一種基于無(wú)源超高頻rfid定位系統(tǒng)的閱讀器優(yōu)化部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于射頻通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于無(wú)源超高頻RFID定位系統(tǒng)的閱讀 器優(yōu)化部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，無(wú)源超高頻RFID系統(tǒng)憑借其非接觸、非視距、高精度以及低成本的優(yōu)勢(shì) 被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位中。作為基于RFID室內(nèi)定位的主要解決方案，LANDMARC系統(tǒng)引 入位置已知的參考標(biāo)簽進(jìn)行輔助定位，比較參考標(biāo)簽和定位標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)信息歐氏距離，尋 找近鄰參考標(biāo)簽并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)權(quán)重公式實(shí)現(xiàn)定位標(biāo)簽的位置估計(jì)。相比于其他定位算法， LANDMARC算法具有低成本、高精度等特點(diǎn)。
[0003] 定位效率和定位精度是評(píng)價(jià)定位系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。由于大部分無(wú)源RFID定 位系統(tǒng)中參考標(biāo)簽的位置是固定的，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在閱讀器的優(yōu)化部署。目前，典 型無(wú)源超高頻RFID閱讀器只能以逐級(jí)遞減的方式降低功率發(fā)射能級(jí)獲取各個(gè)標(biāo)簽的最小 能級(jí)，當(dāng)閱讀器和參考標(biāo)簽位置較近時(shí)，非必要的能級(jí)切換會(huì)引起不要的定位耗時(shí)，降低定 位效率。因此，實(shí)現(xiàn)閱讀器的優(yōu)化部署從而提升定位效率，仍具有極大的實(shí)際意義。
[0004] 綜上，本發(fā)明基于Friss功率損耗模型，建立閱讀器功率發(fā)射能級(jí)與輻射半徑的 關(guān)系，通過(guò)分析閱讀器的工作模式，構(gòu)建基于定位耗時(shí)的目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)，以各閱讀器位置 作為尋優(yōu)變量，以目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，采用典型粒子群算法搭建尋優(yōu)粒 子模型，引入模擬退火算法改善尋優(yōu)粒子模型的局部搜索能力和全局搜索能力，從而確定 各閱讀器的最優(yōu)部署方式。依據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明提出了一種基于無(wú)源超高頻RFID定位系 統(tǒng)的閱讀器優(yōu)化部署方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明需解決的問(wèn)題是提出一種基于無(wú)源超高頻RFID定位系統(tǒng)的閱讀器優(yōu)化部 署方法?；谠摲椒ǎ軌?qū)崿F(xiàn)閱讀器的優(yōu)化部署，有效地提升系統(tǒng)定位效率。
[0006] 1、一種基于無(wú)源超高頻RFID定位系統(tǒng)的閱讀器優(yōu)化部署方法，包括下列步驟：
[0007] 步驟1 :定位效率作為定位系統(tǒng)中的重要性能指標(biāo)之一，通常以定位耗時(shí)作為評(píng) 價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)源超高頻RFID定位系統(tǒng)中，閱讀器以逐級(jí)遞減功率發(fā)射能級(jí)的工作方式獲取 各標(biāo)簽的收信場(chǎng)強(qiáng)，閱讀器的位置將直接決定讀取全部標(biāo)簽所需的能級(jí)切換次數(shù)，從而影 響系統(tǒng)的定位耗時(shí)。為了確定系統(tǒng)中各閱讀器讀取標(biāo)簽所需的能級(jí)切換次數(shù)，需結(jié)合Friss 功率損耗模型，設(shè)定閱讀器的發(fā)射功率Pt對(duì)應(yīng)的最大輻射半徑R、參考半徑R。、信號(hào)波長(zhǎng)λ、 路徑損耗系數(shù)ε、無(wú)源標(biāo)簽激活門限值匕、閱讀器天線增益匕、標(biāo)簽天線增益Gt、相鄰功率 發(fā)射能級(jí)的功率步長(zhǎng)Ip、高斯分布的環(huán)境噪聲X。，以建立閱讀器的發(fā)射能級(jí)和輻射半徑的
