基于單天線相位的UHF RFID室內(nèi)定位算法研究

陳港能,朱洪輝

(1. 漳州理工職業(yè)學(xué)院印刷傳媒與藝術(shù)學(xué)院,福建漳州,363000;2. 漳州理工職業(yè)學(xué)院機(jī)電與信息學(xué)院,福建漳州,363000)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)屬于無(wú)線非接觸式系統(tǒng),對(duì)目標(biāo)的識(shí)別是通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)完成的,以此來(lái)獲取相應(yīng)的目標(biāo)信息[1]。通過(guò)研究可知RFID 系統(tǒng)是由標(biāo)簽、閱讀器、天線3 個(gè)部分組成。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是非接觸、非視距。UWB、超聲波、WiFi 等[2]現(xiàn)已成為室內(nèi)定位時(shí)常用的技術(shù),相比于這些技術(shù),UHFRFID 定位系統(tǒng)的成本較低[3]。經(jīng)過(guò)與有源RFID 系統(tǒng)進(jìn)行比較可以看出無(wú)源RFID 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加顯著,由于標(biāo)簽較輕使得攜帶更加方便,不需要對(duì)標(biāo)簽電源進(jìn)行內(nèi)置處理。在對(duì)定位進(jìn)行衡量時(shí)涉及多個(gè)指標(biāo),定位誤差是不可避免的[4]。對(duì)有源RFID 定位系統(tǒng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)其亟待解決的是定位誤差較高的問(wèn)題。如果將傳統(tǒng)定位技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位之中,則要面對(duì)硬件成本高和覆蓋范圍小等困擾[5]。受移動(dòng)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)速度不斷加快的影響,在室內(nèi)定位領(lǐng)域技術(shù)中,基于RFID 的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)因其非視距、靈敏度高、環(huán)境適應(yīng)力較強(qiáng)等特點(diǎn)成為優(yōu)選[6]。因室內(nèi)環(huán)境有多徑效應(yīng)、噪聲干擾的影響存在,現(xiàn)有RFID 室內(nèi)定位方案存在定位精度較低、過(guò)于依賴網(wǎng)絡(luò)等缺陷。因此,本文基于單天線相位的UHF RFID,對(duì)室內(nèi)定位算法進(jìn)行了研究。

1 載波相位與副載波相位

展開(kāi)相位信息的提取可通過(guò)多載波信號(hào)方式進(jìn)行,可對(duì)絕對(duì)信號(hào)傳播距離進(jìn)行計(jì)算,展開(kāi)相位信息受多途徑傳播環(huán)境影響,與絕對(duì)距離間存在較大誤差[7]。在單頻副載波調(diào)幅方式下,假設(shè)發(fā)射出頻率的3 個(gè)高頻載波信號(hào)分別為fc-fs、fc、fc+fs,其中fc-fs為初始載波信號(hào)頻率,fs為副載波信號(hào)頻率; 在多途徑傳播環(huán)境中,如果視距與非視距傳播路徑中信號(hào)傳播距離已經(jīng)確定,分別記為dlos和di,則多徑傳播信道增益為:其中,Γi表示網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)。

3 個(gè)高頻載波信號(hào)相位值φc-s、φc、φc+s可分別表示為:

其中,kc-s、kc、kc+s分別表示3 個(gè)載波對(duì)應(yīng)的k值,βc-s、βc、βc+s分別表示在視距傳播路徑中3 個(gè)高頻信號(hào)累積的相位信息。通過(guò)提取3 個(gè)高頻載波信號(hào)的相位信息,可以計(jì)算副載波信號(hào)和載波信號(hào)之間的多路徑頻率和相位偏移率。

1.1 副載波相位偏移量計(jì)算

副載波相位的計(jì)算公式為φs=(φc+s-φc-s)/2,相應(yīng)傳播距離為ds=(φs/(2πfs))·c,標(biāo)簽位置距離為Ds=ds/2=m·(λc/2)+l1,其中初始載波信號(hào)fc的波長(zhǎng)為λc;m為正整數(shù),半波長(zhǎng)范圍內(nèi)的l1∈[0,λc/2]。

1.2 載波相位偏移量計(jì)算

基于載波信號(hào)fc的相位值φc,信號(hào)傳播距離的計(jì)算公式為

鑒于在實(shí)際提出的載波信號(hào)相位信息中出現(xiàn)周期模糊的問(wèn)題,實(shí)際信號(hào)傳播距離計(jì)算公式為其中,[·]為下取整運(yùn)算。

