[發明專利]一種適于超高頻RFID定位系統的相控陣天線優化部署方法

在審

• 申請號: 202110015642.9
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN114742081A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 史偉光;雷麗君;王薇
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G06K7/10
• 分類號: G06K7/10;G06F30/17;G06F30/27;G06N3/00
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• 代理人: 暫無信息

1.一種適于超高頻RFID定位系統的相控陣天線優化部署方法，其具體步驟如下：

步驟1：建立基于相控陣天線和多徑效應的信道模型，準確估計閱讀器與標簽之間前向鏈路和后向鏈路中閱讀器所接收的收信場強值，假設射頻識別(Radio FrequencyIdentification，RFID)系統為單靜態系統，則前向鏈路中標簽所接收的收信場強P_r，T和后向鏈路中閱讀器所接收的收信場強P_r，R可分別表示為其中，κ為調制效率，μ_T為功率傳輸效率，ρ_L為極化損耗因子，P_Tx為閱讀器的發射功率，和分別表示直達路徑中標簽天線和閱讀器天線的增益，L(d)表示多徑條件下的路徑損耗因子，具體為表示距離向量，d₀為閱讀器與標簽在直達路徑上的距離，d_i為閱讀器與標簽在第i條反射路徑上的距離，K為反射路徑總數，λ為信號波長，η為路徑損耗因子，和分別表示第i條反射路徑中標簽天線與閱讀器天線的增益，Γ_i表示復反射系數；

步驟2：高精度的天線增益估計對于信道模型的建立至關重要，為精確增益估計建立分立條件下的天線增益模型，設定超高頻RFID系統采用半波偶極子天線作為標簽天線，采用相控陣天線作為閱讀器天線，假設所用半波偶極子天線符合理想尺寸條件，則標簽天線的增益可估計為G_T(θ_T，φ_T)＝1.641[cos²(0.5πcos(θ_T))]sin^-2(θ_T)，其中標簽天線的長邊位于Z軸，標簽天線的短邊位于X軸，為輻射方向，θ_T和φ_T為方向性參數，θ_T表示從到的傾斜角，φ_T表示從到在XOY面的投影之間的旋轉角，假設相控陣閱讀器天線的表面位于YOZ平面，質心位于坐標系的極點，則根據電磁場理論，閱讀器天線的增益G_R(θ_R，φ_R)可估計為G_R(θ_R，φ_R)＝eD(θ_R，φ_R)，其中e表示效率因子，D(θ_R，φ_R)表示方向性系數，S(θ_R，φ_R)表示陣因子，I_m和I_n分別表示沿Y軸和Z軸的激勵幅度，m和n表示陣元索引，M和N分別表示沿Y軸和Z軸的總陣元數，y_m和z_n表示陣元沿Y軸和Z軸的坐標，d_y和d_z表示相鄰陣元間的距離差，β和γ分別表示沿Y軸和Z軸激勵相位差，假設所有相控陣天線為2×2結構進而可確定結構參數，設e＝1，I_m＝I_n＝1，k＝2π/λ，d_z＝d_y＝0.5λ，陣元坐標分別為(0，-0.25λ，0.25λ)，(0，-0.25λ，0.25λ)，(0，0.25λ，-0.25λ)和(0，-0.25λ，-0.25λ)，利用定積分運算原理，則閱讀器天線的增益表達式為G_R(θ_R，φ_R，β，γ)＝(a·b)/(c+d)，其中

步驟3：將標簽天線和閱讀器天線放置在同一笛卡爾坐標系中，標簽天線和閱讀器天線的位置坐標分別表示為(x_T，y_T，z_T)和(x_R，y_R，z_R)，標簽天線和閱讀器天線的姿態分別表示為和其中為到的傾斜角，為與在XOY面投影之間的旋轉角，為到的傾斜角，為與在XOY面投影之間的旋轉角，且滿足