[0008] 步驟2:依據(jù)LANDMARC算法中閱讀器發(fā)射能級(jí)逐級(jí)遞減的工作原理和系統(tǒng)閱讀器 的典型并行工作模式，獲取系統(tǒng)的單次定位耗時(shí)?\=maxuEfl,WTU+C·t。，其中t。表示單個(gè) 標(biāo)簽的定位耗時(shí)，Tu表示第u個(gè)閱讀器獲取C個(gè)定位標(biāo)簽的能級(jí)信息的綜合耗時(shí)，U表示系 統(tǒng)閱讀器的數(shù)量，1為定位服務(wù)的次序號(hào)；
[0009] 步驟3:依據(jù)系統(tǒng)多次定位服務(wù)的平均定位耗時(shí)Γ= /_L，構(gòu)建目標(biāo)適應(yīng) 值函數(shù)F(Q)，其中優(yōu)化向量Ω表示各閱讀器位置；
[0010] 步驟4:以目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，建立尋優(yōu)模型F(Q)= arg(min(T))，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)尋優(yōu)模型進(jìn)行尋優(yōu)，以均勻布設(shè)方式作為閱讀器部署 的初始狀態(tài)，并生成初始粒子種群，定義各閱讀器的初始優(yōu)化速度和尋優(yōu)半徑，同時(shí)引入最 大進(jìn)化速度乂_提高優(yōu)化效果，在目標(biāo)函數(shù)中引入罰函數(shù)Q防止優(yōu)化過(guò)程中閱讀器的位置 超出尋優(yōu)半徑的范圍；
[0011] 步驟5 :依據(jù)粒子群算法更新各閱讀器的位置和優(yōu)化速度，以第τ代繁殖為例， 記錄當(dāng)前繁殖狀態(tài)的種群局部極值的平均值F(PbestT)avg和全局極值F(Gbestτ)，其中 Pbest'Gbest1分別表示第τ代繁殖的局部極值和全局極值對(duì)應(yīng)的粒子狀態(tài)，即一組系 統(tǒng)閱讀器的部署位置；步驟6 :為進(jìn)一步平衡粒子群優(yōu)化算法的局部搜索能力和全局搜索 能力，引入模擬退火算法動(dòng)態(tài)地調(diào)整粒子速度更新權(quán)重，計(jì)算第τ次繁殖狀態(tài)的退火溫度 ξτ= [F(PbestT)avg/F(GbestT)]-l；
[0012] 步驟7 :依據(jù)退火溫度ξτ、當(dāng)前繁殖狀態(tài)的全局極值F(GbestT)和前一代繁殖狀 態(tài)的全局極值F(GbestT 計(jì)算第τ次迭代的退火概率p，若F(GbestT 3 <F(GbestT)， 令p= 1，若F(Gbestτ 3 >F(Gbestτ)，令
[0014]步驟8:依據(jù)當(dāng)前繁殖狀態(tài)的退火概率，調(diào)節(jié)粒子速度的更新權(quán)重ω，若p多β， 令ω=ai+0. 5β，若ρ<β，令ω=α2+〇· 5β，其中α挪α2固定參數(shù)，且滿足〇<α2 <a1，β為取值介于〇和1的預(yù)設(shè)參數(shù)；
[0015] 步驟9:依據(jù)步驟8所選取的權(quán)重系數(shù)，執(zhí)行步驟5進(jìn)行下一代繁殖尋優(yōu)實(shí)時(shí)更新 粒子狀態(tài)和速度，然后依次執(zhí)行步驟6至步驟8依據(jù)種群實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的調(diào)整。當(dāng) 迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值或全局極值滿足預(yù)設(shè)的耗時(shí)要求時(shí)停止尋優(yōu)；
[0016] 步驟10 :以粒子群全局極值對(duì)應(yīng)的粒子狀態(tài)作為閱讀器的最優(yōu)部署方式，完成實(shí) 際部署，結(jié)束尋優(yōu)進(jìn)程。
【附圖說(shuō)明】：
[0017] 圖1是本發(fā)明基于定位耗時(shí)的目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)的構(gòu)建流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明引入模擬退火算法的改進(jìn)粒子群算法的流程圖；
[0019]圖3是在定位標(biāo)簽集中的環(huán)境下的閱讀器的最優(yōu)部署位置；
