一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，屬于射頻通信與天線技術(shù)領(lǐng)域。所述算法利用切比雪夫不等式估算標(biāo)簽數(shù)目，根據(jù)幀時(shí)隙ALOHA算法選擇最佳幀長(zhǎng)，并計(jì)算各個(gè)波束需要的掃描次數(shù)，采用循環(huán)隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)波束切換自適應(yīng)控制，達(dá)到標(biāo)簽自適應(yīng)識(shí)別的目的。所述算法可以降低標(biāo)簽識(shí)別時(shí)間，提高標(biāo)簽識(shí)別率，同時(shí)減少能量消耗，對(duì)UHF RFID系統(tǒng)識(shí)別具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于射頻通信與天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種固定駐留時(shí)間的智能天線自 適應(yīng)控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)利用射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并 獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全等各 個(gè)領(lǐng)域。它利用射頻信號(hào)的空間禪合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式數(shù)據(jù)傳遞，并通過(guò)信息的相互傳遞達(dá)到 識(shí)別對(duì)象的目的。
[0003] 常用的閱讀器最大識(shí)別距離在10米左右，總的識(shí)別區(qū)域有限，還不能滿足大多數(shù) 用戶的需求，從而限制了其大規(guī)模應(yīng)用。另一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是很難達(dá)到100%識(shí)別率的問(wèn) 題。主要有兩方面原因：第一，因?yàn)樘炀€有限的發(fā)射功率和固定的福射方向圖，所WRFID系 統(tǒng)的有效識(shí)別區(qū)域是受限的，同時(shí)，多徑干擾導(dǎo)致識(shí)別區(qū)域內(nèi)的部分標(biāo)簽沒(méi)有獲得足夠能 量而被激活；第二，由于無(wú)源超高頻RFID進(jìn)行非接觸數(shù)據(jù)傳輸，很容易造成多標(biāo)簽的通信 "碰撞"，從而不能正確傳輸數(shù)據(jù)信息，影響閱讀器的正確讀取。
[0004] 智能天線能夠利用多個(gè)天線陣元的組合進(jìn)行信號(hào)處理，自動(dòng)調(diào)整發(fā)射和接收方向 圖。智能天線按工作原理的不同可分為固定多波束天線、波束切換型智能天線和自適應(yīng)智 能天線。其中波束切換型智能天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判別用戶信號(hào)到達(dá)方向W及響應(yīng)速 度快等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是上行鏈路的同一波束也可用于下行鏈路，從而在下行鏈路上也能 提供增益，其潛在的應(yīng)用價(jià)值得到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的重視。無(wú)源超高頻RFID閱讀器系統(tǒng) 中引入智能天線技術(shù)有助于提高現(xiàn)有閱讀器的最大識(shí)別距離、覆蓋區(qū)域、防碰撞、定位和抗 干擾等性能。
[0005] 在標(biāo)簽天線接收功率不變的情況下，增加識(shí)別距離就要增加發(fā)射功率或者增加閱 讀器天線增益，單波束天線增益的增加降低了波束寬度，減小了閱讀器的覆蓋范圍。波束切 換型陣列天線增大了天線的增益，波束變窄，但是由于波束在多個(gè)方向上掃描，所W總的識(shí) 別區(qū)域擴(kuò)展了，如圖1所示，波束1、2、3、4的覆蓋面積之和大于單個(gè)低增益固定波束的覆蓋 面積。
[0006] 現(xiàn)有的研究主要集中在標(biāo)簽的防碰撞算法上面，而沒(méi)有對(duì)應(yīng)的波束切換自適應(yīng)控 制算法。本發(fā)明結(jié)合波束切換型智能天線的閱讀器與標(biāo)簽通信的信道模型，依據(jù)閱讀器的 最大識(shí)別距離、有效識(shí)別區(qū)域，參考標(biāo)簽密度對(duì)防碰撞的影響，提出了一種適用于超高頻 RFID閱讀器智能天線的波束切換自適應(yīng)控制算法。該算法可W根據(jù)各個(gè)波束方向上的標(biāo)簽 數(shù)目、通信時(shí)間等情況確定波束的駐留時(shí)間和掃描間隔時(shí)間，來(lái)達(dá)到自適應(yīng)控制波束的目 的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提出一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，該算法可W 根據(jù)各個(gè)波束方向上的標(biāo)簽數(shù)目、通信時(shí)間等情況確定波束的駐留時(shí)間和掃描間隔時(shí)間， 來(lái)達(dá)到自適應(yīng)控制波束的目的，來(lái)降低識(shí)別時(shí)間，提高標(biāo)簽識(shí)別率，同時(shí)減少能量消耗。
