基于RFID的室内定位技术综述.pdf

随着社会不断发展袁室内定位在社会生产和生活中发挥着越来越重要的作用遥 在一些室内场所对物品或人员进行实时定位可保证其安全袁 同时也方便管理遥 基于射频识别(radio frequency identification袁RFID)的室内定位由于电子标签成本低尧易于部署尧非接触等优点可为室内物品位置定位或跟踪提供有效的解决方案1遥 但考虑到实际应用环境的复杂性袁仍然存在许多不确定性因素影响着定位精度袁 常用的 RFID 室内定位方法并不能满足要求2遥 因而对研究如何提高基于 RFID 室内定位系统的定位精度与实时性有着重要的意义遥1无源 RFID 系统通讯模型一个典型的无源超高频 RFID 系统由标签渊tag冤尧阅读器渊reader冤尧天线渊antenna冤以及后台系统四部分组成袁如图 1 显示了 RFID 系统进行通信的示意图遥后台系统通过无线/有线方式与阅读器连接袁并根据不同应用给阅读器发送相应的指令遥 阅读器通过天线发射射频信号并被标签接收袁由此标签获得能量袁从而激活标签中的芯片袁 芯片再对接收到的信号进行处理袁并将芯片中的信息通过标签天线返回给阅读器遥 阅读器通过天线接收到标签信号并反馈给后台系统遥 阅读器的整个控制软件和目标标签定位算法程序均可位于后台系统上遥图 1 RFID 的通讯模型Fig.1 Communication model of RFID2信号特征参数根据 RFID 系统的通信模型袁 阅读器和标签之间收稿日期院2023-02-22基金项目院福建省教育厅科技项目渊JAT191077冤曰 国家自然科学基金项目(61871133)曰厦门大学嘉庚学院预研项目渊YY2022L01冤遥作者简介院黄凤英渊1989-冤袁女袁汉族袁硕士袁副教授袁主要从事物联网技术研究遥基于 RFID 的室内定位技术综述黄凤英渊厦门大学嘉庚学院 信息科学与技术学院袁 福建 漳州 363105冤摘要院随着物联网技术发展袁人们对室内物品或人员位置的感知需求正在逐渐提高遥目前基于 RFID 的定位技术在许多定位场景中得到应用袁如仓库特定物品搜寻定位尧物体或人员运动轨迹跟踪等遥为推进基于 RFID 室内定位技术的研究袁从 RFID 系统的通信机制出发袁对不同信道特征参数信息的获取及标签定位处理方法进行了总结曰接着对基于不同特征参数信息定位方法进行了分析对比遥 最后袁展望了 RFID 室内定位技术的发展趋势遥关键词院射频识别曰室内定位曰特征参数曰标签曰定位算法中图分类号院TP391.44文献标志码院粤文章编号院员远苑源原圆员园怨穴圆园23雪09原园081原园7第 42 卷 第 9 期武夷学院学报灾燥造援42 晕燥援9圆园23 年 9 月允韵哉砸晕粤蕴 韵云 宰哉再陨 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Sept.圆园23叶武夷学院学报曳 圆园23 年第 9 期的通信方式是通过无线射频信号袁因此能够为研究者提供接收信号强度 渊received signal strength indicator,RSSI冤3尧到达相位渊phase of arrival袁POA冤或者到达相位差 渊phase difference of arrival袁PDOA冤4尧 到达时间渊time of arrival袁TOA冤5或 者 到 达 时 间 差 渊timedifference of arrival袁TDOA冤6尧 到达角度 渊angel ofarrival袁AOA冤7等信号特征参数信息遥 研究者们利用这些特征信息与对应的距离位置建立相应关系袁从而估算出待测标签的位置遥2.1信号强度根据电磁波理论袁当标签的发射功率和天线增益一定时袁阅读器接收的标签信号强度 RSSI 值越小袁则标签与阅读器距离越远袁反之越近8遥 基于接收的信号强度9,10的标签定位方法是目前最为普遍的袁其测距定位方法以自由空间传播模型或路径损耗模型为原理袁通过阅读器测量标签射频信号强度从而估算出待测标签的位置遥但在 RFID 实际应用中袁 由于室内空间环境的噪声及多径路径干扰袁影响接收信号的 RSSI 值袁给基于RSSI 的定位系统的精度带来巨大挑战袁因此这种方法通常需要采用多次测量获取平均值或加入参考标签等方法来处理误差遥2.2射频相位相位是射频信号中的一个非常重要的特征参数袁有些阅读器可支持获取该参数指标袁如 Impin J R 42011袁其接收信号的相位值分辨率可达 0.001 5 弧度袁 则可计算出的距离分辨率理论上为 0.038 mm12遥 因此袁相对于 RSSI袁相位对信号传播距离比较敏感遥图 2 反射链路通信信道Fig.2 Radio link comunication channel图 2 显示了在无源 RFID 系统中阅读器与标签之间进行反射链路通信的过程遥 当阅读器天线发送某一频率 f 的载波信号后袁将接收经标签反射回的信号袁得出相位值与距离的关系如下院渍=棕t=2仔f2dreader_tagc=4仔dreader_tag姿渊1冤式中院姿 