步驟4：選取直達路徑下的和作為估計目標，在笛卡爾坐標系中，(x_T，y_T，z_T)和(x_R，y_R，z_R)決定了輻射方向方向性參數θ_R、φ_R和θ_T可以表示為θ_R＝arccos(Y₁/d₀)，其中Z＝z_R，T，x_R，T＝x_R-x_T，y_R，T＝y_R-y_T，z_R，T＝z_R-z_T，將θ_R、φ_R和θ_T帶入到步驟2的天線增益表達式和閱讀器增益表達式中，便能精確估計閱讀器天線和標簽天線在各個方向下的增益值；

步驟5：選取反射路徑下的和作為估計目標，將地板和某固定擋板作為反射源以模擬室內多徑環境，其中地板可視為笛卡爾坐標系中整個XOY平面，且信號在地板發生反射現象對應的反射點坐標可以表示為在反射路徑的前向鏈路中，反射點坐標可以視為標簽坐標，用反射點坐標代替聯立條件下天線增益模型中的標簽坐標(x_T，y_T，z_T)，重新計算θ_R、φ_R和G_R(θ_R，φ_R，β，γ)，可以得到由地板反射面所引起的閱讀器增益在反射路徑的后向鏈路中，反射點坐標也可以視為標簽坐標，用反射點坐標代替聯立條件下天線增益模型中的標簽坐標(x_R，y_R，z_R)，重新計算θ_T和G_T(θ_T，φ_T)，可以得到由地板反射面所引起的標簽增益對于固定擋板，定義其所在平面上的點服從方程ε₁x_b+ε₂y_b+ε₃z_b＝ε₄，x_b∈[L_x，U_x]，z_b∈[L_z，U_z]，其中ε₁、ε₂、ε₃和ε₄為截距系數，L_x、U_x、L_z和U_z為邊界值，根據場景特征可確定固定平面的參數進而可得到信號在固定擋板發生反射現象時的反射點從而得到由固定擋板反射面所引起的和將所得到的帶入到P_r，T與P_r，R表達式中，完成對前向鏈路和后向鏈路中閱讀器所接收的收信場強的估計；

步驟6：建立RNP(RFID Network Planning，射頻識別技術網絡規劃)問題模型，將定位誤差最小化、通信干擾最小化、多徑干擾最小化和未覆蓋度最小化作為尋優目標，將各閱讀器天線的陣元激勵和坐標作為優化變量，建立尋優模型其中Ω表示RNP的候選解且有Ω＝[(x₁，y₁，β_1，，γ₁)，(x₂，y₂，β_2，，γ₂)，...，(x_M，y_M，β_M，γ_M)]，(x_m，y_m)和(β_m，γ_m)分別表示第m個閱讀器天線的坐標，m∈[1，M]，M為閱讀器天線的數量，F為閱讀器部署的優化目標函數，F＝ω₁f₁+ω₂f₂+ω₃f₃+ω₄f₄，的物理含義為：對F進行最小化尋優，求得對應的Ω的值，ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分別為四個子函數f₁，f₂，f₃，f₄所占的權重，f₁用于衡量標簽的非覆蓋度且被建模為其中n∈[1，N]，N為標簽總數，C_n指第n個目標標簽只有被三個及以上閱讀器識別時才能被成功定位，f₂用于衡量定位誤差且被建模為GDOP_n為第n個標簽的幾何精度因子，f₃用于衡量無效詢問引起的干擾且被建模為f₃＝k₁I_T+k₂I_R，其中I_T為所有標簽受閱讀器干擾程度的平均值，I_R為所有閱讀器受標簽干擾程度的平均值，k₁和k₂用于設定閱讀器干擾和標簽干擾的程度，f₄用于衡量頻率選擇性衰落所引起的干擾且可建模為D_n表示第n個標簽由頻率選擇性衰落所引起的干擾程度，f₄的數值越低，多徑干擾就越小；