[0020] 圖4是在定位標(biāo)簽分散的環(huán)境下的閱讀器的最優(yōu)部署位置；
[0021] 圖5是在定位標(biāo)簽集中的環(huán)境下的閱讀器分別位于初始位置和最優(yōu)位置時(shí)的定 位耗時(shí)對(duì)比圖；
[0022] 圖6是在定位標(biāo)簽分散的環(huán)境下的閱讀器分別位于初始位置和最優(yōu)位置時(shí)的定 位耗時(shí)對(duì)比圖；
【具體實(shí)施方式】：
[0023] 本發(fā)明的主旨是提出一種基于無(wú)源超高頻RFID定位系統(tǒng)的閱讀器優(yōu)化部署方 法，該方法獲得的閱讀器部署方式能夠有效地提升系統(tǒng)的定位效率。
[0024] 下面結(jié)合附圖1、附圖2、附圖3、附圖4、附圖5、附圖6對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0025] -、閱讀器的功率發(fā)射能級(jí)和輻射半徑映射關(guān)系的建立
[0026] 基于Friss功率損耗模型，可得閱讀器的發(fā)射功率Pt對(duì)應(yīng)的最大輻射半徑R
[0028] 其中R。表示參考半徑，λ表示信號(hào)波長(zhǎng)，ε表示路徑損耗系數(shù)，表示無(wú)源標(biāo)簽 激活門限值，t表示閱讀器天線增益、Gt表示標(biāo)簽天線增益。
[0029] 設(shè)定最小和最大的離散能級(jí)數(shù)分別為1和Gmax，閱讀器的最大發(fā)射功率Pmax，相鄰 功率發(fā)射能級(jí)的功率步長(zhǎng)為IP，可得閱讀器在第j個(gè)能級(jí)下的發(fā)射功率
[0031]引入服從高斯分布的環(huán)境噪聲X。，建立閱讀器的功率發(fā)射能級(jí)和輻射半徑映射關(guān) 系：
[0033] 二、基于系統(tǒng)平均定位耗時(shí)的目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)的構(gòu)建
[0034] 設(shè)定系統(tǒng)閱讀器以典型并行工作模式工作，對(duì)于系統(tǒng)的單次定位耗時(shí)1\有：
[0035] =maxuewTu+C·tc (4)
[0036] 其中1表示定位服務(wù)的次序號(hào)，t。表示單個(gè)標(biāo)簽的定位耗時(shí)，U表示系統(tǒng)閱讀器個(gè) 數(shù)，Tu表示第u個(gè)閱讀器獲取C個(gè)定位標(biāo)簽的能級(jí)信息的綜合耗時(shí)，有
[0038] 其中，J表示采用ALOHA算法的耗時(shí)函數(shù)，δ為時(shí)隙個(gè)數(shù)，分別表示第 u個(gè)閱讀器工作在第j個(gè)能級(jí)下的參考標(biāo)簽數(shù)目和定位標(biāo)簽數(shù)目，tz表示相鄰能級(jí)間的切 換時(shí)間，且當(dāng)?shù)趗閱讀器工作降低了hu個(gè)能級(jí)后，不再有定位標(biāo)簽被讀到，此時(shí)第u閱讀器 停止發(fā)射功率信號(hào)，切換至休眠模式，結(jié)束定位操作。
[0039] 設(shè)定定位次數(shù)L，得到系統(tǒng)的平均定位耗時(shí)Γ=TLTl/L ，從而構(gòu)建目標(biāo)適應(yīng) 值函數(shù)F(Q)，其中Ω表示各閱讀位置，F(xiàn)(Q)即表示各閱讀器置于不同位置時(shí)的系統(tǒng)平均 定位耗時(shí)。
[0040] 附圖1所示為基于定位耗時(shí)的目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)的構(gòu)建流程圖。
[0041] 三、引入模擬退火算法的改進(jìn)粒子群算法
[0042] 以目標(biāo)適應(yīng)值函數(shù)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，建立尋優(yōu)模型
[0043] F(Ω) =arg(min(T)) (6)
[0044] 采用粒子群算法對(duì)尋優(yōu)模型進(jìn)行尋優(yōu)，以均勻布設(shè)方式作為閱讀器部署的初始狀 態(tài)并生成初始粒子種群
[0045] Z=[ZiZ2 . . .ZW]T (7)
[0046] 其中，Ζφ2…表示粒子0中各閱讀器的初始位置，W為粒 子總數(shù)，依據(jù)粒子群算法定義各閱讀器的初始優(yōu)化速度以更新初始粒子種群。
[0047] 依據(jù)式⑶對(duì)優(yōu)化速度進(jìn)行限制以提高優(yōu)化效果，設(shè)定最大優(yōu)化速度V_服從
[0048] V_=q·S (8)
[0049] 其中η為限制因子，s為各閱讀器的尋優(yōu)半徑。
[0050] 為了