是载波波长袁dreader_tag为阅读器到标签的距离袁c为光速袁t 为阅读器发射信号与接收到信号的时间差袁渍 为接收信号和发射信号的相位差遥 再将公式渊1冤变为院dreader_tag=渍4仔姿渊2冤但实际情况下袁相位值 渍 是一个周期函数袁只有当相位值在单周期内时袁 得到的测距结果才是正确的遥 因此袁简单依靠公式渊2冤进行相位测距袁其定位距离范围是有限的13遥2.3信号到达时间基于信号到达时间渊TOA冤的定位方法袁其主要原理是根据不同阅读器接收到标签返回的信号时间差来估算两者之间的距离遥 然后再通过定位算法进行待测标签位置估算遥 Stelzer 等14在 TOA 方法基础上利用目标标签信号到达多个阅读器之间的相对时间差渊TDOA冤来计算它们之间的相对距离袁用已知位置关系的阅读器计算出绝对距离遥但无论是基于 TOA 还是 TDOA 的定位方法袁都要用到射频信号在传播过程中的时间差值袁因此要求阅读器和标签之间的时钟能够同步袁 且时间精度高遥这在实际运用中都较难实现袁 所以基于 TOA/TDOA的 RFID 室内定位方法应用较少遥2.4信号到达角度基于信号到达角度渊AOA冤是利用信号到达角度的特征参数信息来定位标签位置遥 一般情况袁利用带有较强方向性天线或者阵列天线的阅读器来接收标签返回信号的角度信息袁以此类推袁其他阅读器也测得的该标签返回信号的到达角度信息袁并以它们信号的角度方向所产生的交点袁来确定标签位置7遥但基于 AOA 的定位方法对天线设备要求比较82窑窑高袁通常需要在阅读器上安装特定的阵列天线袁才能达到较好的定位效果遥3标签定位处理方法通过以上分析可知袁无论是采用哪一种特征参数信息进行定位袁都存在一些不足遥 另外袁若特征参数信息未经相关处理而直接进行标签距离定位袁 RFID 定位系统将很容易受室内环境因素干扰袁造成定位结果的准确度与精确度的降低遥 在基于以上信道特征参数信息进行标签定位过程中袁为了提高定位精度袁提出不同的定位处理算法袁如几何定位法袁指纹定位法袁全息图法15等遥几何定位法主要是通过所获得信号参数信息建立相对应的线性或非线性方程组袁然后通过求解方程组的值袁来计算待测标签位置遥 而对于求解建立的非线性方程组袁大多采用最小二乘法尧梯度法等15遥指纹定位法最早由 LANDMARC3被提出袁该方法的思想一般分为两个阶段院一是建库袁二是匹配遥 首先在环境中部署大量的已知位置的标签袁通过阅读器分别获取它们的信号强度值袁 并存入后台数据库中袁然后将接收到待测标签的信号强度值一一和库中的强度值进行比对袁最后选择信号强度值最接近的已知标签位置作为待测标签位置遥 基于指纹定位法袁很多研究者采用袁 如 K 邻近算法(K-nearest neighborhood袁KNN)3,9,10,16尧神经网络算法17-18尧最大期望估计19和贝叶斯概率算法20等进行处理遥全息图法最早是由 ROBEAT 等21提出的一种SAR 的定位方法遥 全息图法的核心内容如下院首先将待搜索的二维平面或三维空间分割成为一个个位置像素点袁并通过阅读器天线在不同位置上采集标签相位信息袁每个天线测得的实际相位值与天线到每个像素点的理论相位到建立复指数函数袁根据计算得到的复指数大小来估算待测标签的位置遥 下面以三维空间为例袁将三维空间分为 W伊L伊H 个方格位置像素点袁如图 3 所示袁并用 Zw,l,h代表渊w,l,h冤出的像素中心点位置袁设在 M 个时刻下阅读器的天线位置分别为喳A1噎Am噎AM札,m沂M,相应测量的相位值为 喳兹1噎兹m噎兹M札,m沂M袁因此计算待测标签的位置可用以下公式计算院图 3 阅读器与全局坐标系示意图Hw,l,h=移Mm=1ej渊谆渊zw,l,h,Am冤-兹m冤渊3冤式中院谆 渊zw,l,h袁An冤 表示第 m 个天线位置与像素点 zw,l,h距离所对应得理论相位值遥谆渊zw,l,h袁An冤=渊4仔姿d渊zw,l,h袁Am冤冤mod渊2仔冤渊4冤式中院d 渊zw,l,h袁Am冤 表示第 m 个天线位置与像素点 zw,l,h直线距离遥 Hw,l,h代表 M 个复指数信号的叠加袁其值大小反映了渊w,l,h冤处的理论相位与测量相位之间的差异情况遥 如果对全空间的所有像素点进行公式渊3冤遍历计算袁则有个位置会使得 Hw,l,h值最大袁换句话说该位置处所有的理论相位值与测量相位值之间误差的总和最小袁因此可认为该位置即为待测标签的实际位置遥 有研究者通过构造不同全息图来实现高精度的定位袁如袁YANG12提出差分增强全息图尧SHANGGUAN22提出具有多载波频率数据的全息图尧 XU23提出联合全息图等遥 XU23设计一种鲁棒性更好的全息图袁探讨了目标标签可能存在的所有位置的可能性袁并提出将全息图与深度卷积神经网络算法相融合来抑制多路径效应遥一般情况下袁 指纹估计法相比几何估计法在复杂的室内环境下能够获得较高的定位精度袁 但由于离线阶段指纹库的建立时间花费较多袁 指纹匹配算法的计黄凤英院基于 RFID 的室内定位技术综述83窑窑叶武夷学院学报曳 圆园23 年第 9 期算量较大袁因此袁整体的定位实时性也较差遥 而全息图方法是通过遍历搜索空间的方式袁 