步驟7：設計一種改進雞群算法對步驟6中的RNP問題進行尋優求解，首先根據閱讀器天線的初始位姿建立初始解Ω_I，通過在預先設定的尋優半徑內隨機擾動Ω_I從而生成規模為Q初始種群P¹，根據步驟6中f₁、f₂、f₃以及f₄計算種群全部種群個體的自身適應值，并將種群進行等級劃分，整個種群被劃分為多個組，每個組由一只公雞、多只母雞和小雞組成，公雞作為每個組的帶領者，引導母雞和小雞進行覓食尋優行為；

步驟8：根據敏感貢獻度策略定義二維貢獻度，提出改進的公雞單體湍流策略，通過增加單體湍流次數和敏感貢獻度來提升公雞優化性能，其中，改進的公雞單體湍流策略可以描述為：對于種群中的每只公雞，計算獲得每個閱讀器天線的二維貢獻度α_m，其中，表示覆蓋貢獻度，表示敏感貢獻度，r_m為[0，1]內的隨機數，s_m為敏感標簽的數量，敏感標簽是指該標簽能夠被三個閱讀器識別，進行兩級評估以確定單體，在第一級評估中，若存在的閱讀器，則該閱讀器被定義為單體，在第二級評估中，若所有閱讀器天線的均大于0，則選取具有最小的閱讀器作為單體，對于每只公雞，僅允許單體進行N次更新，而其他閱讀器天線保持原位置，在N個新狀態中，選取具有最好適應值的狀態作為公雞的新狀態，并且僅當新狀態優于前一狀態，公雞才被更新；

步驟9：利用灰狼算法中的等級制度和狩獵機制，制定母雞灰狼更新策略，提升母雞的搜索能力，改善母雞的更新方式，其中，母雞灰狼更新策略可以描述為：對于種群中的第i只母雞，選取與當前母雞具有最小歐式距離的三只公雞(即α雞、β雞和δ雞)作為帶領者，以提供三個候選位置和且對于和有其中A＝2a·r₁-a，C＝2r₂，a＝2e^(1-t)/r，式中，表示在第t次迭代中第i只母雞的第w維度位置，w∈[1，W]，W為搜索空間的維度且滿足W＝4M，X_α(t)、X_β(t)和X_δ(t)為α雞、β雞和δ雞的位置，可以表示為X_j(t)＝[X_j，1(t)，X_j，2(t)，...，X_j，W(t)]j∈{α，β，δ}，集合X＝{X_α(t)，X_β(t)，X_δ(t)}為當前母雞的帶領者集合，X_α(t)、X_β(t)和X_δ(t)的適應值依次增加，r₁和r₂為[0，1]內的隨機數，系數A充當搜索范圍的調節器，A_j相當于α雞、β雞和δ雞分別作為帶領者時的系數A，當|A|＞1，個體擴大搜索范圍進行全局搜索，當|A|＜1時，個體縮小范圍執行局部搜索，a是用來定義A的收斂因子，其值隨迭代從2減到0，進而第i只母雞的位置由母雞灰狼更新策略將候選位置取平均得到，即

步驟10：采用傳統的雞群算法更新雞群中全部小雞的位置；

步驟11：對種群進行迭代運算，當迭代運算次數達到上限時，終止尋優過程并輸出最終的最優部署方式，根據該方式完成超高頻RFID定位系統的相控陣天線優化部署。

2.一種適于超高頻RFID定位系統的相控陣天線優化部署方法，其特征在于，步驟6中由頻率選擇性衰落所引起的干擾f₄可以描述為：根據前向鏈路中閱讀器的發射信號與后向鏈路中閱讀器的接收信號計算信道傳輸函數的幅值|H(ω)|，為了量化|H(ω)|，評估基于窄帶下的幅度波動，對于單個標簽，將窄帶下的幅度波動定義為其中L為信道總數，H_n，m(ω)表示第m個閱讀器天線與第n個標簽通信時的信道傳輸函數，為第l個信道的H_n，m(ω)值，進一步f₄被定義為D_n表示第n個標簽由頻率選擇性衰落引起的干擾程度，系統的|H(ω)|越小，f₄的數值就越低，系統受頻率選擇性衰落的影響越小。