一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法技术方案

本发明专利技术属于射频通信技术领域，涉及一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法，该方法的步骤为：分析阅读器发射能级与辐射半径的关系，依据LANDMARC算法原理构建基于定位耗时的目标适应值函数，以系统中各阅读器位置作为寻优变量，以目标适应值函数最小化作为寻优目标，采用典型粒子群算法搭建寻优粒子模型，引入模拟退火算法改善寻优粒子模型的局部搜索能力和全局搜索能力，从而确定各阅读器的最优部署方式。本方法的特点是，综合LANDMARC算法原理和无源RFID的识别机理，构建适于无源超高频RFID定位的系统耗时粒子寻优模型，获得的阅读器部署方式能够有效改善系统的定位效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法
本专利技术属于射频通信
，涉及一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法。
技术介绍
近年来，无源超高频RFID系统凭借其非接触、非视距、高精度以及低成本的优势被广泛应用于室内定位中。作为基于RFID室内定位的主要解决方案，LANDMARC系统引入位置已知的参考标签进行辅助定位，比较参考标签和定位标签的场强信息欧氏距离，寻找近邻参考标签并依据经验权重公式实现定位标签的位置估计。相比于其他定位算法，LANDMARC算法具有低成本、高精度等特点。定位效率和定位精度是评价定位系统性能的重要指标。由于大部分无源RFID定位系统中参考标签的位置是固定的，当前研究热点主要集中在阅读器的优化部署。目前，典型无源超高频RFID阅读器只能以逐级递减的方式降低功率发射能级获取各个标签的最小能级，当阅读器和参考标签位置较近时，非必要的能级切换会引起不要的定位耗时，降低定位效率。因此，实现阅读器的优化部署从而提升定位效率，仍具有极大的实际意义。综上，本专利技术基于Friss功率损耗模型，建立阅读器功率发射能级与辐射半径的关系，通过分析阅读器的工作模式，构建基于定位耗时的目标适应值函数，以各阅读器位置作为寻优变量，以目标适应值函数最小化作为优化目标，采用典型粒子群算法搭建寻优粒子模型，引入模拟退火算法改善寻优粒子模型的局部搜索能力和全局搜索能力，从而确定各阅读器的最优部署方式。依据上述内容，本专利技术提出了一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法。
技术实现思路
本专利技术需解决的问题是提出一种基于无源RFID定位系统的阅读器优化部署方法。基于该方法，能够实现阅读器的优化部署，有效地提升系统定位效率。1、一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法，包括下列步骤：步骤1：定位效率作为定位系统中的重要性能指标之一，通常以定位耗时作为评价标准。在无源超高频RFID定位系统中，阅读器以逐级递减功率发射能级的工作方式获取各标签的收信场强，阅读器的位置将直接决定读取全部标签所需的能级切换次数，从而影响系统的定位耗时。为了确定系统中各阅读器读取标签所需的能级切换次数，需结合Friss功率损耗模型，设定阅读器的发射功率Pt对应的最大辐射半径R、参考半径R0、信号波长λ、路径损耗系数ε、无源标签激活门限值Pr、阅读器天线增益Gr、标签天线增益Gt、相邻功率发射能级的功率步长Ip、高斯分布的环境噪声Xσ，以建立阅读器的发射能级和辐射半径的关系步骤2：依据LANDMARC算法中阅读器发射能级逐级递减的工作原理和系统阅读器的典型并行工作模式，获取系统的单次定位耗时Tl＝maxu∈[1，U]Tu+C·tc，其中tc表示单个标签的定位耗时，Tu表示第u个阅读器获取C个定位标签的能级信息的综合耗时，U表示系统阅读器的数量，l为定位服务的次序号；步骤3：依据系统多次定位服务的平均定位耗时构建目标适应值函数F(Ω)，其中优化向量Ω表示各阅读器位置；步骤4：以目标适应值函数最小化作为优化目标，建立寻优模型F(Ω)＝arg(min(T))，采用粒子群优化算法对寻优模型进行寻优，以均匀布设方式作为阅读器部署的初始状态，并生成初始粒子种群，定义各阅读器的初始优化速度和寻优半径，同时引入最大进化速度Vmax提高优化效果，在目标函数中引入罚函数Q防止优化过程中阅读器的位置超出寻优半径的范围；步骤5：依据粒子群算法更新各阅读器的位置和优化速度，在第τ代繁殖过程中，记录当前繁殖状态的种群局部极值的平均值F(Pbestτ)avg和全局极值F(Gbestτ)，