一种动态驻留时间的智能天线自适应控制算法的制作方法

文档序号:11808372阅读:483来源:国知局
本发明属于射频通信与天线
技术领域
,尤其涉及一种动态驻留时间的智能天线自适应控制算法。
背景技术
:RFID(射频识别)技术利用射频信号进行非接触式双向通信,自动识别目标对象并获取相关信息数据已成功应用于生产制造、物流仓储、交通运输、医疗卫生、公共安全等各个领域。它利用射频信号的空间耦合实现无接触式数据传递,并通过信息的相互传递达到识别对象的目的。常用的阅读器最大识别距离在10米左右,总的识别区域有限,还不能满足大多数用户的需求,从而限制了其大规模应用。另一个关键的问题是很难达到100%识别率的问题。主要有两个方面原因:第一,因为天线有限的发射功率和固定的辐射方向图,所以RFID系统的有效识别区域是受限的,同时,多径干扰导致识别区域内的部分标签没有获得足够能量而被激活;第二,由于无源超高频RFID进行非接触数据传输,很容易造成多标签的通信“碰撞”,从而不能正确传输数据信息,影响阅读器的正确读取。智能天线能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理,自动调整发射和接收方向图。智能天线按工作原理的不同可分为固定多波束天线、波束切换型智能天线和自适应智能天线。其中波束切换型智能天线具有结构简单、无须判别用户信号到达方向以及响应速度快等优点,更重要的是上行链路的同一波束也可用于下行链路,从而在下行链路上也能提供增益,其潜在的应用价值得到了国内外越来越多的重视。无源超高频RFID阅读器系统中引入智能天线技术有助于提高现有阅读器的最大识别距离、覆盖区域、防碰撞、定位和抗干扰等性能。在标签天线接收功率不变的情况下,增加识别距离就要增加发射功率或者增加阅读器天线增益,单波束天线增益的增加降低了波束宽度,减小了阅读器的覆盖范围。波束切换型阵列天线增大了天线的增益,波束变窄,由于波束在多个方向上扫描,所以总的识别区域扩展了,如图1所示,波束1、2、3、4的覆盖面积之和大于单个低增益固定波束的覆盖面积。现有的研究主要集中在标签的防碰撞算法上面,而没有对应的波束切换自适应控制算法。本发明结合波束切换型智能天线的阅读器与标签通信的信道模型,依据阅读器的最大识别距离、有效识别区域,参考标签密度对防碰撞的影响,提出了一种适用于超高频RFID阅读器智能天线的波束切换自适应控制算法。该算法可以根据各个波束方向上的标签数目、通信时间等情况确定波束的驻留时间和扫描间隔时间,来达到自适应控制波束的目的。技术实现要素:本发明的目的是提出一种动态驻留时间的智能天线自适应控制算法,该算法可以根据各个波束方向上的标签数目、通信时间等情况确定波束的驻留时间和扫描间隔时间,来达到自适应控制波束的目的,来降低识别时间,提高标签识别率,同时减少能量消耗。一种动态驻留时间的智能天线自适应控制算法,包括下列步骤:步骤1:对识别范围内的所有标签进行扫描,利用切比雪夫不等式估算出波束范围内的待识别标签数目;步骤2:根据波束范围内的标签数和动态帧时隙ALOHA算法确定出扫描的驻留时间Tij,i表示当前扫描的轮数,j表示波束区域的序号,分别将每个波束本轮扫描所对应的驻留时间依次存放到循环队列中。步骤3:依次对每一个波束进行扫描,再次利用切比雪夫不等式估算剩余待识别标签数目,计算出下一轮扫描每个波束对应的帧长Tij,如果某一个波束范围内待识别标签数目为零,则将对应的Tij置为0,然后将这些帧长对应存放到循环队列中。步骤4:重复步骤3,直到所有的波束范围内的待识别标签数都为0,则表明范围内所有标签都识别完毕。附图说明:为了更清楚的说明发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造劳动性的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。图1是波束切换型阵列天线扫描示意图;图2是不同待识别标签数的最佳帧长;图3是本发明4波束切换自适应控制扫描示意图;图4是读取标签所消耗的时间图;图5是读取标签所消耗的能量图。具体实施方式:本发明的主旨是提出一种动态驻留时间的智能天线自适应控制算法,该算法可以根据各个波束方向上的标签数目、通信时间等情况确定波束的驻留时间和扫描间隔时间,来达到自适应控制波束的目的,来降低识别时间,提高标签识别率,同时减少能量消耗。下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。