超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)方法仿真

譚菊華，章小寶，吳福英

(1. 南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 共青城 332020；2. 江西師范大學(xué)軟件學(xué)院，江西 南昌 330022)

1 引言

RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別技術(shù)[1]，主要通過無線射頻的方式完成目標(biāo)識別等工作，隨著RFID技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用將會成為一種全新的發(fā)展趨勢。為了確保RFID讀寫器保持最佳通信距離，需要將大量的讀寫器通過密集的形式部署在設(shè)定區(qū)域內(nèi)[2]?，F(xiàn)階段有關(guān)于超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)技術(shù)方面的研究主要停留在理論層面，技術(shù)深度有待提升。

為了更好地解決上述問題，相關(guān)專家針對超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)技術(shù)展開了大量研究，例如洪亮[3]等人通過已知的鄰居信息在相鄰節(jié)點之間搜索鄰居集合中的交集，同時對鄰居位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，最終實現(xiàn)讀寫器天線組網(wǎng)。朱佳龍[4]等人主要通過螺旋理論完成綜合組網(wǎng)處理。楊文[5]等人優(yōu)先分析節(jié)點位置不確定性區(qū)域，通過廣播分配算法完成無線自組網(wǎng)拓?fù)渲貥?gòu)。在以上幾種方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)方法，經(jīng)大量實驗測試結(jié)果表明，所提方法不僅可以提升吞吐量和分組交付率，同時還能有效降低端到端時延以及功率比。

2 抗干擾分析

2.1 信號預(yù)處理

時頻分析方法[6，7]主要通過將時間域與頻域相結(jié)合的方式描寫超高頻RFID讀寫器中非平穩(wěn)的隨機信號。設(shè)定超高頻RFID讀寫器中的信號為h(t)，則對應(yīng)的STFT可以表示為式(1)的形式

(1)

式中，x(τ)代表頻域；g(τ-t)代表時間域。

對信號開展加窗操作不僅會對分辨率產(chǎn)生影響，同時也會影響信號的恢復(fù)問題。通過式(2)可以將線性時頻表示為以下形式

R(s，t)=|b|2R1(s，t)+|b|2R2(s，t)+2f(R(s，t))

(2)

式中，R(s，t)代表線性時頻；f代表時頻系數(shù)。

通過Wigner-Ville(WVD)分布反映信號的能量密度，其中，信號對應(yīng)的WVD可以表示為式(3)的形式

(3)

式中，Bx(s，t)代表Wigner-Ville分布函數(shù)；t代表采樣時間；τ代表頻率位移特性；ω代表瞬時功率；e代表實數(shù)；j代表瞬時頻率。

超高頻RFID讀寫器信號是通過瞬時功率展開聚攏操作的，則對應(yīng)的二次型變換可以表示為式(4)的形式

(4)

2.2 信號抗干擾處理

壓縮小波可以通過自身特性完成窗函數(shù)調(diào)整，具有多分辨率特性，可以有效協(xié)調(diào)時頻分辨率之間的矛盾問題，其良好的局部性可以有效降低局部分析的計算時間。

在同頻干擾的情況下，設(shè)定同頻干擾信號為k1(t)，回波信號為k2(t)，在不考慮噪聲的情況下獲取的接收信號可以表示為式(5)的形式

k(t)

(5)

式中，k(t)代表接收信號。

當(dāng)干擾信號和回波信號之間的強度存在比較大的誤差時，會造成小波譜中弱分量被強分量掩蓋的情況。線性調(diào)頻信號的時間—尺度主要呈現(xiàn)線性關(guān)系，由于小波壓縮函數(shù)對應(yīng)的頻率響應(yīng)并不是沖激函數(shù)，所以線性調(diào)頻信號經(jīng)過壓縮小波的變換后，可以確保信號在中心頻率兩側(cè)的頻譜具有一定程度的展寬。為了準(zhǔn)確估計超高頻RFID讀寫器的相關(guān)參數(shù)，需要將小波譜上存在的直線采用小波變換映射為平面對應(yīng)的點，根據(jù)搜索極大值點，即可求解調(diào)頻信號對應(yīng)的參數(shù)。

