本发明专利技术提出了一种三维空间中大规模RFID阅读器的部署算法，其特征在于，该算法采取量化的方法，将三维空间中的读写器模型和待覆盖区域模型分别转化为三维矩阵，然后利用矩阵理论，将读写器部署问题转换成三维矩阵的部署问题。同时针对阅读器天线有传播方向的差异问题，提出了使用旋转矩阵来构建读写器三维覆盖模型矩阵组的方法，以此来映射读写器天线的摆放。并且给出了该部署策略中计算部署性能指标：覆盖率和重叠率的方法。最后针对RFID阅读器的部署，该算法提出了一种基于淘汰规则的粒子群算法的改进型策略，该策略加入了阅读器越界检测和淘汰机制，对标准粒子群算法做出了改进。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出了一种三维空间中大规模RFID阅读器的部署算法，其特征在于，该算法采取量化的方法，将三维空间中的读写器模型和待覆盖区域模型分别转化为三维矩阵，然后利用矩阵理论，将读写器部署问题转换成三维矩阵的部署问题。同时针对阅读器天线有传播方向的差异问题，提出了使用旋转矩阵来构建读写器三维覆盖模型矩阵组的方法，以此来映射读写器天线的摆放。并且给出了该部署策略中计算部署性能指标：覆盖率和重叠率的方法。最后针对RFID阅读器的部署，该算法提出了一种基于淘汰规则的粒子群算法的改进型策略，该策略加入了阅读器越界检测和淘汰机制，对标准粒子群算法做出了改进。【专利说明】三维空间中的大规模RFID阅读器的部署算法
本专利技术涉及一种三维空间中大规模RFID阅读器的部署算法。首先该算法对RFID阅读器进行三维建模，将RFID阅读器在三维空间中的部署这个NP-hard问题转化为三维矩阵的部署问题，依据常见的超高频RFID阅读器的电磁传播模型，建立了三维矩阵化的阅读器模型，该模型在部署仿真中实现简单、计算复杂度低，同时提出了一种基于淘汰规则的改进型粒子群优化算法，该算法加入了阅读器覆盖的越界检测和对种群中不良粒子的舍弃，相比标准粒子群优化算法，该算法不仅可以检测出部署在覆盖区域外的无效阅读器，将其重新纳入目标区域内，而且还能避免种群陷入局部最优解，保持粒子的活性。
技术介绍
RFID是英文Radio Frequency Identif ication的缩写，即无线射频识别。是一种非接触式的自动识别技术，它利用交变电磁场进行数据、信息的传递，具有其他自动识别技术所不具备的优势，如快速、可靠、安全性强、可同时读取多个目标等。目前被广泛应用于仓储、物流、门禁、图书管理、交通运输等领域。阅读器是RFID系统中最重要和关键的部分，同时也是最复杂的一个组件。它的作用是通过发射无线射频信号来查询和修改标签信息的设备，是RFID系统数据采集的终端。阅读器一方面通过网口 RJ45、RS232串口或USB接口同计算机相连，另一方面通过天线与RFID标签进行通信。RFID阅读器可以和天线封装在一起，也可以外接天线，它分为手持式和固定式两种。RFID阅读器根据射频模块发出的载波的频率的不同，可以划分为低频阅读器、高频阅读器、超高频阅读器和微波频段阅读器等。一般常见的RFID系统工作频率有:125kHz、134.2kHz (低频)；13.56MHz (高频)；960MHz (超高频)。超高频RFID阅读器是目前应用较多的阅读器，该类天线大多使用微带天线(Microstrip Antenna) ,是由底层的导体接地板、中间的介质基片和上面贴加的导体薄片组成。所以也称为贴片天线(Patch Antenna)。典型超高频RFID阅读器的空间电磁福射模型由主瓣、副瓣组成，其中主瓣是其主要传播方向。该传播模型的主瓣是一个近似椭球体，我们称之为锥球体，它代表了阅读器在三维空间的电磁传播模型。与规则球体在空间中的覆盖不同，锥球体在空间中的部署是有方向性的，随着天线摆放角度的不同，锥球体的辐射方向也不同。目前RFID网络中对阅读器的部署主要集中在二维平面的研究，有少量针对三维RFID网络的规划也是将三维覆盖转换为到二维平面再进行解决；而目前研究较多的三维无线传感器网络覆盖问题，大部分方法是在确定性部署的前提下，将节点按一定的规则进行排列，如简单堆积、体心立方堆积、面心立方堆积等。