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RFID無線定位方法
工作在UHF頻段的RFID系統(tǒng)可以借鑒比較成熟的無線定位方法。與傳統(tǒng)的無線定位方法一樣,按照定位方式的不同,RFID無線定位方法可分為三大類:時(shí)間信息定位(TOA和TDOA)、信號(hào)強(qiáng)度信息定位(RSSI)和到達(dá)角度定位(AOA)。
1.利用到達(dá)時(shí)間信息的定位方法
在這種定位方法中,閱讀器利用測(cè)量標(biāo)簽發(fā)射的無線電波的到達(dá)時(shí)間來進(jìn)行定位。按照定位原理的不同,它可以分為到達(dá)時(shí)間定位(TOA)和到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)。
1)到達(dá)定位(TOA)
由于已知電磁波在自由空間的傳播速度 c(3×l08m/s),若閱讀器測(cè)得電磁波從標(biāo)簽到閱讀器的傳播時(shí)間為Δtl、Δt2、Δt3,則標(biāo)簽到各閱讀器的距離即為 Ri=cΔti(i=1、2、3)。而且系統(tǒng)已知閱讀器的位置坐標(biāo)(xi,yi),則根據(jù)幾何原理,標(biāo)簽一定位于以閱讀器 i 所在位置為圓心,Ri 為半徑的圓周上,如圖 7-23 所示,即標(biāo)簽位置(x0,y0)與閱讀器位置(xi,yi)之間滿足如下關(guān)系:
聯(lián)立方程式就可以求出標(biāo)簽的位置坐標(biāo)(x0,y0)。
2)到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)
閱讀器Reader1、Reader2與標(biāo)簽之間的距離差可以通過測(cè)量得出,即通過測(cè)出從兩個(gè)閱讀器同時(shí)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)目標(biāo)標(biāo)簽的時(shí)間差t21來確定。R21=ct21。其中,c為電磁波在空中的傳播速度。根據(jù)幾何原理,在已知閱讀器和標(biāo)簽之間的距離差時(shí),標(biāo)簽必定位于以兩閱讀器Reader1和Reader2為焦點(diǎn)、與兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為R21的雙曲線對(duì)上。當(dāng)同時(shí)知道閱讀器Reader1、Reader3與標(biāo)簽的距離差R31=ct31時(shí),可以得到另一組以兩閱讀器Reader1和Reader3為焦點(diǎn)、與該兩個(gè)焦點(diǎn)距離差為R31的雙曲線對(duì),如圖7-20所示,兩組雙曲線的交點(diǎn)代表對(duì)標(biāo)簽位置的估計(jì)。
在TDOA中,標(biāo)簽坐標(biāo)(x0,y0)和閱讀器坐標(biāo)(xi,yi)(i=1、2、3)求解該方程組即得到標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。
2.利用到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)信息的定位方法
根據(jù)電磁波傳播理論,考慮標(biāo)簽到閱讀器的上行鏈路,如果標(biāo)簽在自由空間中以額定功率輻射電磁波,則根據(jù)Friis傳輸理論,空間任一點(diǎn)的接收功率或場(chǎng)強(qiáng)(功率正比于場(chǎng)強(qiáng)的平方)僅與距離有關(guān)。自由空間傳播模型為式中,Pt 表示標(biāo)簽的發(fā)射功率;Pri表示第 i 個(gè)閱讀器接收到的功率;λ表示電磁波的波長;Gt、Gri分別表示標(biāo)簽及第 i 個(gè)閱讀器天線的增益;Di是標(biāo)簽到第 i 個(gè)閱讀器的距離。在實(shí)際系統(tǒng)中,由于 Pt、λ、Gt、Gri都是已知的,可以測(cè)量得到,因此可以根據(jù)式(7-16)計(jì)算出標(biāo)簽到閱讀器距離Di。
三個(gè)閱讀器Reader1、Reader2、Reader3的位置坐標(biāo)均已知,通過測(cè)量標(biāo)簽到達(dá)閱讀器的電波功率可以由式(7-16)計(jì)算出三個(gè)閱讀器到標(biāo)簽的距離D1、D2、D3。這樣標(biāo)簽的位置就在分別以三個(gè)閱讀器為圓心,以D1、D2、D3為半徑的圓的交點(diǎn)處。
根據(jù)到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)信息定位的方法有兩種:經(jīng)驗(yàn)定位和信號(hào)傳播模型定位。
1)經(jīng)驗(yàn)定位
采用經(jīng)驗(yàn)定位時(shí),物體定位的全過全過程分為兩個(gè)階段。
第一個(gè)階段是離線狀態(tài)階段,即數(shù)據(jù)收集階段。在系統(tǒng)覆蓋的范圍內(nèi)取一些關(guān)鍵的位置作為參考點(diǎn)Pn(n是參考點(diǎn)的總數(shù)),然后把移動(dòng)終端擺在這些位置確定的參考點(diǎn)上,系統(tǒng)中的三個(gè)閱讀器分別接受移動(dòng)終端發(fā)來的信號(hào)強(qiáng)度s1、s2、s3,三個(gè)閱讀器接收的信號(hào)強(qiáng)度和移動(dòng)終端當(dāng)前所在的參考點(diǎn)的位置信息一并發(fā)往后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫為參考點(diǎn)建立這樣的數(shù)據(jù)記錄(s1,s2,s3,Pn),n從1取到N??梢钥闯鲞@個(gè)過程是個(gè)學(xué)習(xí)積累經(jīng)驗(yàn)的過程,參考點(diǎn)的數(shù)目和位置的選取會(huì)直接影響到物體定位的精度。
