兩個估計量的方差，首先定義作為估計量方差與標簽數量之比的歸一化方差的概念。ZE估計量的歸一化方差為&〃，而CE估計量的歸一化方差為《〃。從以上所示的估計量方差的表達式中，歸一化方差就是負荷因數/的函數。圖5示出作為負荷因數的函數的歸一化估計量方差的圖表。從圖5可進行三個觀測。首先，對于^<1，^的方差減小，而^的方差增加。換言之，如果標簽的數量f是固定的，并且時隙數量增加，則基于空時隙的ZE估計量變得更精確，而基于沖突時隙的CE估計量變得不太精確。其次，當負荷因數增加時，基于沖突的CE估計量的方差變得明顯小于基于空時隙的ZE估計量的方差。第三，ZE估計量可實現任意低的歸一化方差，而CE估計量的歸一化方差始終至少為0.425。這些觀測表示，對于估計具有基數Z的給定標簽集合，ZE估計量可與極大的幀大小配合使用，以便獲得單幀中的任何預期精度，假定允許這種幀大小。另一方面，對于CE估計量，合乎需要地研究減小方差的其它方法。還應當知道，兩個估計量相互補充。在大于給定閾值的負荷因數，CE估計量更好地執行，而ZE估計量在較低負荷因數更好地執行。現在將論述簡單估計量的方差的減小。給定如上式(1)和(2)提供的ZE和CE估計量的方差的表達式，減小估計量的方差的直接方式是多次重復進行實驗并且if又估計的平均值。如果最終估計是各具有c/的估計量方差的w次獨立實驗的平均值，則平均值的方差為一/w。方差也可通過改變幀大小或者護L行-估計的力口4又平均(weightedaverage)來操作。在選擇用于減小方差的方法之前，應當首先了解兩個估計量的特性。ZE估計量的方差可通過減小/或者等效地通過增加幀大小/來減小。可以表明，具有大小m/的幀并且執行一次讀取為/。提供比具有大小/的幀并且對m次實驗的結果求平均更低的方差。如果方差對于給定估計？預期為小于一，則在表達式中首先求解/>,-(1+/9))^2P一然后可設置/，使得/^>。從圖6的估計方差圖表可以看到，當/5=1.15時，^達到最小方差。這通過估計等式2相對于p的最小值來獲得。要注意，/=1.15相當于設置/-(1/1.15)/-0.87/。/=1.15時的最小方差為0.425/。如果/固定在戶0.87"則實驗重復進行m次，對m個估計求平均，然后用大約/w的因子減小最終估計的方差，即，方差將為0.87加。這表示，如果最終方差預期小于？，則測量應當重復至少「G"〃。n次。現在將針對兩個其它實際問題最大幀大小和幀開銷。關于最大幀大小，從預期方差的計算產生的幀大小可以相當大，特別是在ZE估計量的情況下。實際上，系統通常具有某個最大幀大小限制。因此，如果以上提供的幀大小計算產生比所準許的最大值更大的大小，則可改用所準許的最大值幀大小。這意味著，合乎需要地執行多次實驗，以便甚至對于ZE估計量減小方差。變量/^用于表示最大幀大小。關于幀開銷，通常存在與各幀關聯的某個開銷，主要是用于激勵標簽的時間和/或能量。假定按照用于初始化幀的時隙數量來指定幀開銷，以及這個數量由變量T表示。因此，大小/的幀實際上用掉/H:個時隙。根據兩個估計量相互補充的觀察，可導出統一簡單估計算法，它使用兩個估計量，取決于幀大小和標簽的的估計數量。對于來自兩個估計量的給定幀大小和標簽集合估計，具有較低方差的值被選取，并且用于細化(refine)后續估計。一種此類示范統一算法的偽代碼如圖7所示。這種算法將下列項接收為輸入(i)對于標簽數量f的上限7，(ii)置信間距寬度y9,以及(iii)誤差概率《。該算法計算預期方差和初始幀大小/，然后激勵標簽。隨后，該算法計算零時隙和沖突時隙的數量以及每個的相應方差。