基于φc估計(jì)出的標(biāo)簽位置距離為

1.3 計(jì)算閱讀器和標(biāo)簽真實(shí)間距

設(shè)d為閱讀器與標(biāo)簽之間的真實(shí)間距,引入d和載波fc的波長(zhǎng)λc的關(guān)系式:

式(1)中,n為正整數(shù),半波長(zhǎng)范圍內(nèi)的l2∈[0,λc/2]。

1.4 標(biāo)簽位置距離與真實(shí)距離之間的關(guān)系

做出如下假設(shè):n≤m,以副載波信號(hào)、載波信號(hào)相位信息為基礎(chǔ)可得到標(biāo)簽位置距離與真實(shí)距離間的關(guān)系,具體見(jiàn)圖1。

圖1 信號(hào)距離關(guān)系圖

副載波相位信息因受多途徑傳播信道影響有誤差存在,直接測(cè)距則誤差較大[8]。由于在m值和n值間存在較大測(cè)距誤差,在l1值和l2值間存在較小誤差。不使用參考標(biāo)簽時(shí),提高基于相位信息測(cè)距精度的關(guān)鍵在于減少m值和n值間差異。在多途徑傳播環(huán)境中的相鄰位置處,分析m值、n值差異,載波信號(hào)相位信息測(cè)距值Dc∈[0,λc/2]。在多途徑傳播環(huán)境中對(duì)Dc值與l2值的差異進(jìn)行研究,需要比較的是l1值和Dc值在0～λc/2 范圍內(nèi)準(zhǔn)確性的情況。

假設(shè)載波頻率fc為921 MHz,副載波頻率fs為2.5 MHz; 在y軸方向上,以1.5～6.5 m 作為閱讀器和標(biāo)簽距離d的變化范圍,以1 m 作為步長(zhǎng); 在距y軸同一距離d之上放置2 個(gè)標(biāo)簽,其位置在x軸方向上,標(biāo)簽1 與標(biāo)簽2 的坐標(biāo)分別為(2.2,d)、(2.365,d)。由此可以做出判斷,標(biāo)簽1 與標(biāo)簽2 在x軸上的距離確定為0.165 m,該數(shù)值與λc/2相接近,即為1/2 載波波長(zhǎng); 假設(shè)墻面與閱讀器距離為4.5 m,有2 條傳播路徑在閱讀器和每個(gè)標(biāo)簽通信之中存在,一條是墻面反射的非視距傳播路徑,另一條是墻面反射視距傳播路徑,其中地面介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)r為5,電導(dǎo)率σ為0.002。表1 為m值和n值的差異。

由表1 可知,n值和m值間無(wú)絕對(duì)大小關(guān)系,這表明對(duì)于測(cè)距誤差而言,多途徑傳播產(chǎn)生的影響不易估計(jì)。將標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的m值求平均,可在一定程度上將n值、m值間的部分差異減少。在定位場(chǎng)景中,閱讀器和標(biāo)簽2 間的距離大于其和標(biāo)簽1 的距離,以標(biāo)簽1 作為標(biāo)簽2 的m值補(bǔ)償,以此來(lái)保證標(biāo)簽1 與標(biāo)簽2 閱讀器位置方向關(guān)系。表2 為半波長(zhǎng)范圍內(nèi)l1值、l2值和Dc值的差異。

表2 半波長(zhǎng)范圍內(nèi)l1 值、l2 值和Dc 值的差異 /m

由表2 可知,標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的Dc值與l2值大小關(guān)系一致,標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的l1值與l2值間具有明顯差異,總體而言,Dc值比l1值要優(yōu)。在d=5.5 m 時(shí),標(biāo)簽1、標(biāo)簽2的Dc值與l2值有差異存在,34×(λc/2)+0.008 1=33×(λc/2)+0.153 0 為標(biāo)簽2 與閱讀器間真實(shí)距離,標(biāo)簽1、閱讀器間真實(shí)距離為33×(λc/2)+0.100 3。若采用聯(lián)合標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的m值求平均方式,結(jié)合標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的Dc值,則閱讀器、標(biāo)簽2 估計(jì)距離為33.5×(λc/2)+0.153 0; 閱讀器、標(biāo)簽1 間估計(jì)距離為33.5×(λc/2)+0.108 3; 標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 估計(jì)距離比實(shí)際距離0.5×(λc/2)要大,標(biāo)簽2、閱讀器間距離大于標(biāo)簽1 距離真實(shí)情況得到保證。結(jié)合表1、表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出基于雙標(biāo)簽兩步測(cè)距定位方法。

