基于RFlD標(biāo)簽的定位原理和技術(shù)

摘要 識(shí)別和定位是用于室內(nèi)服務(wù)的關(guān)鍵信息，常見(jiàn)方法是估計(jì)RFID標(biāo)簽的位置。而在室內(nèi)環(huán)境下，信號(hào)遭受嚴(yán)重的損耗，標(biāo)簽的性能也會(huì)受到一定的限制。針對(duì)這些問(wèn)題，文中對(duì)現(xiàn)存的RFID定位技術(shù)和定位原理加以總結(jié)，在對(duì)RFID定位技術(shù)進(jìn)行闡釋和分類分析的基礎(chǔ)上，討論了在此領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞 RFID；定位；定位算法

    隨著環(huán)境感知在室內(nèi)導(dǎo)航、物流管理、控制接入、實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。室內(nèi)定位感知系統(tǒng)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的定位研究備受關(guān)注，關(guān)于RFID(Radio Frequency Identification，RFID)定位技術(shù)的研究課題開(kāi)始出現(xiàn)。基于RFID標(biāo)簽的定位技術(shù)遵循無(wú)線定位的基本原理準(zhǔn)則，考慮到RFID技術(shù)的特殊性和限制性，未來(lái)定位方法要注重從射頻傳播模型、讀寫(xiě)器的多樣性、可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行研究。文中主要對(duì)目前存在的RFID定位技術(shù)加以總結(jié)，介紹現(xiàn)代室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的定位原理，并對(duì)主要的RFID定位方案進(jìn)行了分類。

1 RFlD技術(shù)
    RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)主要由：標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和數(shù)據(jù)庫(kù)管理單元3部分組成，如圖1所示。

    其工作原理是標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)出存儲(chǔ)在芯片上的信息；或者主動(dòng)發(fā)送出某一頻率的信號(hào)。讀寫(xiě)器讀取信息并解碼后，送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
    RFID標(biāo)簽可分為兩種：有源電子標(biāo)簽，標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時(shí)標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器通信所需的射頻能量。無(wú)源電子標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池，在讀寫(xiě)器的讀出范圍之外時(shí)，電子標(biāo)簽處于無(wú)源狀態(tài)，在讀寫(xiě)器的讀出范圍之內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽從讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無(wú)源電子標(biāo)簽體積小、成本低，但在讀寫(xiě)距離及適應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)方面比有源電子標(biāo)簽差。
    RFID讀寫(xiě)器由天線、射頻收發(fā)模塊、信號(hào)處理單元、控制單元和接口電路組成。射頻收發(fā)模塊完成射頻信號(hào)接收、發(fā)射、調(diào)制解調(diào)和功率控制；信號(hào)處理單元的主要功能為防沖突算法的實(shí)現(xiàn)和信息加密、解密、校驗(yàn)和糾錯(cuò)；控制單元協(xié)調(diào)整個(gè)讀寫(xiě)器的工作；接口電路完成讀寫(xiě)器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
    數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，它通過(guò)各種接口和分布于各處的RFID讀卡器通信，實(shí)時(shí)獲取RFID讀寫(xiě)器捕獲的標(biāo)簽信息。

2 室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位原理
    室內(nèi)環(huán)境無(wú)線信號(hào)的傳播往往受到多徑、非視距、衍射和反射的影響，使得目前已提出的室內(nèi)定位算法并不能精確地測(cè)量信號(hào)。定位算法可以歸類為距離估計(jì)法、場(chǎng)景分析法和鄰近法。
2．1 距離估計(jì)法
    距離估計(jì)法是利用三角形的特點(diǎn)來(lái)估計(jì)待定位體的位置的算法。如圖2所示，三角測(cè)量法通過(guò)測(cè)量不少于兩個(gè)參考點(diǎn)所接收信號(hào)的到達(dá)角度，形成角度的兩條直線的交點(diǎn)即是所估計(jì)的位置。如圖3所示，三邊測(cè)量法通過(guò)測(cè)量待定位點(diǎn)到至少3個(gè)參考點(diǎn)的距離來(lái)估計(jì)待定位點(diǎn)的位置。這種測(cè)量技術(shù)利用接收信號(hào)接度(Received Signal Strength，RSS)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Time Of Arrival，TOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time-Difference Of Arrival，TDOA)和接收信號(hào)相位(Received Signal Phase，RSP)等方法。