選擇具有較小方差的時隙類型(零或沖突)用于計算基數估計。然后計算零估計量獲得預期方差所需的幀大小/Z￡。然后，使用等式(l)和(2)來計算獲得預期方差所需的重復次數，然后算法用它分別產生ZE估計量和CE估計量的時隙的總數，其中包括幀開銷。如果ZE估計量的時隙的總數小于CE估計量的時隙的總數，則結合計算的適當重復次數使用ZE估計量以產生標簽集合的基數的多個估計。如果ZE估計量的時隙的總數不小于CE估計量的時隙的總數，則結合計算的適當重復次數使用CE估計量以產生標簽集合的基數的多個估計。標簽集合的估計基數的最終值是對于所有重復的多個估計的平均值。以上所述的簡單估計量能夠估計在單幀中在20%置信區間09=20)之內估計？的值，假定最初適當選取幀大小以便適應測量的工作范圍。這通過圖8的實驗結果來證明，其中，對于單幀的不同實驗運行中的各種估計值相對于標簽集合基數"會制。幀大小選擇為1000個時隙。為了進行比較，還繪制了20%的置信區間，分別由斜率1.1和0.9的上線和下線表示。示出的還有在Vogt的《采用無源RFID標簽的有效對象識別》("EfficientObjectIdentificationwithPassiveRFIDTags",LectureNotesinComputerScience,Springer-Verlag,vol.2414,2002)中描述的標簽集合大小估計量的結果，通過引用將其完整地結合到本文中，其中以^,7,+2,々.計算下限。Vogt參考文獻中提供的估計量4皮認為是比較出色的，并且能夠提供少至1000個時隙的高置信估計。通過上述I-Code系統中提出的估計方案，4500-標簽集合的大小可在0.25秒以20%的精度來估計。采用I-Code參考文獻《I-CODE智能標記RFID標簽》("I-CODESmartLabelRFIDTags")中所述的標識方案來實現相同精度的時間量為18秒。甚至當系統僅具有500個標簽時，本文所述的方案仍然可在0.25秒在士100之內估計該大小，而I-Code參考文獻中所述的標識方案需要2秒。上文提到，對于m次實驗估計，用m對估計求平均將減小方差。通過估計的加權平均，可進一步減小方差。這例如可使用以下統計結果來進行。定理3設e/、e2.....^是對/的具有方差v/、v2.....va的A:個估計。對于0^",^1且5]1的任何集合{",},表達式H"是對具有Z:^、的方差的t的估計量。使線性組合的方差為最小的a,的最佳選擇為Efc1:以及最小方差為1/J^,丄加權統計平均在本文所述的模擬中用于計算取樣估計的最終方差。使用圖7的統一簡單估計算法，測量估計具有5至50000的范圍的集合大小的各種標簽集合所需的時隙數量。為了適應這個大工作范圍，圖7所示的初始幀大小/設置為6984個時隙。要注意，后續幀可具有不同大小。使用模擬對于各種精度等級查找估計所需的時隙數量與在下表2示出的結果。標簽置信區間(單位為％)所需的時隙<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>表2這些結果表明，對于完全在工作范圍之內的標簽大小，該算法易于以大于0.05%的精度來估計數幀之內的標簽數量。但是，對于各種精度等級存在算法的極小可調整性。另外，當預期精度增加時，或者當標簽數量達到工作范圍的上端時，主要由于所涉及的大的幀大小，該算法需要大量時隙來獲得預期估計。但是，該算法可有利地用4.5秒在±500個標簽的置信區間之內以及用16秒在±50個標簽的置信區間之內獲得50000個標簽的估計，同時用于標識所花費的時間為100秒或以上。