2 基于雙標(biāo)簽的測(cè)距定位方法

通常情況下,運(yùn)用在倉(cāng)儲(chǔ)空間條件下的待定位目標(biāo)的體積都比較大,諸如大尺寸的紙箱和大容量編織袋,而無(wú)源標(biāo)簽體積則很小,使用無(wú)源標(biāo)簽體積為5.50 cm×5.50 cm×0.03 cm; 在大體積待定位目標(biāo)上,附著無(wú)源標(biāo)簽兩個(gè)定位[9]。如果2個(gè)標(biāo)簽處于較近的位置,則多途徑傳播的環(huán)境把求平均運(yùn)算與載波相位信息兩種方法結(jié)合起來(lái)使用,可以使副載波相位偏移量的測(cè)距誤差隨之減少[10]。

2.1 基于雙標(biāo)簽的測(cè)距方法

以往研究中側(cè)重于信號(hào)展開(kāi)相位信息,較為忽視存在周期模糊的卷疊相位信息,本文使用將信號(hào)的卷疊相位信息、展開(kāi)相位信息相結(jié)合的測(cè)距算法。假設(shè)在同一平面上,待定位目標(biāo)附著標(biāo)簽1、標(biāo)簽2,圖2為雙標(biāo)簽法二維平面圖。1–d 為標(biāo)簽1 閱讀器的視距距離,2–d 為標(biāo)簽2 的相應(yīng)距離。在多途徑傳播信道,因有相位偏移引入,視距距離1–d、2–d 是由標(biāo)簽1 與標(biāo)簽2 所做出的估計(jì),與實(shí)際距離存在偏差。

圖2 雙標(biāo)簽法

結(jié)合表1,視距傳播路徑不同,標(biāo)簽的距離比較接近,但是相位偏移的問(wèn)題會(huì)受到多途徑傳播的影響而產(chǎn)生,且問(wèn)題較為顯著。所以在本次研究中提出采用雙標(biāo)簽兩步測(cè)距的方法,根據(jù)副載波信號(hào)相位信息得到距離計(jì)算正整數(shù)mi,其計(jì)算公式為其中,[·]為下取整,i∈{1,2}為雙標(biāo)簽編號(hào)。

對(duì)雙標(biāo)簽各自對(duì)應(yīng)的正整數(shù)m1、m2進(jìn)行計(jì)算。相比于式(1)中準(zhǔn)確的正整數(shù)值n,m1和m2均有偏差存在,求m1和m2的平均值m,減少差異,即

利用載波相位計(jì)算距離Dc,i,設(shè)ai為標(biāo)簽i閱讀器的距離估計(jì)值,則可由下式求得估計(jì)距離m:

這里采取的是同時(shí)附著雙標(biāo)簽部署的方法,提取副載波信號(hào)相位信息是在待定位目標(biāo)上完成的,對(duì)2 個(gè)標(biāo)簽與閱讀器間的距離進(jìn)行估計(jì)。

2.2 基于雙標(biāo)簽的定位方法

在傳統(tǒng)幾何定位方法中,使用多個(gè)閱讀器方式,在待定位區(qū)間的不同方位處分布閱讀器,通過(guò)圓相交方式對(duì)待定位標(biāo)簽坐標(biāo)位置做出準(zhǔn)確的估計(jì)[11]。雙標(biāo)簽處于三維空間內(nèi)可以進(jìn)行拓展后成為三標(biāo)簽。假設(shè)(x,y)為待定位目標(biāo)坐標(biāo),標(biāo)簽1 坐標(biāo)為(x1,y1),標(biāo)簽2 坐標(biāo)為(x2,y2),Δd為標(biāo)簽1 和標(biāo)簽2 間的間隔,在Δd=λc/2 的條件下,為了確定標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 閱讀器天線與(0,0)的距離(分別記為a1、a2),可以把兩步測(cè)距的方法應(yīng)用于其中,即

標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 的坐標(biāo)關(guān)系滿足:

計(jì)算出標(biāo)簽1 的坐標(biāo)解為

再利用公式x=(x1+x2)/2,y=(y1+y2)/2,解得標(biāo)簽2 的坐標(biāo)解x2,y2。其中,(x,y)為待定位目標(biāo)的坐標(biāo)。坐標(biāo)x1＜0 的情況很可能在式(5)中產(chǎn)生,之所以出現(xiàn)這種問(wèn)題是由于所采取的是兩步測(cè)距法,以式(2)為依據(jù)確定標(biāo)簽1 和標(biāo)簽2 正整數(shù)是一致的。比較標(biāo)簽2 與標(biāo)簽1 后,前者正整數(shù)m2比后者正整數(shù)m1多1,在式(2)后,標(biāo)簽2、標(biāo)簽1 具有相同的正整數(shù),這樣會(huì)減小標(biāo)簽2 與閱讀器距離。標(biāo)簽2 與閱讀器的距離在數(shù)值上差半波長(zhǎng)λc/2,因標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 間坐標(biāo)滿足式(4),會(huì)使定位結(jié)果有較大誤差出現(xiàn),而這些誤差對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)景則會(huì)產(chǎn)生一定的影響。比如在登記倉(cāng)儲(chǔ)入口處的物品時(shí),如果物品已被閱讀器左半面空間進(jìn)行了登記,那么右半面屬于需登記物品,而右半面空間內(nèi)包括了標(biāo)簽1 和標(biāo)簽2,但是受到距離誤差的影響而做出錯(cuò)誤的判斷,將其劃歸為左半面,即已登記貨物,這會(huì)引發(fā)貨物登記混亂,需修正。在進(jìn)行標(biāo)簽位置誤判修正時(shí),標(biāo)簽1、標(biāo)簽2 間距離為半波長(zhǎng)λc/2,可確保標(biāo)簽2 與閱讀器距離一直超過(guò)標(biāo)簽1 與閱讀器的距離,能夠精確把標(biāo)簽2 與閱讀器距離中的半波長(zhǎng)數(shù)倍展示出來(lái),即與標(biāo)簽1 相應(yīng)距離中的半波長(zhǎng)整數(shù)倍進(jìn)行比較要超出1。所以標(biāo)簽2 在x1＜0 的條件下距離a2要補(bǔ)上載波波長(zhǎng)值的1/2,即a2=a2+(λc/2)。

在定位多閱讀器中,不能預(yù)先做出標(biāo)簽與閱讀器間遠(yuǎn)近程度的判定,貨物登記誤差的問(wèn)題往往會(huì)在倉(cāng)儲(chǔ)入口應(yīng)用場(chǎng)景中產(chǎn)生,從而導(dǎo)致重大損失。為了妥善解決此問(wèn)題需要使用多標(biāo)簽的辦法,在此方式下進(jìn)行定位可通過(guò)單閱讀器天線來(lái)完成,降低硬件設(shè)施的成本,本算法的流程圖如圖3 所示。

圖3 基于雙標(biāo)簽的定位方法流程框圖

3 仿真結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)在Matlab 工具軟件中進(jìn)行,仿真場(chǎng)景為一倉(cāng)儲(chǔ)入口,尺寸為4.5 m×8.5 m; 以坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)作為閱讀器天線的位置,假設(shè)待定目標(biāo)的數(shù)量是105 個(gè),有2 個(gè)標(biāo)簽附著于每個(gè)待定位目標(biāo)上,而且入口中心線是對(duì)稱的。在y軸方向上,閱讀器和待定位目標(biāo)距離為任意長(zhǎng)度; 閱讀器副載波頻率為2.5 MHz,載波頻率為921 MHz,信噪比為10.2 dB,仿真次數(shù)為105 次。待定位標(biāo)簽i測(cè)距估計(jì)值與實(shí)際值di,j間的平均測(cè)距誤差f的計(jì)算公式為其中,M為標(biāo)簽數(shù),N為仿真次數(shù)。

待定位目標(biāo)i估計(jì)值(xi0,yi0)與實(shí)際值(x,y)間的定位均方根誤差e的計(jì)算公式為

平均定位誤差eave的計(jì)算公式為其中,Q為待定位目標(biāo)數(shù)。

接下來(lái)做如下設(shè)想: 有2 種多途徑傳播路徑,分別為兩條和三條。其中一條來(lái)自墻壁單次反射路徑,和另一條視距傳播路徑組成兩條傳播路徑; 在前面兩條的路徑上再加一條墻壁雙次反射路徑,共同組成了3 條傳播路徑。在直接利用副載波相位估計(jì)標(biāo)簽距離Ds后測(cè)距部分隨之形成,該方法稱之為單步測(cè)距; 在對(duì)估計(jì)標(biāo)簽距離時(shí)所采用的是兩步測(cè)距法(載波),這是在雙標(biāo)簽的基礎(chǔ)上形成的方法; 由公式(3)可知,載波相位計(jì)算距離Dc,i可以被副載波相位計(jì)算距離ll所替換,以此作為兩步測(cè)距(副載波),通過(guò)比較兩步測(cè)距(載波)、兩步測(cè)距(副載波)2 種方法的定位誤差后定位部分隨之形成; 如何理解兩步測(cè)距(副載波)、統(tǒng)計(jì)兩步測(cè)距(載波)方法判別率的問(wèn)題,從其實(shí)質(zhì)來(lái)看是對(duì)物品是否屬于未登記做出判定,這是在待定位目標(biāo)估計(jì)位置的基礎(chǔ)上完成的,表3 為3 種測(cè)距方法的平均測(cè)距誤差。