[0008] -種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，包括下列步驟：
[0009] 步驟1:對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行掃描，利用切比雪夫不等式估算出波束范圍 內(nèi)的待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目；
[0010] 步驟2:根據(jù)波束范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)和動(dòng)態(tài)帖時(shí)隙ALOHA算法確定出掃描的駐留時(shí)間 T，然后分別計(jì)算出各個(gè)區(qū)域需要的掃描次數(shù)Si。
[0011] 步驟3:將波束的名稱(chēng)和需要的掃描次數(shù)存入循環(huán)隊(duì)列中，并開(kāi)始對(duì)循環(huán)隊(duì)列中頭 指針指向的區(qū)域進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間為T(mén)。
[0012] 步驟4:掃描完一個(gè)區(qū)域W后，將掃描次數(shù)減1，然后將循環(huán)隊(duì)列的頭指針指向下一 個(gè)位置，即波束方向指向下一個(gè)區(qū)域，掃描T時(shí)間。
[0013] 步驟5:重復(fù)步驟4,將所有波束掃描完W后，首先判斷第1個(gè)波束所需的掃描次數(shù)， 如果它大于0，則繼續(xù)對(duì)波束1掃描T時(shí)間；如果它等于0，則直接跳過(guò)第1個(gè)波束，對(duì)第2個(gè)波 束進(jìn)行判斷。
[0014] 步驟6:依次對(duì)循環(huán)隊(duì)列中的每個(gè)元素進(jìn)行判斷，如果掃描次數(shù)為0,則不對(duì)運(yùn)個(gè)波 束進(jìn)行掃描，否則，就對(duì)運(yùn)個(gè)波束掃描T時(shí)間。如果運(yùn)四個(gè)波束所需的掃描次數(shù)都等于0，則 表明所有標(biāo)簽都識(shí)別完畢。
【附圖說(shuō)明】：
[0015] 為了更清楚的說(shuō)明發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有 技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造勞動(dòng)性的前提下，還可W根據(jù)附圖獲得其 他的附圖。
[0016] 圖1是波束切換型陣列天線掃描示意圖；
[0017] 圖2是不同待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的最佳帖長(zhǎng)；
[0018] 圖3是本發(fā)明四波束切換自適應(yīng)控制掃描示意圖；
[0019] 圖4是讀取標(biāo)簽所消耗的時(shí)間圖；
[0020] 圖5是讀取標(biāo)簽所消耗的能量圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0021] 本發(fā)明的主旨是提出一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，該算法可W 根據(jù)各個(gè)波束方向上的標(biāo)簽數(shù)目、通信時(shí)間等情況確定波束的駐留時(shí)間和掃描間隔時(shí)間， 來(lái)達(dá)到自適應(yīng)控制波束的目的，同時(shí)能夠降低識(shí)別時(shí)間，提高標(biāo)簽識(shí)別率，減少能量消耗。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0022] -、切比雪夫不等式算法估計(jì)標(biāo)簽個(gè)數(shù)
[0023] 假設(shè)在閱讀器的識(shí)別范圍內(nèi)總共有n個(gè)待識(shí)別標(biāo)簽，帖長(zhǎng)為L(zhǎng)，則一個(gè)時(shí)隙中有r個(gè) 標(biāo)簽占用的概率服從二項(xiàng)分布，即：
[0024]
(1)
[0026] (2)
[0025] 則單標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)隙的概率
[0027]
[002引 口）
[0029] 多標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)隙的概率
[0030] P(k，n，L) = l-P(l，n，L)-P(0，n，L)，k>l (4)
[0031] 隨機(jī)定義初始空閑時(shí)隙個(gè)數(shù)、成功識(shí)別時(shí)隙個(gè)數(shù)和碰撞時(shí)隙個(gè)數(shù)分別為co、ci、ck， 根據(jù)式（1)-(4)分別計(jì)算出空閑時(shí)隙個(gè)數(shù)^3^'"、成功識(shí)別時(shí)隙個(gè)數(shù)口/"'"和碰撞時(shí)隙個(gè)數(shù)幻11'" 的理論計(jì)算值。在待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)n的取值范圍ki+2ck，…，巧(ci+2ck)]內(nèi)，利用切比雪夫不 等式