该方法仅适用于解决节点覆盖模型为简单球型的情况。粒子群优化算法(ParticleSwarm Optimization, PS0)是美国科学家 JamesKennedy和Russell Eberhart受鸟类觅食行为启发提出的一种群集智能算法。PSO类似于著名的遗传算法(GA)，也是一种基于群体智能的优化算法，与遗传算法相比，它没有遗传算法中基因和染色体的交叉(crossover)、变异(mutation)等操作，因此相比GA, PSO具有简单、易实现的优点，在科学研究、工程计算领域得以广泛应用。由于RFID阅读器天线电磁传播模型是不规则的，而且在有些部署场景中存在覆盖区域不规则或不连续的情况。因此我们无法将RFID阅读器的部署位置严格限定在覆盖区域的内部；或者即使将阅读器限制在覆盖区域内部也无法获得好的覆盖效果。这种阅读器叫做越界阅读器。标准PSO是一种随机搜索型算法，其优点是算法在迭代的初期能够快速收敛，但是到了算法迭代的后期，所有的粒子都向群体中的最优粒子靠拢，粒子与粒子之间位置的差异逐渐减小，且粒子的速度由初始时的速度逐渐趋于零，此时的粒子由于缺乏活性，失去了探索新空间的能力，算法很容易就陷入到局部极值中。而且这种现象不能随算法迭代次数的增加获得明显改善。因此很多标准粒子群算法的改进研究出现了，目前对粒子群算法的改进主要有四类:参数选择、粒子群初始化、领域拓扑和混合策略。淘汰机制就是针对标准粒子群算法在迭代后期容易陷入局部最优解的现象而建立的。
技术实现思路
本专利技术提出了一种三维空间中大规模RFID阅读器的部署算法，通过对不同三维部署场景进行的仿真实验结果表明，该算法具有良好的部署效果。首先将阅读器覆盖模型放入一个立方体区域，然后通过对这个区域进行量化，将该区域变换成一个每维长度都为η的(0、1)矩阵，矩阵中I的部分代表阅读器覆盖区域，O的部分代表没有被覆盖到的区域。同理再将需要覆盖的区域也装入一个更大的长方体中，并将其量化成一个每维长度分别为长方体长、宽、高的三维矩阵，矩阵中元素值为I的点表示需要覆盖的区域、矩阵中元素值为O的点表示不需要覆盖的区域，通过上述步骤，即完成了 RFID阅读器及覆盖区域的矩阵化工作。由于阅读器辐射场在空间中的传播是有方向的，因此，为了真实反映出这一特质，在对阅读器矩阵进行部署时，就必须考虑到这一参数对阅读器覆盖模型矩阵的影响。鉴于上述特点，采取了对三维阅读器覆盖矩阵M沿一条平行于ζ轴的直线旋转的方法，该直线定义为:通过阅读器矩阵M的中心点，且平行于ζ轴。阅读器的方向对应于阅读器覆盖矩阵M沿直线的旋转方向，根据阅读器方向的不同，可以生成新的矩阵，这些矩阵组合起来就是按不同角度摆放的三维阅读器覆盖矩阵组Μ( Θ )。在RFID读写器和覆盖区域分别进行量化并得到自己的三维矩阵后，通过矩阵叠加的方式，将阅读器矩阵循环叠加到部署矩阵中，将读写器部署问题转化为三维矩阵部署问题。利用该策略，可以大大简化阅读器部署环节中目标区域的覆盖率、重叠率等指标的计算难度，有利于快速评估RFID系统的覆盖性能。覆盖率和重叠率是衡量无线传感器网络、RFID网络及其它无线网络覆盖性能的重要指标。在多个阅读器的三维覆盖中，用传统方法计算覆盖率和重叠率是相当困难和不现实的。因此提出了一种将三维空间量化，并计算离散覆盖率和重叠率的策略，该策略计算简单，实现容易。覆盖率σ为:覆盖了一次和一次以上的点占所有覆盖到的点的比值。重叠率为3:覆盖了两次和两次以上的点占所有覆盖到的点的比值。由于粒子群算法的初始化是随机生成每个粒子的初始位置的，如果待覆盖区域又是不规则模型，在阅读器个数比较多的情况下，出现这种越界阅读器的可能性就会很高。而PSO在迭代过程中没有将这些阅读器更新本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周世杰，罗嘉庆，刘赟，周扬葓，邓伟伟，张萌洁，张悦涵，刘赟卓，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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