表3 測(cè)距誤差

由表3 可知,在兩條路徑條件下,兩步測(cè)距(載波)方法平均誤差為0.210 m; 兩步測(cè)距(副載波)方法平均誤差為0.200 m; 單步測(cè)距方法平均誤差約為0.322 m; 以兩條路徑作為前提條件可以確定用這3 種方法都會(huì)有測(cè)距誤差產(chǎn)生,而且差異是相類似的,由此可以做出判斷,兩步測(cè)距法比單步測(cè)距法準(zhǔn)確性更高,可以減少測(cè)距誤差。圖4 為載波和副載波2 種情況下運(yùn)用兩步測(cè)距法產(chǎn)生的誤差概率對(duì)比。

由圖4 可知,在三條路徑、兩條路徑情況下,兩步測(cè)距(載波)方法最大誤差分別為0.92、1.00 m,估計(jì)平均定位誤差分別為0.55、0.50 m; 在三條路徑、兩條路徑情況下,兩步測(cè)距(副載波)方法最大誤差分別約為0.97、1.00 m,估計(jì)平均定位誤差分別為0.57、0.54 m; 這表明兩步測(cè)距(載波)方法對(duì)本研究提出的基于雙標(biāo)簽的定位方法更加適合。而對(duì)于測(cè)距誤差,兩步測(cè)距(副載波)方法和兩步測(cè)距(載波)方法相差雖較小,但在基于雙標(biāo)簽的定位中,無(wú)法確保閱讀器與2 個(gè)標(biāo)簽間距離大小關(guān)系。貨物登記狀態(tài)誤判問(wèn)題在倉(cāng)儲(chǔ)空間場(chǎng)景中十分重要[12]。在105 次仿真實(shí)驗(yàn)中,對(duì)105 個(gè)待定位目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。兩步測(cè)距(載波)分別在三條路徑、兩條路徑的條件下誤判率都是0,兩步測(cè)距(副載波)方法誤判率分別為17.45%、17.82%。說(shuō)這表明兩步測(cè)距(載波)方法具有較高的準(zhǔn)確性,可以降低定位誤差,對(duì)物品能夠做出準(zhǔn)確的登記,適用于本次仿真場(chǎng)景[13]。圖5 為UHF RFID 陣列天線方位測(cè)試場(chǎng)景圖。

圖5 UHF RFID 陣列天線方位測(cè)試場(chǎng)景圖

4 結(jié)論

伴隨著無(wú)線定位技術(shù)的應(yīng)用推廣,此項(xiàng)技術(shù)也由室外逐步擴(kuò)展到室內(nèi),這也讓無(wú)源UHF RFID 室內(nèi)定位技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用,其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)源標(biāo)簽體積較小,因此基于標(biāo)簽室內(nèi)定位技術(shù)引起各界關(guān)注而成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文基于單天線相位的UHF RFID,對(duì)室內(nèi)定位算法進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論:

(1)如果待定位目標(biāo)邊長(zhǎng)距離要超過(guò)高頻載波信號(hào)波長(zhǎng),有2 個(gè)間距附著于待定目標(biāo)上,此無(wú)源標(biāo)簽是載波波長(zhǎng)的1/2。處于單閱讀器天線的條件下定位閱讀器與標(biāo)簽間存在三角幾何關(guān)系。使用2 個(gè)無(wú)源標(biāo)簽可以對(duì)測(cè)距誤差進(jìn)行調(diào)整,把定位誤差降下來(lái)。

(2)仿真表明,在三條路徑、兩條路徑情況下,兩步測(cè)距(載波)方法最大誤差分別為0.92、1.00 m,估計(jì)平均定位誤差分別為0.55、0.50 m; 兩步測(cè)距(副載波)方法最大誤差分別約為0.97、1.00 m,估計(jì)平均定位誤差分別為0.57、0.54 m; 但兩步測(cè)距(副載波)方法基于雙標(biāo)簽定位中,無(wú)法確保閱讀器與2 個(gè)標(biāo)簽間距離大小關(guān)系。

(3)在三條路徑、兩條路徑情況下,兩步測(cè)距(副載波)方法誤判率分別為17.45%、17.82%,兩步測(cè)距(載波)方法誤判率均為0。因此,兩步測(cè)距(載波)方法可將定位誤差降低,確保物品登記的準(zhǔn)確性。