[00 創(chuàng)
口）
[00削找到最小的6化，圳向，00，對(duì)應(yīng)的11就是待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)。
[0034] 二、不同待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的最佳帖長(zhǎng)選擇
[0035] 帖時(shí)隙ALOHA算法只在帖長(zhǎng)與標(biāo)簽數(shù)大致相等時(shí)才能保持最高的吞吐率，當(dāng)待識(shí) 別標(biāo)簽數(shù)大于帖長(zhǎng)時(shí)，標(biāo)簽的識(shí)別時(shí)間也會(huì)因?yàn)榕鲎捕焖僭黾?；?dāng)待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)小于帖 長(zhǎng)時(shí)，又會(huì)造成大量的時(shí)隙浪費(fèi)。所W要使系統(tǒng)在整個(gè)識(shí)別過(guò)程中都保持較高的吞吐率則 必須使帖長(zhǎng)是可變的，系統(tǒng)帖長(zhǎng)的選擇需要實(shí)時(shí)調(diào)整，圖2是不同待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的最佳帖 長(zhǎng)。
[0036] S、循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)
[0037] 循環(huán)隊(duì)列是一個(gè)可W實(shí)現(xiàn)"先進(jìn)先出"的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多波束的順序存儲(chǔ)及 循環(huán)讀取，分別將各個(gè)波束的名稱(chēng)和需要掃描的次數(shù)存進(jìn)循環(huán)隊(duì)列中，循環(huán)隊(duì)列中有一個(gè) 頭指針，能夠根據(jù)頭指針的指向來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，所W我們采用循環(huán)隊(duì)列的方式 來(lái)實(shí)現(xiàn)波束切換自適應(yīng)控制算法。當(dāng)掃描完一個(gè)波束后，運(yùn)個(gè)波束需要掃描的次數(shù)減一，當(dāng) 某個(gè)波束需要掃描的次數(shù)為0時(shí)，就不再掃描運(yùn)個(gè)波束，直接切換到下一個(gè)波束。如果所有 波束需要掃描的次數(shù)都為0,則意味著所有的標(biāo)簽都識(shí)別完畢。
[003引四、實(shí)例分析
[0039] 圖3是本發(fā)明四波束切換自適應(yīng)控制掃描示意圖，假設(shè)陣列天線可生成4個(gè)波束， 結(jié)合圖4對(duì)算法詳細(xì)說(shuō)明。W波束1，2,3,4所對(duì)應(yīng)的掃描次數(shù)分別為1，3,4,2為例，每一步中 左邊示例圖為循環(huán)隊(duì)列中頭指針的指向及各波束掃描次數(shù)的變化，右邊示例圖為波束狀態(tài) 圖，陰影表示正在掃描的波束：
[0040] 步驟1:首先對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行掃描，利用切比雪夫不等式估算出運(yùn)4 個(gè)波束范圍內(nèi)的待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目。
[0041] 步驟2:根據(jù)運(yùn)4個(gè)波束范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)和圖2確定出掃描的駐留時(shí)間T，然后分別 計(jì)算出各個(gè)區(qū)域需要的掃描次數(shù)Si。
[0042] 步驟3:將運(yùn)4個(gè)波束的名稱(chēng)和需要的掃描次數(shù)存入循環(huán)隊(duì)列中，并開(kāi)始對(duì)循環(huán)隊(duì) 列中頭指針指向的區(qū)域進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間為T(mén)，如圖3(a)所示。
[0043] 步驟4:掃描完第一個(gè)區(qū)域W后，將第一個(gè)區(qū)域的掃描次數(shù)減1，然后將循環(huán)隊(duì)列的 頭指針指向下一個(gè)位置，調(diào)整天線的指向角度，將它指向波束2,掃描T時(shí)間，如圖3(b)所示。
[0044] 步驟5:掃描完第二個(gè)區(qū)域W后，同樣將第二個(gè)區(qū)域的掃描次數(shù)減1，然后依次調(diào)整 天線的指向角度，分別指向波束3、4區(qū)域，如圖3(c)、圖3(d)所示。
[0045] 步驟6:將運(yùn)4個(gè)波束掃描完W后，首先判斷波束1所需的掃描次數(shù)，如果它大于0， 則繼續(xù)對(duì)波束1掃描T時(shí)間；如果它等于0，則直接跳過(guò)波束1，對(duì)波束2進(jìn)行判斷，如圖3(e)所 /J、- O