    (1)RSS：發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的衰減與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離成函數(shù)關(guān)系。依據(jù)相應(yīng)的傳播信號(hào)路徑損耗，把信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為距離進(jìn)行定位，待定位點(diǎn)最少需要3個(gè)參考點(diǎn)參與計(jì)算?；赗SS的系統(tǒng)通常需要自適應(yīng)機(jī)制以減少室內(nèi)環(huán)境下多徑衰落及陰影效應(yīng)的影響。
    (2)TOA：參考點(diǎn)與待定位點(diǎn)的距離與信號(hào)的傳播時(shí)間成比例關(guān)系?；诘竭_(dá)時(shí)間的系統(tǒng)最少需要3個(gè)不同的測(cè)量裝置來(lái)完成二維定位。  TOA系統(tǒng)要求所有的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間保持時(shí)間同步。如果有多個(gè)參考點(diǎn)，采用最小平方算法以減少定位誤差。
    (3)TDOA：TDOA依據(jù)待定位點(diǎn)發(fā)射信號(hào)到達(dá)多個(gè)測(cè)量裝置的時(shí)間不同，把時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離差，以確定待定位點(diǎn)的相對(duì)位置。TDOA方法至少需要3個(gè)測(cè)量裝置參與距離差的測(cè)量，要求測(cè)量裝置之間保持時(shí)間同步。由于室內(nèi)環(huán)境非視距和多徑效應(yīng)的特點(diǎn)，影響了信號(hào)的傳播時(shí)間，降低了定位精度。
    (4)RSP：采用信號(hào)波長(zhǎng)分式表示時(shí)延來(lái)估計(jì)距離。這種方法要求發(fā)射機(jī)放在特定位置并且假設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)射完全正弦信號(hào)。利用和TOA相同的算法測(cè)量相位值估計(jì)位置，也可以利用和TDOA相同的算法測(cè)量相位差值實(shí)現(xiàn)定位。RSP方法的缺點(diǎn)是應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境時(shí)，要求滿足視距傳播路徑來(lái)減少定位誤差。
    (5)AOA：主要利用方向天線或陣列天線測(cè)量待定位點(diǎn)信號(hào)直線到達(dá)接收機(jī)的角度信息來(lái)確定待定位點(diǎn)的位置。這項(xiàng)技術(shù)要求的設(shè)備復(fù)雜，并且無(wú)法克服陰影效應(yīng)和多徑的影響。
2．2 場(chǎng)景分析法
    場(chǎng)景分析法由兩個(gè)步驟組成：(1)收集相關(guān)的環(huán)境信息。(2)通過(guò)把實(shí)時(shí)測(cè)量值與指紋集相匹配來(lái)估計(jì)待定位點(diǎn)的位置。常用的有基于信號(hào)強(qiáng)度的指紋識(shí)別技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)主要分為K-近鄰法和概率統(tǒng)計(jì)法。
    K-鄰居法：首先，測(cè)量已知位置的接收信號(hào)強(qiáng)度值，并且建立RSS數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，在實(shí)時(shí)測(cè)量階段，用待定位點(diǎn)的RSS值與之前建立的信號(hào)空間相匹配，利用均方根法尋找K個(gè)最近值，確定出待定位點(diǎn)的位置。
    概率統(tǒng)計(jì)法：依據(jù)后驗(yàn)概率和貝葉斯準(zhǔn)則，假設(shè)有Ⅳ個(gè)位置作為測(cè)量參考點(diǎn)，測(cè)量待定位點(diǎn)移動(dòng)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度矢量，選擇概率最高的作為待定位點(diǎn)的位置。一般來(lái)說(shuō)，概率統(tǒng)計(jì)方法涉及4個(gè)階段：校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)、誤差估計(jì)和歷史追蹤。
2．3 鄰近法
    這種方法主要依賴天線的排列密度。當(dāng)待定位點(diǎn)進(jìn)入到一個(gè)接收機(jī)天線輻射區(qū)域時(shí)，它的位置假定為此接收機(jī)位置。當(dāng)有多個(gè)天線檢測(cè)到待定位點(diǎn)時(shí)，待定位點(diǎn)的位置假定為接收信號(hào)最強(qiáng)的接收機(jī)位置。這種方法簡(jiǎn)單且較易實(shí)現(xiàn)，但是，準(zhǔn)確性與天線相關(guān)。