其中Pbestτ、Gbestτ分别表示第τ代繁殖的局部极值和全局极值对应的粒子状态，即一组系统阅读器的部署位置；步骤6：为进一步平衡粒子群优化算法的局部搜索能力和全局搜索能力，引入模拟退火算法动态地调整粒子速度更新权重，计算第τ次繁殖状态的退火温度ξτ＝[F(Pbestτ)avg/F(Gbestτ)]-1；步骤7：依据退火温度ξτ、当前繁殖状态的全局极值F(Gbestτ)和前一代繁殖状态的全局极值F(Gbestτ-1)，计算第τ次迭代的退火概率p，若F(Gbestτ-1)≤F(Gbestτ)，令p＝1，若F(Gbestτ-1)＞F(Gbestτ)，令步骤8：依据当前繁殖状态的退火概率，调节粒子速度的更新权重ω，若p≥β，令ω＝α1+0.5β，若p＜β，令ω＝α2+0.5β，其中α1和α2固定参数，且满足0＜α2＜α1＜1，β为取值介于0和1的预设参数；步骤9：依据步骤8所选取的权重系数，执行步骤5进行下一代繁殖寻优实时更新粒子状态和速度，然后依次执行步骤6至步骤8依据种群实时状态进行权重系数的调整。当迭代次数达到预设的最大值或全局极值满足预设的耗时要求时停止寻优；步骤10：以粒子群全局极值对应的粒子状态作为阅读器的最优部署方式，完成实际部署，结束寻优进程。附图说明：图1是本专利技术基于定位耗时模型的目标适应值函数的构建流程图；图2是本专利技术引入模拟退火算法的改进粒子群算法的流程图；图3是在定位标签集中的环境下的阅读器的最优部署位置；图4是在定位标签分散的环境下的阅读器的最优部署位置；图5是在定位标签集中的环境下的阅读器分别位于初始位置和最优位置时的定位耗时对比图；图6是在定位标签分散的环境下的阅读器分别位于初始位置和最优位置时的定位耗时对比图；具体实施方式：本专利技术的主旨是提出一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法，该方法获得的阅读器部署方式能够有效地提升系统的定位效率。下面结合附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。一、阅读器的功率发射能级和辐射半径映射关系的建立基于Friss功率损耗模型，可得阅读器的发射功率Pt对应的最大辐射半径R其中R0表示参考半径，λ表示信号波长，ε表示路径损耗系数，Pr表示无源标签激活门限值，Gr表示阅读器天线增益、Gt表示标签天线增益。设定最小和最大的离散能级数分别为1和Gmax，阅读器的最大发射功率Pmax，相邻功率发射能级的功率步长为Ip，可得阅读器在第j个能级下的发射功率引入服从高斯分布的环境噪声Xσ，建立阅读器的功率发射能级和辐射半径映射关系：二、基于系统平均定位耗时的目标适应值函数的构建设定系统阅读器以典型并行工作模式工作，对于系统的单次定位耗时Tl有：Tl＝maxu∈[1，U]Tu+C·tc(4)其中l表示定位服务的次序号，tc表示单个标签的定位耗时，U表示系统阅读器个数，Tu表示第u个阅读器获取C个定位标签的能级信息的综合耗时，有其中，J表示采用ALOHA算法的耗时函数，δ为时隙个数，分别表示第u个阅读器工作在第j个能级下的参考标签数目和定位标签数目，tz表示相邻能级间的切换时间，且当第u阅读器工作降低了hu个能级后，不再有定位标签被读到，此时第u阅读器停止发射功率信号，切换至休眠模式，结束定位操作。设定定位次数L，得到系统的平均定位耗时从而构建目标适应值函数F(Ω)，其中Ω表示各阅读位置，F(Ω)即表示各阅读器置于不同位置时的系统平均定位耗时。附图1所示为基于定位耗时模型的目标适应值函数的构建流程图。三、基于模拟退火的改进粒子群算法以目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法，包括下列步骤：步骤1：定位效率作为定位系统中的重要性能指标之一，通常以定位耗时作为评价标准，在无源超高频RFID定位系统中，阅读器以逐级递减功率发射能级的工作方式获取各标签的收信场强，阅读器的位置将直接决定读取全部标签所需的能级切换次数，从而影响系统的定位耗时，为了确定系统中各阅读器读取标签所需的能级切换次数，需结合Friss功率损耗模型，设定阅读器的发射功率Pt对应的最大辐射半径R、参考半径R0、信号波长λ、路径损耗系数ε、无源标签激活门限值Pr、阅读器天线增益Gr、标签天线增益Gt、相邻功率发射能级的功率步长Ip、高斯分布的环境噪声Xσ，以建立阅读器的发射能级和辐射半径的关系步骤2：依据LANDMARC算法中阅读器发射能级逐级递减的工作原理和系统阅读器的典型并行工作模式，获取系统的单次定位耗时Tl＝maxu∈[1，U]Tu+C·tc，其中tc表示单个标签的定位耗时，Tu表示第u个阅读器获取C个定位标签的能级信息的综合耗时，U表示系统阅读器的数量，l为定位服务的次序号；步骤3：依据系统多次定位服务的平均定位耗时构建目标适应值函数F(Ω)，其中优化向量Ω表示各阅读器位置；步骤4：以目标适应值函数最小化作为优化目标，建立寻优模型 