[0046] 步驟7:依次對(duì)循環(huán)隊(duì)列中的每個(gè)元素進(jìn)行判斷，如果掃描次數(shù)為0,則不對(duì)運(yùn)個(gè)波 束進(jìn)行掃描，否則，就對(duì)運(yùn)個(gè)波束掃描T時(shí)間。如果運(yùn)4個(gè)波束所需的掃描次數(shù)都等于0，則表 明所有標(biāo)簽都識(shí)別完畢。
[0047] 根據(jù)圖3可W得出波束的切換順序?yàn)?-2-3-4-2-3-4-2-3-3-3,波束可W實(shí)現(xiàn)自適 應(yīng)控制。
[0048] 圖4是讀取標(biāo)簽所消耗的時(shí)間圖，圖5是讀取標(biāo)簽所消耗的能量圖，假設(shè)識(shí)別區(qū)域 內(nèi)隨機(jī)分布著1000個(gè)標(biāo)簽，并且每個(gè)標(biāo)簽均能被正確識(shí)別，從圖4中可W看出，采用固定駐 留時(shí)間的波束切換算法消耗的時(shí)間明顯少于低增益固定波束所消耗的時(shí)間；從圖5可W看 出，采用固定駐留時(shí)間的波束切換算法消耗的能量明顯小于低增益固定波束所消耗的能 量。
[0049] 實(shí)例表明，固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法可W達(dá)到自適應(yīng)控制波束的 目的，降低識(shí)別時(shí)間，提高標(biāo)簽識(shí)別率，同時(shí)減少能量消耗，對(duì)UHF RFID系統(tǒng)識(shí)別具有重要 意義和應(yīng)用前景。
[0050] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可W理解附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào) 僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0051] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則 之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，其特征是包括下列步驟： 步驟1:對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行掃描，利用切比雪夫不等式估算出波束范圍內(nèi)的 待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目； 步驟2:根據(jù)波束范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)和動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法確定出掃描的駐留時(shí)間T，然 后分別計(jì)算出各個(gè)區(qū)域需要的掃描次數(shù)Sh 步驟3:將波束的名稱(chēng)和需要的掃描次數(shù)存入循環(huán)隊(duì)列中，并開(kāi)始對(duì)循環(huán)隊(duì)列中頭指針 指向的區(qū)域進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間為T(mén)。 步驟4:掃描完一個(gè)區(qū)域以后，將掃描次數(shù)減1，然后將循環(huán)隊(duì)列的頭指針指向下一個(gè)位 置，即波束方向指向下一個(gè)區(qū)域，掃描T時(shí)間。 步驟5:重復(fù)步驟4,將所有波束掃描完以后，首先判斷第1個(gè)波束所需的掃描次數(shù)，如果 它大于0，則繼續(xù)對(duì)波束1掃描T時(shí)間；如果它等于0，則直接跳過(guò)第1個(gè)波束，對(duì)第2個(gè)波束進(jìn) 行判斷。 步驟6:依次對(duì)循環(huán)隊(duì)列中的每個(gè)元素進(jìn)行判斷，如果掃描次數(shù)為0，則不對(duì)這個(gè)波束進(jìn) 行掃描，否則，就對(duì)這個(gè)波束掃描T時(shí)間。如果這四個(gè)波束所需的掃描次數(shù)都等于0，則表明 所有標(biāo)簽都識(shí)別完畢。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，其特征是:步 驟1中，利用切比雪夫不等式估算出波束范圍內(nèi)的待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，其特征是:步 驟2中，利用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法選擇最佳幀長(zhǎng)，從而確定出掃描的駐留時(shí)間T。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固定駐留時(shí)間的智能天線自適應(yīng)控制算法，其特征是:步 驟3中，引入循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，判斷算法結(jié)束。
【文檔編號(hào)】G06K7/10GK105956501SQ201610512113
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】李建雄, 閆必行, 陳明省, 宋戰(zhàn)偉, 韓曉迪, 劉鵬學(xué)
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)