本發(fā)明屬于rfid讀取優(yōu)化，特別涉及一種基于波束成形的rfid均衡讀取方法。

背景技術(shù)：

1、射頻識別技術(shù)(radio?frequency?identification，rfid)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)，相比傳統(tǒng)感知媒介，rfid具有體積小、成本低、無源感知(無需電源供電)、非視距通信、可批量讀取等鮮明特點，成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的技術(shù)。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展以及在各行業(yè)應(yīng)用深入，大規(guī)模rfid系統(tǒng)正日漸普及。

2、如何全面以及高效的進行數(shù)據(jù)讀取，是rfid要解決的最基本也是最重要的問題。rfid數(shù)據(jù)讀取具體而言是指rfid閱讀器從rfid標簽中讀取標簽數(shù)據(jù)，如標簽產(chǎn)品電子代碼(electronic?product?code，epc)，用戶內(nèi)存(user?memory)等。在真實的rfid系統(tǒng)中，由于環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致存在rfid讀取盲區(qū)。在大規(guī)模rfid系統(tǒng)中，眾多rfid標簽同時競爭有限的信道資源，導(dǎo)致信道沖突劇烈、單個標簽的讀取速度驟降。讀取盲區(qū)和標簽競爭的出現(xiàn)，導(dǎo)致了rfid系統(tǒng)讀取性能的惡化，甚至部分標簽出現(xiàn)“餓死”的現(xiàn)象，嚴重影響上層感知算法或應(yīng)用的性能。例如，一個倉儲系統(tǒng)通過rfid感知算法實時監(jiān)測貨物的溫濕度，但由于部分標簽出現(xiàn)“餓死”的現(xiàn)象，感知算法無法按需采集足夠的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致了測溫誤差大，甚至出現(xiàn)誤報或漏報的情況。rfid均衡讀取優(yōu)化是針對大規(guī)模場景下每個標簽讀取速度改善的一種優(yōu)化，其包含兩個內(nèi)容：1)盡可能快速地獲得場景中的所有標簽；2)讓每個標簽的讀取速度都盡可能快，即每個標簽的讀取速度都得到一定的保障，讀取是均衡的。均衡讀取在各行各業(yè)中應(yīng)用中極為重要，高效的均衡讀取確保感知算法能夠準確的感知環(huán)境中的每一個標簽的狀態(tài)(如溫度、濕度等)，以便在發(fā)生突發(fā)狀況時及時警告管理員采取相應(yīng)措施，進而避免不必要的財物損失和保障人員安全。

3、在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當前針對rfid讀取優(yōu)化的方案主要存在以下問題：1)與c1g2標準不兼容——通過設(shè)計新的通信協(xié)議和通信芯片來優(yōu)化，不兼容現(xiàn)有的c1g2標準；2)時間效率低——在大規(guī)模rfid系統(tǒng)中，方法的時間效率將顯著降低；3)泛用性差——當場景發(fā)生變化時，方法的效率顯著降低。并且，當前所有的rfid讀取有關(guān)工作均未考慮讀取的均衡性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于波束成形的rfid均衡讀取方法。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于波束成形的rfid均衡讀取方法，包括以下步驟：

3、步驟1，使用基于貝葉斯優(yōu)化的初始化方式，快速獲得環(huán)境中標簽的數(shù)量，并獲得不同波束的可讀取標簽集合和有效波束集合；

4、步驟2，利用所述有效波束集合，探測每個標簽的讀取速度，根據(jù)讀取結(jié)果對標簽進行劃分；

5、步驟3，使用基于集合覆蓋模型的均衡讀取方式進行掩碼選擇和波束選擇——使用選擇的掩碼和波束讀取能夠盡快達到均衡讀??；

6、步驟4，使用選擇的掩碼和波束進行讀取，判斷是否完成均衡讀取，若是，則結(jié)束方法，否則返回步驟3重新選取掩碼和波束。

7、本發(fā)明步驟1中所述基于貝葉斯優(yōu)化的讀取優(yōu)化方法包括：

8、步驟1-1，定義波束bφ,a＝(φ,a,λ,p)，為一個四元組，其中λ和p分別表示發(fā)射信號的波長序列以及發(fā)射天線的位置序列，由rfid系統(tǒng)初始時決定；φ和a表示各個天線發(fā)射信號的相位序列和相對振幅序列，分別表示為a＝{a1,a2,…,an}，0≤a1,a2,…,an≤1，n為發(fā)射天線個數(shù)。定義波束的相位粒度為振幅粒度為ga，0≤ga≤1。根據(jù)和ga，使用組合的方式獲得所有波束通過隨機生成α個不同的隨機數(shù){ρ1,ρ2,…,ρα}，選取α個不同的波束，記作其中并入有效波束集合beff。對binit中每個波束使用基于盤點標志位加速的讀取方式讀取，得到α個波束的可讀取標簽集合r表示波束可讀取標簽的集合，其下標表示波束。將每個波束可讀取標簽集合分別并入所有波束可讀取標簽集合rsall，即使用每一個波束構(gòu)建長度為1的波束組合集合從而構(gòu)建波束組合可讀取標簽集合將其并入波束組合可讀取標簽集合為波束組合可讀取標簽集合在m＝1時的情況，m表示中每個元素中波束的數(shù)量，m的初始值為1；t表示波束組合的數(shù)量，xmidx表示波束數(shù)量為m的所有波束組合xm中的第idx個波束組合，即