F(Ω)＝arg(min(T))，采用粒子群算法对寻优模型进行寻优，以均匀布设方式作为阅读器部署的初始状态，并生成初始粒子种群，定义各阅读器的初始优化速度和寻优半径，同时引入最大进化速度Vmax提高优化效果，在目标函数中引入罚函数Q防止优化过程中阅读器的位置超出寻优半径的范围；步骤5：依据粒子群算法更新各阅读器的位置和优化速度，以第τ代繁殖为例，记录当前繁殖状态的种群局部极值的平均值F(Pbestτ)avg和全局极值F(Gbestτ)，其中Pbestτ、Gbestτ分别表示第τ代繁殖的局部极值和全局极值对应的粒子状态，即一组系统阅读器的部署位置；步骤6：为进一步平衡粒子群算法的局部搜索能力和全局搜索能力，引入模拟退火算法动态地调整粒子速度更新权重，计算第τ次繁殖状态的退火温度ξτ＝[F(Pbestτ)avg/F(Gbestτ)]‑1；步骤7：依据退火温度ξτ、当前繁殖状态的全局极值F(Gbestτ)和前一代繁殖状态的全局极值F(Gbestτ‑1)，计算第τ次迭代的退火概率p，若F(Gbestτ‑1)≤F(Gbestτ)，令p＝1，若F(Gbestτ‑1)＞F(Gbestτ)，令步骤8：依据当前繁殖状态的退火概率，调节粒子速度的更新权重ω，若p≥β，令ω＝α1+0.5β，若p＜β，令ω＝α2+0.5β，其中α1和α2固定参数，且满足0＜α2＜α1＜1，β为取值介于0和1的预设参数；步骤9：依据步骤8所选取的权重系数，执行步骤5进行下一代繁殖寻优实时更新粒子状态和速度，然后依次执行步骤6至步骤8依据种群实时状态进行权重系数的调整，当迭代次数达到预设的最大值或全 局极值满足预设的耗时要求时停止寻优；步骤10：以粒子群全局极值对应的粒子状态作为阅读器的最优部署方式，完成实际部署，结束寻优进程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无源超高频RFID定位系统的阅读器优化部署方法，包括下列步骤：步骤1：定位效率作为定位系统中的重要性能指标之一，通常以定位耗时作为评价标准，在无源超高频RFID定位系统中，阅读器以逐级递减功率发射能级的工作方式获取各标签的收信场强，阅读器的位置将直接决定读取全部标签所需的能级切换次数，从而影响系统的定位耗时，为了确定系统中各阅读器读取标签所需的能级切换次数，需结合Friss功率损耗模型，设定阅读器的发射功率Pt对应的最大辐射半径R、参考半径R0、信号波长λ、路径损耗系数ε、无源标签激活门限值Pr、阅读器天线增益Gr、标签天线增益Gt、相邻功率发射能级的功率步长Ip、高斯分布的环境噪声Xσ，以建立阅读器的发射能级和辐射半径的关系步骤2：依据LANDMARC算法中阅读器发射能级逐级递减的工作原理和系统阅读器的典型并行工作模式，获取系统的单次定位耗时Tl＝maxu∈[1，U]Tu+C·tc，其中tc表示单个标签的定位耗时，Tu表示第u个阅读器获取C个定位标签的能级信息的综合耗时，U表示系统阅读器的数量，l为定位服务的次序号；步骤3：依据系统多次定位服务的平均定位耗时构建目标适应值函数F(Ω)，其中优化向量Ω表示各阅读器位置；步骤4：以目标适应值函数最小化作为优化目标，建立寻优模型F(Ω)＝arg(min(T))，采用粒子群算法对寻优模型进行寻优，以均匀布设方式作为阅读器部署的初始状态，并生成初始粒子种群，定义各阅读器的初始优化速度和寻优半径，同时引入最大进化速度Vmax提高优化效果，在目标函数中引入罚函数Q防止优化过程中阅读器的位置超出寻优半径的范围；步骤5：依据粒子群算法更新各阅读器的位置和优化速度，在第τ代繁殖过程中，记录当前繁殖状态的种群局部极值的平均值F(Pbestτ)avg和全局极值F(Gbestτ)，其中Pbestτ、Gbestτ分别表示第τ代繁殖的局部极值和全局极值对应的粒子状态，即一组系统阅读器的部署位置；步骤6：为进一步平衡粒子群算法的局部搜索能力和全局搜索能力，引入模拟退火算法动态地调整粒子速度更新权重，计算第τ次繁殖状态的退火温度ξτ＝[F(Pbestτ)avg/F(Gbestτ)]-1；步骤7：依据退火温度ξτ、当前繁殖状态的全局极值F(Gbestτ)和前一代繁殖状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：史伟光，韩晓迪，祁晓丽，李建雄，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12