一、切比雪夫不等式算法估计标签个数假设在阅读器的识别范围内总共有n个待识别标签,帧长为L,则一个时隙中有r个标签占用的概率服从二项分布,即:P(r,n,L)=rn(1L)r(1-1L)n-r---(1)]]>则单标签响应时隙的概率P(1,n,L)=(nL)(1-1L)n-1---(2)]]>空闲时隙的概率P(0,n,L)=(1-1L)n---(3)]]>多标签响应时隙的概率P(k,n,L)=1-P(1,n,L)-P(0,n,L),k>1(4)随机定义初始空闲时隙个数、成功识别时隙个数和碰撞时隙个数分别为c0、c1、ck,根据式(1)-(4)分别计算出空闲时隙个数成功识别时隙个数和碰撞时隙个数的理论计算值。在待识别标签数n的取值范围[c1+2ck,...,2*(c1+2ck)]内,利用切比雪夫不等式ϵ(L,c0,c1,ck)=minn|a0L,na1L,na2L,n-c0c1c2|---(5)]]>找到最小的ε(L,c0,c1,ck),对应的n就是待识别标签数。二、不同待识别标签数的最佳帧长选择帧时隙ALOHA算法只在帧长与标签数大致相等时才能保持最高的吞吐率,当待识别标签数大于帧长时,标签的识别时间也会因为碰撞而快速增加;当待识别标签数小于帧长时,又会造成大量的时隙浪费。所以要使系统在整个识别过程中都保持较高的吞吐率则必须使帧长是可变的,系统帧长的选择需要实时调整,图2是不同待识别标签数的最佳帧长。三、循环队列存储循环队列是一个可以实现“先进先出”的存储结构,能够实现多波束的顺序存储及循环读取,分别将各个波束的名称和需要扫描的次数存进循环队列中,循环队列中有一个头指针,能够根据头指针的指向来实现数据的存储和读取,所以我们采用循环队列的方式来实现波束切换自适应控制算法。当扫描完一个波束后,这个波束需要扫描的次数减一,当某个波束需要扫描的次数为0时,就不再扫描这个波束,直接切换到下一个波束。如果所有波束需要扫描的次数都为0,则意味着所有的标签都识别完毕。四、实例分析图3是本发明四波束切换自适应控制扫描示意图,假设阵列天线可生成4个波束,结合图3对算法详细说明。步骤1:首先对识别范围内的所有标签进行扫描,利用切比雪夫不等式估算出这4个波束范围内的待识别标签数目。步骤2:根据表2来选取每个波束所对应的本次扫描的驻留时间Tij,其中下标i表示当前扫描的轮数,下标j表示波束区域的序号。分别将每个波束本轮扫描所对应的驻留时间依次存放到循环队列中,以T11=16ms,T12=4ms,T13=32ms,T14=48ms为例,如图3(a)所示。步骤3:对循环队列中的第一个区域进行扫描,扫描的时间为T11,扫描完第一个区域后,调整天线的指向角度,指向波束2,扫描T12时间,如图3(b)所示。步骤4:依次对4个波束扫描一遍,如图3(c)、(d)所示。再次利用切比雪夫不等式估算出这4个波束范围内的剩余待识别标签数目,计算出下一轮扫描每个波束对应的帧长Tij,如果某一个波束范围内待识别标签数目为零,则将对应的Tij置为0,然后将这些帧长对应存放到循环队列中,以T21=10ms,T22=0ms,T23=16ms,T24=36ms为例,如图3(e)所示。步骤5:根据循环队列中对应存放的扫描时间再次扫描这四个波束。如果Tij=0,跳过当前波束,直接对下一个波束进行扫描,如图3(f)所示,T22=0ms,所以直接跳过波束2,开始对波束3扫描。当进行完这一轮的扫描以后,再次利用切比雪夫不等式估算出这4个波束范围内的待识别标签数。步骤6:直到所有的波束范围内的待识别标签数都为0,则表明范围内所有标签都识别完毕。图4是读取标签所消耗的时间图,图5是读取标签所消耗的能量图,假设识别区域内随机分布着1000个标签,并且每个标签均能被正确识别,从图4中可以看出,采用动态驻留时间的波束切换算法消耗的时间明显少于低增益动态波束所消耗的时间;从图5可以看出,采用动态驻留时间的波束切换算法消耗的能量明显小于低增益固定波束所消耗的能量。实例表明,动态驻留时间的智能天线自适应控制算法可以达到自适应控制波束的目的,降低识别时间,提高标签识别率,同时减少能量消耗,对UHFRFID系统识别具有重要意义和应用前景。本领域技术人员可以理解附图只是一个实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3 
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