9、步驟1-2，根據(jù)使用貝葉斯優(yōu)化方式估計下一個要讀取的波束組合v表示波束在ball中的索引，其下標表示波束在波束組合中的索引，且ν1≠v2≠…≠vm；

10、步驟1-3，使用基于盤點標志位加速的讀取方式讀取xm*中的波束，將xm*的可讀取標簽集合加入波束組合可讀取標簽集合

11、步驟1-4，根據(jù)波束組合可讀取標簽集合的變化情況決定是否結(jié)束初始化。

12、本步驟通過貝葉斯的方式加速了波束成形中波束搜索的過程，為后續(xù)步驟提供了有效的波束集合，減少了方法執(zhí)行所需要的時間。

13、本發(fā)明步驟1-1中所述基于盤點標志位加速的讀取方式包括：

14、步驟1-1-1，生成c1g2標準下的query命令，設(shè)置session為3，盤點標志位a，幀長q足夠大，為環(huán)境中標簽數(shù)量的預(yù)估，默認值為8；

15、步驟1-1-2，使用c1g2標準下的query命令進行讀取，判斷是否還有標簽?zāi)鼙蛔x取，是則繼續(xù)讀取，否則執(zhí)行步驟1-1-3；

16、步驟1-1-3，生成c1g2標準下的select命令，設(shè)置session為3，action為001，mask為空，將標簽盤點標志位恢復(fù)為a。

17、本步驟通過c1g2標準下的盤點標志位，使得可讀取標簽只響應(yīng)一次，在之后的讀取中靜默，讓出信道給其余標簽，減少所有標簽被讀取的時間。

18、本發(fā)明步驟1-2中所述的貝葉斯優(yōu)化方式包括：

19、步驟1-2-1，計算波束組合可讀取標簽集合中各元素模的γ分位點y*，即波束組合可讀取標簽集合所有波束組合中可讀取標簽數(shù)量第大的值，0≤γ≤1；

20、步驟1-2-2，使用y*將波束組合可讀取標簽集合劃分為兩個部分，分別構(gòu)建核密度估計器l(x)和g(x)；

21、步驟1-2-3，使用ei采集函數(shù)推斷下一次要讀取的波束組合xm*，即尋找波束組合xm*，使得g(xm*)/l(xm*)最大。

22、本步驟通過將波束組合的讀取標簽集合劃分為兩個部分分別建模，可以得到更精確的分布密度函數(shù)刻畫，從而使得ei采集函數(shù)推斷的波束組合能夠讀取到更多標簽的數(shù)學期望最大，有益于減少嘗試使用波束讀取的次數(shù)，降低時間開銷。

23、本發(fā)明步驟1-2-2中所述構(gòu)建高斯核密度估計器l(x)和g(x)的方式包括：取讀取標簽數(shù)量小于y*的所有n-個波束組合構(gòu)成集合計算其高斯核密度估計器取讀取標簽數(shù)量大于y*的所有n+個波束組合計算其高斯核密度估計器其中index()函數(shù)表示取索引值，h-和h+表示為核密度估計的窗口大小，用于估計的x滿足x-h-≤index(xm-)≤x+h-，x-h+≤index(xm+)≤x+h+；h-＝1.06σ-n-，σ-表示波束組合xm-中n-個波束索引的標準差；h+＝1.06σ+n+，σ+表示波束組合xm+中n+個波束索引的標準差。

24、本發(fā)明步驟1-3中所述讀取x*中的波束的方式包括：對于波束組合x*中未讀取過的波束beff，將這些波束并入有效波束集合beff。使用基于盤點標志位加速的讀取方式讀取，將其可讀取標簽集合并入rsall，并與x*中已知可讀取標簽的波束合并，獲得波束組合xm*的可讀取標簽集合將并入

25、本發(fā)明步驟1-4中所述根據(jù)的變化情況決定是否結(jié)束初始化包括：

26、步驟1-4-1，若中元素的并集，即所有波束組合可讀取標簽的集合連續(xù)ε次未發(fā)生變化，ε≥1，視n以及環(huán)境復(fù)雜程度設(shè)置，執(zhí)行步驟1-4-2，否則執(zhí)行步驟1-2；

27、步驟1-4-2，若m＝n或連續(xù)次總的讀取標簽次數(shù)未發(fā)生變化，則結(jié)束初始化，視n以及環(huán)境復(fù)雜程度設(shè)置；否則增大波束組合的波束數(shù)量，即m＝m+1，使用有效波束集合beff，通過組合的方式重初始化執(zhí)行步驟1-2。