下表3示出在以士5個標簽的置信區間估計500個標簽的集合的基數時取得各種工作范圍所需的不同數量的時隙。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>表3上述數據表明，當標簽的數量完全在工作范圍之內時，存在工作范圍與估計時間之間的折衷(以幀大小的函數)。可縮放估計算法允許所有標簽在每一幀中進行爭用的估計方案具有與所選幀大小相關的特定工作范圍，例如同在圖7的統一簡單估計算法中那樣。因此，為了估計任何標簽集合大小/，測量標簽集合大小的上限，并且幀大小是固定的，使得工作范圍伸延到上限。另外，用于計算低方差估計的最佳幀大小以ZE和CE估計量的標簽集合大小為下限。這個要求在實際系統中對于f的大值可能是不實際的。在一些情況下，標簽的數量比最大幀大小厶^要大若干數量級，并且/加似可以極小。當負荷因數很大時，將組幀ALOHA擴展到包括概率爭用增加了范圍并改進估計的精度。為此，現在將描述稱作概率性組幀ALOHA(PFA)協議的新協議。定義2概率性組幀ALOHA(PFA)協議定義為具有幀大小/和附加爭用概率的組幀ALOHA協議模型。PFA協議中的節點判定在幀中以概率；進行爭用，以及如果它決定進行爭用，則挑選在其中進行傳送的/個時隙中之一。要注意，PFA協議只是概率性ALOHA到組幀模型的簡單擴展。當；=1日于，PFA協議成為組幀ALOHA協議。現在將論述PFA沖莫型中的概率性估計量的行為的分析。定理4與定理1相似，并且提供PFA方案的空時隙和沖突時隙的數量的均值和方差。定理4設f個標簽各從/個時隙中隨機進行挑選，以及如果它們選擇以概率；？進行爭用，則在隨機選取的時隙進行傳送。貝'j，^。~#[/v°"02]以及其中/^/(卜e-"(l+一)以及<j'2=.,c廠""((l+pp)-(1+2P/9+V+pV)e，)如下表4所示，計算概率性情況的估計量,。和,c。估計量待解決的問題PZE:空時隙估計量^PCE:沖突估計量4i-(i+(K//)K(;V/)="c//表4縮略詞PZE和PCE用來表示PFA的上下文中的估計量。現在提供估計量的方差，并且推導與定理2中的組幀ALOHA推導相似。PFA模型的估計量函數為g/力和&(^,go^。)=&(^.)=/,其中〃。和^如定理4所定義。定理5設M和A^分別是空時隙的數量和沖突時隙的數量。貝'J，[g。(W,')-g0")〗-V[(U。〗以及其中A一(e"-(l+。0—f^:以及'pV概率性方案的主要用途是用于處理下列兩種情況(i)標簽的數量很大，以及(ii)增加幀大小以適應標簽是不可行的。因此，暫時假定f和/的值是固定的，以及負荷因數/>="/比較大。現在對于PZE和PCE估計量來解決在給定負荷因數/的情況下選擇最佳爭用概率的問題。在PZE估計量的情況下，計算&相對于/9的偏導數并將其設置為零，以便得到最小方差。偏導數由下式給出W。—/(，"-2e"+2))一0為了得到最小方差，對下式求解yO:由于；/在表達式中一起出現，因此易于以數值表明，當p選擇使p/3=1.59時達到最小值。因此，最佳/^i.外/p。如果/<1.59，則最佳值為/=1。圖9是實驗模擬中的PZE估計量方差的圖表。這個圖表示出方差如何對于p的兩個不同值隨/而改變。在PCE估計量的情況下，對于;？找出函數(5/;,p,的最小值，以便得到提供最小方差的p的值。最佳/將滿足e，V-2;/-4)+2(;V+3;/+2)=0再次注意，；？和yo—起出現，因此比較容易以ft值方式對此求解，以便表明當/7/3=2.59時達到最小值。因此，若/<2.59，則；=2.59/p，且還可以看到，基于沖突的PCE估計量對于比基于空時隙的PZE估計量更大的范圍是健壯的。