在超高頻RFID讀寫器抗干擾設(shè)計中，超高頻RFID讀寫器信號經(jīng)過壓縮小波處理之后的小波譜為時間尺度圖[8，9]，則時間—尺度呈線性相關(guān)。為了提升算法的計算精度，需要將超高頻RFID讀寫器對應(yīng)的小波譜在多個角度展開Radon變換[10]，直線映射成點，采用二維搜索極大值，可以得到線性調(diào)頻信號對應(yīng)的調(diào)頻頻率以及初始頻率檢測值。

設(shè)定超高頻RFID讀寫器的線性調(diào)頻信號s(t)如式(6)所示

s(t)=Aexp[jωt[k1(t)+k2(t)]2]

(6)

式中，A代表信號的起始角頻率。

通過壓縮小波變換定義，可以獲取信號對應(yīng)的連續(xù)小波變換，如式(7)所示

(7)

式中，Vs(a，b)代表連續(xù)小波變換；φx，y代表基本小波；a代表尺度因子。

在上述分析的基礎(chǔ)上，通過簡化推導(dǎo)，可以獲取對應(yīng)的小波譜，如式(8)所示

(8)

式中，Q(a，b)代表小波譜。

超高頻RFID讀寫器信號在時間尺度上呈曲線分布，隨著頻率的不斷增加，曲線也在不斷發(fā)散，所以對應(yīng)的時頻滿足直線波形。以下采用式(9)描述頻率和尺度之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系

(9)

通過式(9)可以看出，線性調(diào)頻信號的頻率會隨著時間的分布呈直線分布形式，將直線特性的檢測問題轉(zhuǎn)換為峰值搜索問題，全面提升檢測信噪比。同時對不同參數(shù)估計處理，最終有效濾除信號的濾波，最終完成超高頻RFID讀寫器抗干擾處理。

3 天線組網(wǎng)

由于超高頻RFID讀寫器發(fā)射出的射頻信號分布在三維空間內(nèi)，因此，超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)問題也可以看作是一個無線信號覆蓋問題。在超高頻RFID讀寫器抗干擾處理的基礎(chǔ)上，引入粒子群優(yōu)化算法將讀寫器部署問題轉(zhuǎn)換為離散優(yōu)化問題，大部分的優(yōu)化問題主要是以數(shù)學(xué)問題為基礎(chǔ)，本文的優(yōu)化問題也是通過數(shù)學(xué)模型展開描述和分析，具體如式(10)所示

minF={f1(t)，f2(t)，…，fn(t)}

(10)

式中，minF代表覆蓋范圍最小值；fn(t)代表節(jié)點檢測數(shù)量。

假設(shè)將天線信號的主瓣作為天線信號的有效覆蓋區(qū)域，則可以近似地將天線的覆蓋看作是一個橢圓形。其中，需要特別注意的是，天線所在的位置并不是橢圓的中心位置，而是在橢圓的另外一端。

設(shè)定網(wǎng)格中的坐標(biāo)為k(x，y)，則被傳感器覆蓋的節(jié)點需要滿足以下約束條件

(11)

式中，b代表旋轉(zhuǎn)因子。

通過區(qū)域離散化一致的思想，可以將天線傳播模型離散化處理，通過點陣的形式描述天線所覆蓋的區(qū)域。為了更好地完成超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)[11]，引入粒子群優(yōu)化算法(PSO)，優(yōu)先將一群隨機粒子初始化處理，同時，在D維空間中實行目標(biāo)搜索，對應(yīng)的粒子位置和速度更新公式為

(12)