28、該步驟通過不同數(shù)量波束的波束組合，使用貝葉斯方式在不同的真實分布上進行建模和推斷，可以從更廣泛的空間中搜索波束，減少局部最優(yōu)導(dǎo)致的有效波束遺漏，確保讀取率。

29、本發(fā)明步驟2包括：

30、步驟2-1，探測每個標簽的讀取速度，使用session0和fm0編碼，每個波束持續(xù)相同的時間；

31、步驟2-2，設(shè)置所有標簽讀取速度中位數(shù)的三分之一作為劃分閾值，將標簽集合劃分為易讀標簽集合和難讀對標簽集合；當標簽讀取速度小于劃分閾值時，標簽被分為難讀標簽，放入難讀標簽集合hsall中；否則，標簽為易讀標簽。

32、本發(fā)明步驟3中所述基于集合覆蓋模型的均衡讀取方式包括：

33、步驟3-1，對于一個波束beff∈beff，根據(jù)步驟1獲取的波束的可讀取標簽集合定義未完成均衡讀取標簽集合其中rct表示標簽t的讀取次數(shù)，k表示均衡讀閾值，取值為100≤k≤500；難讀標簽集合以最小化無效讀取速度指標irr為目標，選擇最少的掩碼覆蓋波束beff的未完成均衡讀取標簽集合

34、步驟3-2，執(zhí)行步驟3-1，直至所有波束的最優(yōu)掩碼都被計算。

35、步驟3-3，根據(jù)步驟3-2的結(jié)果，以覆蓋所有未完成均衡讀取標簽的集合ufsall＝{t|rct≤k,t∈rsall}為約束，選擇整體無效讀取速度最小的波束集合b′。

36、本發(fā)明步驟3-1掩碼選擇包括：

37、步驟3-1-1，根據(jù)可讀取標簽集合計算每一個標簽的候選掩碼candidatemaskt，得到所有的候選掩碼集

38、步驟3-1-2，計算每一個掩碼的有效讀取速度err值，具體而言，對于掩碼mask公式為：其中mask∈m，ss(mask)表示mask能夠匹配的標簽集合(標簽為波束beff可讀取到的標簽)，ufsall表示所有波束未完成均衡讀取標簽集合的并集，rr表示整體讀取速度，w(t)為權(quán)重函數(shù)，當t為難讀標簽時值為1，否則為q,q<1；

39、步驟3-1-3，依次從m中選取err值最大的掩碼mask′加入結(jié)果集合m′，直至m′中所有的波束的掩碼可以匹配全局未完成均衡讀取標簽集合ufs中的所有標簽。

40、該步驟通過err為每個波束選擇最小的掩碼集合，對已完成均衡讀取的標簽進行過濾，使得時隙被更加充分地利用于未完成均衡讀取的標簽。

41、本發(fā)明步驟3-1-1計算候選掩碼集合包括：

42、步驟3-1-1-1，使用滑動窗口的方式獲得標簽t長度為l的所有子串集合sl，1≤l≤l，l為epc可區(qū)分部分長度；

43、步驟3-1-1-2，將獲得的子串集合sl并入candidatemaskt；

44、步驟3-1-1-3，l＝l+1，將candidatemaskt并入集合m；判斷長度l是否大于epc可區(qū)分部分長度l，是則執(zhí)行步驟3-1-1-4，否則執(zhí)行步驟3-1-1-1；

45、步驟3-1-1-4，判斷標簽t是否為需要遍歷的最后一個標簽，是則結(jié)束計算候選掩碼集；否則l＝1，執(zhí)行步驟3-1-1-1。

46、該步驟的有益效果在于，通過已知標簽epc生成候選掩碼集合，大幅度減小了候選掩碼集合原本的搜索空間，加快方法執(zhí)行速度。

47、本發(fā)明步驟3-3選擇波束集合包括：

48、步驟3-3-1，計算每個波束beff的無效讀取速度

49、步驟3-3-2，依次選取irr值最小的波束加入波束集合b′，直至波束集合b′中所有的波束可讀取標簽集合能夠覆蓋ufsall中的所有標簽。

50、該步驟使用選取的波束集合讀取，能夠使未完成均衡讀取標簽的讀取速度盡可能快。

51、本發(fā)明步驟4使用選擇的掩碼和波束進行讀取包括：

52、利用c1g2協(xié)議中的query指令對目標標簽進行盤點，記錄每個標簽的讀取次數(shù)，判斷是否所有標簽的讀取次數(shù)達到均衡讀取閾值k，是則完成均衡讀取，否則返回步驟3執(zhí)行。

53、有益效果：

54、本發(fā)明提出一種基于波束成形的rfid均衡讀取方法，該方法通過貝葉斯優(yōu)化以及集合覆蓋模型，不僅能提升rfid系統(tǒng)的讀取率、讀全效率以及均衡讀取的效率，而且能兼容現(xiàn)有的rfid系統(tǒng)。