圖IO是實驗模擬中的PCE估計量方差的圖表。這個圖表示出方差如何相對/的兩個不同值隨戶而改變。概率性爭用機制甚至當"艮大時也準許所使用的幀大小顯著減小。如果單個估計的方差過大，則對多個估計求平均減小方差。PZE和PCE估計量^^用與以上針對ZE和CE估計量所述相同的方法來組合，以便得到統一概率性估計算法。一種此類示范統一概率性算法的偽代碼如圖ll所示。這種算法將下列項接收為輸入(i)幀大小/，(ii)置信間距寬度y9,以及(iii)誤差概率a。根據對于CE和/或ZE估計量的多個運行所得到的方差和基數估計，算法輸出滿足指定精度要求的f個標簽的集合的基數的估計f。PFA協議的優點之一在于，對給定精度等級的總估計時間與標簽集合的基數f無關。現在將使用模擬結果來對此進行說明。如同以上所述的簡單估計量算法的^f莫擬結果一樣，測量估計具有5至50000的范圍的集合大小的各種標簽集合所用的時隙數量。工作范圍在這種情況下不是問題，因為爭用的概率將根據存在的標簽數量動態適配。幀大小設置為常數戶30個時隙，并且改變幀中的爭用概率。對于各種精度等級，使用模擬來查找估計所需的時隙數量，以及在下表5示出結果。標<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>表5要進行的第一觀測是，對于給定置信度，所需時隙數量幾乎與標簽大小無關。第二觀測是，所需估計時隙數量比用于統一簡單估計算法(表2)的數量小若干數量級。當精度要求以x的因子增加時，估計時間以^的因子增加。這是預計的，因為方差與置信度的平方相關。可以看到，50的標簽集合大小的估計時間遠比5的標簽集合大小的估計時間要好。這是由于30的幀大小，它與5的標簽集合大小相比，產生對50的標簽集合大小的次最佳方差估計。按照實際時間，假定每秒4000個估計時隙的速率，可在1秒之內以0.05的置信區間來估計任何標簽大小(不一定限制為50000)。與現有技術估計方法相比，這是完全唯一的結果。圖12示出示范RFID系統100,包括閱讀器200以及與閱讀器200進行選擇性通信的多個標簽300。計算機、如服務器400配置成根據與閱讀器所交換的數據來執行估計方法。雖然系統100示出可用于執行本文所述的本發明的估計方法的一種或多種，但是應當理解，其它系統是可能的，例如包括其它數量的標簽和/或閱讀器的系統。還應當理解，雖然服務器、計算機或其它處理裝置可用于執行本文所述的本發明的估計方法的一種或多種，但是，這類估計方法作為替代或補充可由一個或多個閱讀器本身來執行。應當理解，雖然按照RFID標簽和閱讀器來描述本發明，但是，本發明適用于在其中執行對象集合的基數的估計的其它應用。例如，本文所述的方法可能適用于估計例如在給定環境中呈現特定響應4亍為的以下項的有線或無線組網單元的基數電子產品代碼(EPC)標簽、計算機網絡上的節點、給定范圍中的移動電話裝置、商店中的顧客忠誠卡或標識裝置或者分子、粒子、生物有機體或者細胞。廣義術語"閱讀器"和"標簽"應當理解為不^f又分別包括RFID閱讀器和RFID標簽，而且還包括執行RFID應用或其它應用、例如本賴j是出的示范應用中的相同或相似功能的其它裝置。應當知道，本發明適用于"智能"或有源標簽和"啞"或無源標簽，以及本文所使用的表達"探測"或者向標簽"發出命令"可包括(i)激勵標簽，以及(ii)向標簽傳送數據，但是不一定包括這兩種功能，例如在自行供電的有源標簽的情況下，不需要激勵標簽。