3 射頻識(shí)別定位方法
    目前已提出有多種不同的RFID方法，這些方法把室內(nèi)定位原理與RFID技術(shù)自身的特性相結(jié)合。
RFID定位方法可以分為：距離估計(jì)法、場(chǎng)景分析法、約束法。
3．1 距離估計(jì)法
    (1)SpotON：SpotON系統(tǒng)采用可調(diào)整的長(zhǎng)距離主動(dòng)RFID標(biāo)簽，多個(gè)讀寫(xiě)器收集標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量值，通過(guò)定義的函數(shù)來(lái)估計(jì)標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的距離，使用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算。
    (2)SAW ID—tags：表面聲波識(shí)別標(biāo)簽全部是無(wú)源標(biāo)簽，標(biāo)簽采用脈沖壓縮和編碼技術(shù)。測(cè)定每個(gè)標(biāo)簽脈沖反應(yīng)的頻率，接著標(biāo)簽重新傳送相關(guān)信號(hào)。重傳信號(hào)有一個(gè)自相關(guān)峰值，產(chǎn)生幅度值最高的脈沖響應(yīng)標(biāo)簽就是待定位點(diǎn)的標(biāo)簽。基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的方法測(cè)量每個(gè)讀寫(xiě)器i與標(biāo)簽之間的距離如式(1)所示。
   
    其中，Tsys是系統(tǒng)的時(shí)間延時(shí)；Tcable,i是預(yù)校準(zhǔn)脈沖期間接收天線和解調(diào)器之間電纜傳輸延時(shí)；TSAW是所有標(biāo)簽的時(shí)間延時(shí)。有3個(gè)估計(jì)距離時(shí)，系統(tǒng)用三邊測(cè)量法定位標(biāo)簽。
    (3)LPM：本地位置測(cè)量系統(tǒng)采用有源標(biāo)簽，讀寫(xiě)器與已知固定位置的參考標(biāo)簽(RT)同步運(yùn)行。在收到激活指令后，選定的測(cè)量標(biāo)簽(MT)在時(shí)刻TMT響應(yīng)。每個(gè)讀寫(xiě)器Ri相應(yīng)的時(shí)間差值通過(guò)式(2)計(jì)算
   
    計(jì)算至少3個(gè)讀寫(xiě)器的時(shí)間差值，用加權(quán)平均法估計(jì)標(biāo)簽的位置。
    (4)RSP：RSP也稱為波達(dá)方向(Direction of Arrival，DOA)，利用接收機(jī)處的陣列天線和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)，確定接收機(jī)到信源的波達(dá)方向，利用多個(gè)接收機(jī)估計(jì)的DOA進(jìn)行三角測(cè)量，方向線的交點(diǎn)就是信源的估計(jì)位置。
3．2 場(chǎng)景分析法
    (1)LANDMARC：LANDMARC系統(tǒng)主要采用K-近鄰法。已知位置的參考標(biāo)簽規(guī)則地分布在室內(nèi)，讀寫(xiě)器有8個(gè)不同的能量等級(jí)，通過(guò)比較讀寫(xiě)器接收到待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度值的大小來(lái)找出離待定位標(biāo)簽最近的幾個(gè)參考標(biāo)簽。
   
    式(4)表示了參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽的關(guān)系，n表示讀寫(xiě)器的數(shù)量；Si表示讀寫(xiě)器i接收到待定位標(biāo)簽的RSS值；θj,i表示讀寫(xiě)器i接收到參考標(biāo)簽j的RSS值。根據(jù)這幾個(gè)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算標(biāo)簽的位置。LANDMARC系統(tǒng)具有很高的定位精度，可擴(kuò)展性好，能處理比較復(fù)雜的環(huán)境，但由于信號(hào)的多路徑效應(yīng)，定位精度不高；為了定位更加準(zhǔn)確，往往要放置更多的參考標(biāo)簽，需要增加成本，并且可能產(chǎn)生射頻干擾現(xiàn)象。
    (2)VIRE：核心思想是在不增加額外參考標(biāo)簽的情況下，通過(guò)去掉不可能的位置以得到待定位物體更精確的位置。與LANDMARC不同的是，VIRE引入了近似圖的概念，近似圖覆蓋整個(gè)定位區(qū)域，并且劃分為多個(gè)小區(qū)域，其中每個(gè)區(qū)域的中心對(duì)應(yīng)著一個(gè)虛擬參考標(biāo)簽。每一個(gè)閱讀器都有一幅對(duì)應(yīng)的近似圖，如果閱讀器讀到的近似圖中某些區(qū)域的RSS值與讀到的待定位標(biāo)簽RSS值差的絕對(duì)值在某個(gè)閾值之內(nèi)，則將這些區(qū)域標(biāo)記。假設(shè)有k個(gè)閱讀器，則在獲得k幅近似圖之后，通過(guò)取交集可以得到待定位標(biāo)簽最可能在的區(qū)域。若最后得到的區(qū)域數(shù)為n，則可以通過(guò)式(5)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。
   