相比指纹估计法其免去了指纹库的建立过程袁定位实时性更能满足要求遥4不同特征参数定位方法比较下面将从不同特征参数对硬件需求尧适用的定位处理方法以及优缺点等多方面进行简要分析总结袁结果如表 1 所示遥渊1冤RSSI院 基于接收信号强度的定位方法首先需要一个可获取 RSSI 值的阅读器袁例如 IMPINJ 的R 500 或 R 2000 等型号芯片所开发的阅读器遥基于经典的 RSSI 指纹定位法 LANDMARC3系统定位平均误差为 1 120 mm遥在行李轨迹追踪测试中袁文献12将参考标签放在轨道附近袁 最后测得综合误差为 600 mm袁而SHANGGUAN8通过改变 RSSI 和阅读速率的方法决定行李顺序袁并测得平均误差只为 150 mm遥RSSI支持获取 RSSI 值的阅读器几何定位法24指纹定位法25,26成本低尧测量简单易受到环境影响POA/PDOA支持获取相位值的阅读器几何定位法27指纹定位法28全息图法23,29,30无需部署参考标签袁定位精度高受多径路径影响袁 需要特殊设备获取相位TOA/TDOA阅读器与标签的时间同步袁 且精度越高几何定位法4袁31适用于精度要求不高尧信号传播较慢的定位需要精确的时钟同步AOA阵列天线几何估计法32不占用带宽尧无需时间同步阵列天线要求较高表 1 不同信号特征参数的定位方法对比Tab.1 Comparison of localization methods for different signal charateristig parameters渊2冤POA/PDOA院基于相位参数的定位方法需要一个可获取相位值的阅读器袁 如 IMPINJ 的 R 420 型号芯片开发的阅读器遥 相比于接收信号强度袁信号相位对距离变化更敏感袁精度更高遥WANG28使用通过天线运动创建的合成孔径雷达(synthetic aperture radar袁SAR)来提取每个标签的多路径特征信息袁 并像基于RSSI 的方法一样利用参考标签来定位待测标签袁Wang 的平均误差距离为 120 mm遥 YANG12基于差分增强全息图的方法减小了环境噪声和标签多样性带来的额外相移影响袁在线性轨迹追踪上袁测得综合误差为 14 mm袁 在环形轨迹追踪上袁 测得综合误差为7.28 mm袁由此可知袁在可控环境下袁基于 DHA 的定位精度大大提高遥 邱兰馨等33提出一种 3DinSAR 定位算法袁该算法基于多相位差可实现高精度尧实时的三维标签定位袁在实际环境测量下袁平均误差为 240 mm袁最小误差为 60 mm遥渊3冤TOA/TDOA院基于信号到达时间的定位方法要求阅读器与阅读器袁阅读器与标签之间能有较高精度的时钟同步遥 主要因为信号传播速度为光速级别袁如果时钟的精度不够袁且不同步袁那么时钟一点点的变差都将会对目标标签位置估算产生较大误差袁从而使标签定位精度降低遥渊4冤AOA院由于大部分阅读器不支持测量角度功能袁因此需要专门设置一种特殊的阵列天线袁同时袁室内环境对阵列天线尺寸安装的限制袁让整个硬件系统设计难度变高遥 但有研究者20,34为此采用虚拟天线阵元来替代实际阵列天线袁即用天线在移动过程中接收多个标签反射信号来模拟天线阵遥 文献 32 提出的84窑窑PATL 定位方法袁利用加权算法估算标签的二维位置袁经过实验测试袁该方法的定位精度为 21 cm遥在基于 RFID 室内定位技术的具体实施过程中袁应通过具体的应用场景袁从实施成本尧精确度尧算法复杂度等方面选择合适的定位信号特征参数以及标签的定位处理方法遥5总结与展望通过对文献内容的分析袁 对 RFID 室内定位技术总结出如下几个方向发展遥 第一袁单一信号特征参数的测距定位模型具有较多的局限性袁 为提高精度袁可结合多种特征参数信息进行定位袁即从单一特征参数转向多个特征参数发展遥 第二袁在现有的定位处理方法上进行改进袁将几何定位方法尧指纹定位方法向全息图法或其他方法发展遥 第三袁简化硬件组成系统袁系统将从大量参考标签尧多阅读器尧多天线等向移动标签尧移动阅读器尧虚拟天线阵等低成本方向发展遥 再者袁从实际应用来看袁可从室内物品位置及追踪定位等转到增强现实及人机交互方向发展遥未来袁随着 RFID 室内定位技术的不断发展袁定位的准确性尧精确度和实时性不断提高袁基于 RFID 的室内定位技术将为人们生产和生活带来更大的变化遥参考文献院1VENAA,ILLANES I,ALIDIERES,L,et al.RFID basedIndoor Localization System to Analyze Visitor Behavior in aMuseumC/IEEE International ConferenceonRFIDTechnology andApplications.Electr network:IEEE,2021:183-186.2 BERNARDINI F,BUFFI A,FONTANELLI D,et al.Robot-based indoor positioning of UHF-RFID tags:The SARmethod with multiple