本文所使用的在選擇或數量生成的上下文中的術語"隨機"不應當理解為限制于完全隨機選擇或數量生成，而是應當理解為包括偽隨機，其中包括基于種子的選擇或數量生成，以及可模擬隨機性但不是實際隨機的或者甚至沒有嘗試模擬隨機性的其它選擇或數量生成方法。在本發明的某些實施例中，還能夠使用一種算法，其中，在某些情況下，指示某些標簽根本不響應探測。例如，在某些實施例中，采用PZE和/或PCE估計量的系統可采用在閱讀器提供的所計算隨機數超過給定閾值時不適合傳送任何響應的標簽。本發明可實現為基于電路的過程，包括作為單集成電路(例如ASIC或FPGA)、多芯片模塊、單卡或多卡電路板的可能實現。本領域的技術人員清楚地知道，電路元件的各種功能還可實現為軟件程序中的處理塊。這種軟件可用于例如數字信號處理器、^:控制器或通用計算機。本發明可采取方法以及實施這些方法的設備的形式來體現。本發明還可采耳又例如》茲記錄介質、光記錄介質、固態存儲器、軟盤、CD-ROM、硬盤驅動器或者任何其它機器可讀存儲介質的有形介質中包含的程序代碼的形式來體現，其中，當程序代碼加載到例如計算機等機器中并由機器運行時，該機器成為用于實施本發明的設備。本發明還可采取例如無論是存儲在存儲介質中、加載到機器中和/或由機器運行還是通過某種傳輸介質或載體傳送、例如通過電氣接線或布線、通過光纖或者經由電磁輻射來傳送的程序代碼的形式來體現，其中，當程序代碼加載到例如計算機等機器中并由機器運行時，該機器成為用于實施本發明的設備。在通用處理器上實現時，程序代碼段與處理器組合，以便提供與特定邏輯電路相似地工作的唯一裝置。本發明還可采取通過介質、》茲記錄介質中的存儲磁場變化等以電或光的方式傳送、使用本發明的方法和/或設備所產生的比特流或其它信號值序列的形式來體現。除非另加說明，各數值和范圍應當解釋為近似，猶如值或范圍的值前面的詞語"大約"或"接近"那樣。還會理解，在沒有脫離以下權利要求書中表達的本發明的范圍的條件下，已經描述和說明以便解釋本發明的性質的部分的細節、材料及布置方面的各種變更均可由本領域的技術人員進行。權利要求書中的附圖編號和/或附圖參考標號的使用意在標識要求權益的主題的一個或多個可能的實施例，以便幫助解釋權利要求書。這種使用不是要理解為一定要將那些權利要求的范圍限制到對應附圖所示的實施例。應當理解，本文提出的示范方法的步驟不一定要求按照所述順序來執行，這類方法的步驟的順序而是應當理解為只是示范性的。同樣，附加步驟可包含在這類方法中，以及在符合本發明的各種實施例的方法中，某些步驟可被省略或組合。雖然以下方法權利要求中的任何單元以相對標記的特定順序來特定序列，那些單元不一定要限制到按照那個特定序列來實現。本文提到"一個實施例"或"實施例"表示結合該實施例所述的具體特征、結構或特性可包含在本發明的至少一個實施例中。詞組"在一個實施例中，，在本說明書的各個位置中的出現不一定都表示同一個實施例，也不是一定對其它實施例互斥的獨立或備選實施例。同樣的情況適用于術語"實現"。權利要求1.一種用于在包括一個或多個標簽的集合以及一個或多個閱讀器的系統中估計所述一個或多個標簽的集合的基數的方法，其中所述一個或多個閱讀器適合發出請求所述標簽發出對它們自己進行識別的應答的命令，所述命令包括定義所述應答的時隙總數的定時信息；以及響應所述命令，所述標簽中的一個或多個標簽適合(i)選擇在其中對所述命令進行應答的時隙，以及(ii)在所述所選時隙中發出所述應答；所述方法包括(a)發出所述命令；(b)在一個或多個時隙中接收來自所述一個或多個標簽的應答；以及(c)根據下列各項中至少之一導出所述系統中一個或多個標簽的集合的所述基數的估計(i)零時隙的數量，其中零時隙是識別為其中沒有標簽進行傳送的時隙，(ii)單時隙的數量，其中單時隙是識別為其中只有一個標簽進行傳送的時隙，以及(iii)沖突時隙的數量，其中沖突時隙是識別為其中有超過一個標簽進行傳送的時隙。