粒子群優(yōu)化算法[12，13]的詳細(xì)操作流程如圖1所示。

圖1 粒子群算法的基本操作流程圖

1)設(shè)定相關(guān)參數(shù)，確定粒子群中粒子的數(shù)量，同時選擇群體中最好的粒子作為最優(yōu)粒子[14，15]。

2)更新粒子的位置和速度。

3)分別評價每個粒子，計算各個粒子的適應(yīng)度取值，同時通過對比分析獲取全局最優(yōu)粒子。

4)判斷是否滿足約束條件，假設(shè)是，則輸出最優(yōu)結(jié)果；反之，則跳轉(zhuǎn)至步驟2)。

通過粒子群優(yōu)化算法將讀寫器部署問題轉(zhuǎn)換為離散優(yōu)化問題，并求取最優(yōu)解[16]，獲取超高頻RFID讀寫器天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和尺寸，最終得到超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)的最優(yōu)方案[17，18]。

4 仿真研究

為了驗證所提超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)方法的有效性，展開測試分析。實驗所涉及超高頻RFID讀寫器天線性能參數(shù)如表1所示。

表1 超高頻RFID讀寫器天線性能參數(shù)

在上述實驗參數(shù)下，基于OPNET仿真平臺進行實驗測試，將文獻[3]方法和文獻[4]方法作為對比方法，與所提方法進行對比。

設(shè)定緩沖區(qū)無限大，分析不同方法端到端的時延變化情況，詳細(xì)的實驗測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的端到端時延測試結(jié)果對比分析

由圖2中的實驗結(jié)果可知，在三種方法中，所提方法的端到端時延明顯更低，其端到端時延始終低于2.5s，而文獻[3]方法和文獻[4]方法的端到端時延最高值分別達到了4.5s和4.0s。由此可知，在所提方法的支持下，天線的信號傳輸時延得到了有效控制，有利于提升信號傳播質(zhì)量。

在相同實驗條件下，分析三種不同方法的吞吐量變化情況，詳細(xì)的實驗測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的吞吐量測試結(jié)果對比分析

分析圖3中的實驗結(jié)果可知，所提方法的吞吐量明顯高于另外兩種方法，驗證了所提方法的優(yōu)越性。通過粒子群優(yōu)化算法將讀寫器部署問題轉(zhuǎn)換為離散優(yōu)化問題，并求取最優(yōu)解，提升了天線部署的合理性，降低了天線吞吐量的損失。

通過圖4分析不同方法的分組交付率測試結(jié)果。

圖4 不同方法的分組交付率測試結(jié)果對比分析

分析圖4中的實驗結(jié)果可知，所提方法的分組交付率較高，說明其能夠保障鏈路的連通性與安全性，提升天線組網(wǎng)效果。在設(shè)定天線覆蓋范圍內(nèi)，由于分組交付率的提升，可以有效降低鏈路失敗情況的發(fā)生，確保所提方法的有效性。

設(shè)定節(jié)點最大發(fā)射功率與節(jié)點最大半徑，選取功率比作為研究對象，分析三種不同方法的功率比變化情況，如表2所示：

表2 同方法的功率比測試結(jié)果對比

分析表2中的實驗數(shù)據(jù)可知，在相同節(jié)點數(shù)量下，所提方法可以確保節(jié)點最小能量，使功率比相比之前得到明顯減少，在節(jié)能方面具有顯著特性。這是因為所提方法采用壓縮小波方法對超高頻RFID讀寫器實行同頻干擾處理，提升了讀寫器的抗干擾性效果，降低了節(jié)點能量消耗，使得功率比得到了有效降低。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法存在的不足，設(shè)計并提出一種超高頻RFID讀寫器天線組網(wǎng)方法。經(jīng)過大量仿真測試結(jié)果表明，所提方法不僅可以有效降低端到端時延以及功率比，同時還能夠提升吞吐量和分組交付率。但是所提方法沒有考慮障礙區(qū)對無線組網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生的影響，所以需要進一步引入不同的優(yōu)化方法，全面提升組網(wǎng)方案的適用范圍。