trajectoriesJ.IEEE transactions oninstrumentation and measurement,2021,70:1-15.3NI L M,LIU Y,LAU Y C,et al.landmarc:Indoor locationsensing using active RFID J.Wireless Networks,2004,10(6):701-710.4HEKIMIAN W C.Accurate localization of rfid tags usingphase difference C.Proc of IEEE Internation Conference onRFID.M.IEEE Press,2010院89-96.5HE J,YU Y,WANG Q.RSS assisted TOA-based indoorgeolocation J.International journal of wireless informationnetworks,2013,20(2):157-165.6STELZER A,POURVOYEUR K,FISCHER A.Concept andapplication of LPM:A novel 3D local 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Asia-Pacific Microwave ConferenceC援Melbourne袁VIC袁USA袁2011.179-182.31施竣严袁秦小璐袁王宁援基于梯度博奕的 RFID 室内定位算法J援计算机科学袁2015,42(11)院138-143.32梁笑轩,黄樟钦,邱兰馨.一种基于二维相控阵天线的 RFID定位方法J.电子学报,2018,46(4):911-917.33邱兰馨,黄樟钦,李达.一种基于相位干涉的 RFID 标签三维位置感知方法J.计算机学报袁2019,42(11)院2512-2525.34QIU L X,HUANG Z Q,WISTROM N,et al.3Din SAR:object 3D localization for indoor RFID applicationsC.Procof IEEE International Conference on RFID,IEEE Press,2016:31-38.86窑窑Survey of Indoor Location Technologies for RFIDHUANG Fengying渊Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou,Fujian 363105)Abstract:With the development of internet-of-things(IoT)technology,peoples demand for indoor objects or personnel location-awareis gradually increasing.At present,indoor location technology based on RFID applies in many valuable practical applications,such assearching and locating specific items in warehouse,tracking the movement of objects or people,and so on.In order to promote the follow-up research based on RFID indoor positioning technology,this paper introduced the communication mechanism of RFID system,summarized the acquisition of different channel characteristic parameter information and the key technologies of different label locationprocessing methods.In addition,the positioning methods based on different characteristic parameter information are analyzed andcompared.Finally,the development direction of RFID indoor location technology is figured out.Key words:RFID;indoor location;characteristic parameter;tag;localization algorithm渊责任编辑院马阿曼冤黄凤英院基于 RFID 的室内定位技术综述87窑窑