2.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟(c)中所述系統中的一個或多個標簽的集合的所述基數的所述估計通過在下式中求解變量/。來導出e-(M)//)="0//，其中，/是時隙的總數，是零時隙的數量，以及/是標簽將選取給定時隙的概率。3.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟(C)中所述系統中的一個或多個標簽的集合的所述基數的所述估計通過在下式中求解變量O來導出其中，/是時隙的總數，以及"/是單時隙的數量。4.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟(c)中所述系統中的一個或多個標簽的集合的所述基數的所述估計通過在下式中求解變量(來導出其中，/是時隙的總數，"c是沖突時隙的數量，以及/7是標簽將選取給定時隙的概率。5.如權利要求2-4中任一項所述的方法，其中，;的值固定為;=1。6.如權利要求l所述的方法，其中，步驟(c)還包括根據所述系統的負荷因數來確定是將所述零時隙的數量還是所述沖突時隙的數量用于導出所述集合的所述基數的估計。7.如權利要求6所述的方法，其中所述負荷因數是(i)所述系統中的標簽的估計或實際數量與(ii)所述應答中的時隙的總數之間的關系；當所述負荷因數超過指定闊值時，所述沖突時隙的數量用于導出所述系統中一個或多個標簽的集合的基數的所述估計；以及當所述負荷因數沒有超過所述指定閾值時，所述零時隙的數量用于導出所述系統中的一個或多個標簽的集合的基數的所述估計。8.如權利要求l所述的方法，其中多次實現步驟(a)、(b)和(c)，以便產生基數的多個估計；以及所述方法還包括根據所述多個估計來導出所述系統中一個或多個標簽的集合的所述基數的估計的方差。9.如權利要求8所述的方法，還包括通過使用所述沖突時隙的數量獲得多個估計的第一集合來導出第一方差；通過使用所述零時隙的數量獲得多個估計的第二集合來導出第二方差；如果所述第一方差小于所述第二方差，則使用所述沖突時隙的數量來獲得所述系統中一個或多個標簽的集合的所述基數的一個或多個后續估計；以及如果所述第一方差不小于所述第二方差，則使用所述零時隙的數量來獲得所述系統中一個或多個標簽的集合的所述基數的一個或多個后續估計。10.—種設備，適合執行如權利要求1-9中任一項所述的方法。全文摘要在一個實施例中，提供在具有一個或多個標簽和一個或多個閱讀器的系統中估計一個或多個標簽的基數的方法。閱讀器發出請求標簽自行識別的命令。該命令包括定義時隙總數的定時信息。響應該命令，一個或多個標簽的每個(i)選擇在其中對命令進行應答的時隙；以及(ii)在所選時隙發出應答。該方法包括(a)發出命令；(b)在一個或多個時隙接收來自一個或多個標簽的應答；以及(c)根據下列項中至少之一來導出系統中一個或多個標簽的基數的估計(i)零時隙的數量，其中零時隙是其中沒有標簽進行傳送的時隙，(ii)單時隙的數量，其中單時隙是其中僅具有一個標簽進行傳送的時隙，以及(iii)沖突時隙的數量，其中沖突時隙是其中具有多于一個標簽進行傳送的時隙。文檔編號H04L12/28GK101517972SQ200780034591公開日2009年8月26日申請日期2007年9月12日優先權日2006年9月22日發明者M·S·科迪亞拉姆,T·南達戈帕爾申請人:盧森特技術有限公司