[发明专利]一种有长方体障碍物的三维空间读写器天线优化部署方法

权利要求书

1.一种有长方体障碍物的三维空间读写器天线优化部署方法，其特征在于，该方法步骤如下：

(1)通过改进的读写器天线感知模型判断读写器天线与标签之间是否存在长方体障碍物影响其通讯，所述改进的读写器天线感知模型具体如下：

设读写器天线R的位置坐标为(x_r,y_r,z_r)，读写器天线平面法向量某一标签T的位置坐标为(x_t,y_t,z_t)，该标签能被该读写器天线感知的约束条件为：

式中：l_r、θ_r分别读写器天线R的识读距离和识读夹角，barrier用于表示读写器天线R与标签T之间是否存在长方体障碍物影响其通讯。标签与长方体障碍物形成的整体的空间为长A、宽B、高C，标签排列在长方体障碍物之间，标签与长方体障碍物之间间隔距离为h，读写器天线部署在标签与长方体障碍物形成的整体的空间的左侧、右侧或上侧；

判断读写器天线R与标签T之间是否存在长方体障碍物的方法如下：

a.判断读写器天线所在的空间区域，标签与长方体障碍物形成的整体的空间的左侧、右侧或上侧

b.构造标签T和读写器天线R三维空间连线，若读写器天线位于左或右侧区域，则将标签T和读写器天线R三维空间的连线投影到yoz面，若位于上侧则直接判断；

c.判断条件

i若读写器天线位于右侧，读写器天线投影到yoz面，若满足

则barrier＝0，表明标签T与读写器天线R之间不存在长方体障碍物；若不满足式2，则barrier＝1。

ii若读写器天线位于左侧，读写器天线投影到yoz面，若满足

则barrier＝0，表明标签T与读写器天线R之间不存在长方体障碍物；若不满足式3，

则barrier＝1。

iii若读写器天线位于上侧，只需判断读写器天线Z坐标是否大于标签与长方体障碍物整体的高度C；若大于C，则barrier＝0，表明标签T与读写器天线R之间不存在长方体障碍物；否则barrier＝1。

θ′_t为标签T与长方体障碍物边界的最大夹角，θ_r′为构造标签T和读写器天线R三维空间连线在yoz面投影与xoz方向的方向向量的夹角。

(2)以覆盖率、干扰度、负载平衡函数为目标函数，模拟RFID现场工作环境，应用改进萤火虫算法完成读写器天线的部署及优化，其具体步骤如下：

(2.1)初始化读写器天线最大总数N_max、读写器天线的识读距离l_r和识读夹角θ_r以及RFID三维空间信息，对RFID环境空间进行离散化处理，使RFID环境空间变为由有限单位立方体t_xyz组成，x,y,z为单位立方体的空间坐标，并对单位立方体进行标志化处理，具体为：t_xyz＝0为长方体障碍物分布区域，t_xyz＝1为标签的分布区域，t_xyz＝2为RFID读写器天线部署区域：

(2.2)设初始化参数：萤火虫种群规模M、最大迭代次数MaxG、萤火虫最大吸引力β₀、光吸收系数γ和常数α；

(2.3)混沌初始化萤火虫种群位置，并检验萤火虫中各读写器天线合理性，具体如下：

对读写器天线的位置信息以及天线的角度信息进行编码，表达式如下：

其中：表示第j个读写器天线部署的位置信息，j∈(1,N_r)，表示第j个读写器天线的方向信息，即读写器天线平面法向量，第j个读写器天线的位置方向信息用表示，i∈[1,M]。初始的N_r＝N_max表示读写器天线的部署数量，M表示种群规模。

首先在(-1,1)区间随机产生初始变量，即初始化混沌变量y_i^j。然后根据混沌自映射规则，应用逻辑自映射函数生成(M-1)*N_r个混沌变量，与初始混沌变量一起对应全部的M个萤火虫个体。最后将生成的混沌变量序列根据变换到RFID环境的目标空间，产生M个萤火虫初始化种群。

式中：j表示Nr维空间的第j维；代表初始化萤火虫x_i中第j个读写器天线位置信息和读写器天线的方向信息，和表示对应变量的上下界，

(2.4)根据式f＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃计算第一代萤火虫的亮度，即适应度值f，并记录最大适应度值和最小适应度值。

式中：表示覆盖率，N_t表示目标空间可能出现标签的单位立方体的总量，X_t代表该单位立方体与读写器天线的通信情况，X_t＝1表示该单位立方体至少能被一个读写器天线感知到；X_t＝0则表示该单位立方体未被读写器天线感知到。

式中：表示读写器天线间的干扰度。式中p_(t,r)采用0-1覆盖模型，表示标签T被读写器天线R读到的概率，当标签T与读写器天线R之间不存在长方体障碍物，并且读写器天线R和标签T满足的读写器天线感知模型的约束条件时，p_(t,r)＝1，认为读写器天线R感知到标签T为100％，否则p_(t,r)＝0。

式中：表示读写器天线网络负载函数，k_i表示读取i标签的读写器天线的个数。

式中：w₁+w₂+w₃＝1，w₁、w₂、w₃分别为标签覆盖率、读写器天线间的干扰度和读写器天线网络负载平衡的权重。其中目标函数值即适应度值f取值最大时，则可保证标签的覆盖率取得最大值，读写器天线彼此干扰度最小，读写器天线的负载最均衡。

(2.5)根据计算位置更新的权重w_i(t)；

式中：t为当前迭代次数；K为最大迭代次数；w_max，w_min为w_i(t)的上限和下限。

(2.6)根据萤火虫亮度和萤火虫之间的吸引规则，计算萤火虫之间的吸引力并按x_i(t+1)＝w_i(t)*x_i+β*(x_j-x_i)+α(rand-0.5)+b₁r₁(P_ibest(t)-x_i(t))更新萤火虫位置；根据f＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃计算萤火虫的适应值，更新萤火虫的亮度，记录最大适应度值P_ibest(t)和最小适应度值P_imin(t)。

式中：w_i(t)表示萤火虫位置更新的权重，w_i(t)*x_i表示萤火虫个体的前一次迭代位置对当前位置的影响。β为相对吸引度；x_i和x_j分别是萤火虫i和j所在的空间位置；a是迭代步长，取值为常数，一般取值a∈[0,1]。

式中，b₁∈[0,1]为个体记忆系数；r₁是[0,1]之间的随机数；P_ibest表示第i只萤火虫个体所经历的最佳位置。

(2.7)更新算法迭代次数，令t＝t+1，如果tMaxG，则执行步骤(2.8)，否则重复步骤(2.4)～(2.7)；

(2.8)将得到的适应度值f与最大的适应值比较，若f＞F_max，则F_max＝f，N_r＝N_r-1，循环步骤2.4)～(2.8)，否则跳出循环，输出读写器天线最优部署方案最优解及适应度值。