第二階段是數(shù)據(jù)處理階段,即實(shí)時(shí)的物體定位過程。當(dāng)移動(dòng)終端處在某個(gè)位置時(shí),系統(tǒng)中的三個(gè)閱讀器將測(cè)得 RF 信號(hào)強(qiáng)度(s1,s2,s3)和當(dāng)前時(shí)間 t 作為時(shí)間戳一起送往數(shù)據(jù)庫,這個(gè)時(shí)間戳用于對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的追蹤。數(shù)據(jù)庫將送來的(s1,s2,s3)依次與每條記(S1,S2,S3,Pn)做R=sqrt[(S1-s1)×(S1-s1)+(S2-s2)×(S2-s2)+(S3-s3)×(S3-s3)],找出R值最小的k條記錄,則k位置的均值就是估算出來的物體位置。
2)信號(hào)傳播模型定位
信號(hào)傳播模型定位的目的是減少定位對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴。其定位過程是:結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境在Rayleigh衰減模型、Rician分布模型等中選取一個(gè)或者設(shè)計(jì)一個(gè)新的信號(hào)傳播模型,利用合適的信號(hào)傳播模型為參考位置計(jì)算出理論上的信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)時(shí)的定位過程與經(jīng)驗(yàn)定位相似,不同之處是R值是由接收信號(hào)強(qiáng)度和按傳播模型計(jì)算得到的強(qiáng)度來計(jì)算的。雖然其信號(hào)傳播的定位精度不如經(jīng)驗(yàn)定位,但是不需要經(jīng)驗(yàn)定位在離線階段做的大量測(cè)量工作。3.利用到達(dá)角信息的定位方法
到達(dá)角(Angle of Arrival,AOA)定位方法是指每一個(gè)閱讀器都安裝天線天線陣列,閱讀器通過陣列天線測(cè)出從標(biāo)簽到2個(gè)以上閱讀器的傳輸路徑的到達(dá)方向(電波的入射角)來獲得位置信息。通常標(biāo)簽處于天線陣元的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng),因此可近似地將標(biāo)簽的來電磁波波前看做平面波,則間隔位置為 d的相鄰陣元所接收到的來自同一標(biāo)簽的到達(dá)角為θ的相位差φ為式中,λ表示空中傳播的無線信號(hào)的波長。根據(jù)式(7-17)測(cè)量不同陣元接收信號(hào)的相差φ,可得到來波信號(hào)的到達(dá)角θ。根據(jù)兩個(gè)閱讀器接收到同一個(gè)標(biāo)簽信號(hào)的到達(dá)角信息,可以利用幾何知識(shí)計(jì)算出標(biāo)簽的位置,閱讀器 Reader1、Reader2 測(cè)得的無線電波的到達(dá)角為α1、α2 ,標(biāo)簽位于分別經(jīng)過閱讀器 Reader1、Reader2 且以 tan(α1)、tan(α2)為斜率的直線交點(diǎn)處。
AOA定位方法
RFID定位常用的定位方法TOA、TDOA和AOA的工作原理,其定位精度、受環(huán)境影響情況和使用條件的比較如下。
(1)TOA定位方法的定位精度高,但標(biāo)簽和閱讀器在時(shí)間上要保持精確同步;此外,在室內(nèi),由于阻擋物較多,所以閱讀器有可能收不到標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào);室內(nèi)用戶之間的距離較短,而且存在較嚴(yán)重的反射、衍射和繞射等非直線傳播情況,加上同一用戶信號(hào)的各條多徑分量時(shí)間上相當(dāng)接近,因此,精確定位更困難。
(2)TDOA定位方法的定位精度高,但要求所有參與定位的閱讀器之間必須完全時(shí)間同步;此外,在室內(nèi),由于阻擋物較多,所以閱讀器有可能收不到標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào);室內(nèi)存在著較為嚴(yán)重的多徑和噪聲,以及參考時(shí)鐘的精確性,都將會(huì)使距離估計(jì)的效果變差。
(3)基于場(chǎng)強(qiáng)定位方法的定位精度不高,但系統(tǒng)容易搭建,在定位要求不高的情況下無須修改標(biāo)簽和閱讀器的硬件配置;在室內(nèi),由于阻擋物的存在,所以接收信號(hào)的強(qiáng)度受到較大影響;經(jīng)驗(yàn)法所需時(shí)間成本高,前期需要一個(gè)較長的經(jīng)驗(yàn)積累的階段,后期需要搜索數(shù)據(jù)庫,若改變室內(nèi)布局則需重新積累;信號(hào)傳播模型法雖然不需要做大量測(cè)量工作,但需要制作室內(nèi)信號(hào)傳播模型,若改變室內(nèi)布局則需重新建模型。
(4)AOA定位方法為了高精確地測(cè)量無線信號(hào)的到達(dá)角度,其閱讀器必須安裝昂貴的接收天線陣列,因此所需成本較高;在室內(nèi)非視距(NLOS)情況下,由于周圍的物體或墻體的阻擋,會(huì)使AOA定位出現(xiàn)很大的定位誤差,所以AOA技術(shù)不適用于低成本的室內(nèi)定位系統(tǒng)。