    其中，權(quán)重w=w1i×w2i；w1i表示虛擬參考標(biāo)簽和被定位標(biāo)簽偏差；w2i是最后所得區(qū)域密度的相關(guān)函數(shù)。VIRE方法引入了虛擬參考標(biāo)簽的概念，使得在不增加額外標(biāo)簽的前提下提高了定位精度，VIRE方法對(duì)環(huán)境也有較好的適應(yīng)性，在復(fù)雜和封閉的環(huán)境中也有較高的精度。
    (3)卡爾曼濾波：卡爾曼濾波法同樣利用參考標(biāo)簽。第一步，假定每個(gè)參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽距離為Di，計(jì)算兩個(gè)讀寫(xiě)器所接收到待定位標(biāo)簽的RSS值，采用最小均方差算法，建立系統(tǒng)的非線性方程。
   
    第二步是建立一個(gè)讀寫(xiě)器檢測(cè)區(qū)域的誤差測(cè)量概率圖。同樣地，用第一步的方法計(jì)算讀寫(xiě)器收到參考標(biāo)簽的RSS值，依據(jù)估計(jì)位置和實(shí)際位置，推算出相應(yīng)的概率誤差分布函數(shù)?？柭鼮V波利用迭代實(shí)時(shí)圖來(lái)減少RSS誤差影響，從而提高了定位精度。
    (4)Scout：Scout技術(shù)屬于概率統(tǒng)計(jì)法定位技術(shù)，這種方法采用參考標(biāo)簽和多個(gè)讀寫(xiě)器確定主動(dòng)標(biāo)簽的位置有以下3個(gè)步驟：首先，校準(zhǔn)參考標(biāo)簽的傳播參數(shù)；其次，待定位標(biāo)與讀寫(xiě)器之間的距離利用RSS概率模型計(jì)算出來(lái)；最后，應(yīng)用貝葉斯推論確定標(biāo)簽的位置。
3．3 約束法
    3-D constrains：首先，定義包含性約束條件，如果一個(gè)讀寫(xiě)器檢測(cè)一個(gè)標(biāo)簽，就表明它們之間的距離在讀寫(xiě)器范圍之內(nèi)。同樣定義非包含性約束條件，讀寫(xiě)器不能檢測(cè)到標(biāo)簽。把所定義的空間離散化為點(diǎn)，從而減小讀寫(xiě)器的檢測(cè)區(qū)域。最大約束條件下，點(diǎn)的集合的均值就是待定位標(biāo)簽的估值。

4 結(jié)束語(yǔ)
    概括介紹了目前存在的RFID定位技術(shù)，可以歸類為：距離估計(jì)法、場(chǎng)景分析法和約束法。RFID系統(tǒng)采用無(wú)源標(biāo)簽或有源標(biāo)簽，當(dāng)需要特定設(shè)備考慮環(huán)境的變化時(shí)，一些技術(shù)還要求布置參考標(biāo)簽。相比而言，有些技術(shù)成本低并適合不同環(huán)境的使用。在實(shí)際環(huán)境中，這些RFID定位方案都有各自重要的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。定位方法和標(biāo)簽的選擇很大程度上影響著定位信息的準(zhǔn)確性，并且關(guān)系到整個(gè)RFID系統(tǒng)的成本和效率。
    通過(guò)對(duì)RFID定位技術(shù)的總結(jié)和比較，結(jié)合自身的技術(shù)特點(diǎn)，未來(lái)的RFID定位技術(shù)應(yīng)該注重以下幾個(gè)方面的研究：(1)射頻傳播模型：目前大多數(shù)RFID定位采用的是測(cè)量RSS值，但這些方法使用的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型。由于RFID系統(tǒng)傳播的特殊性，應(yīng)考慮建立合適的射頻模型。(2)移動(dòng)性：應(yīng)考慮擁有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)器的混合系統(tǒng)，以增加收集數(shù)據(jù)的數(shù)量和多樣性。(3)可擴(kuò)展性：在給定時(shí)間內(nèi)確定讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽的數(shù)量、成功讀取標(biāo)簽的速度、讀取速度對(duì)準(zhǔn)確性的影響以及定位計(jì)算所需時(shí)間等，這些都是RFID定位技術(shù)的可擴(kuò)展性要研究的問(wèn)題。(4)矩陣：由于對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，RFID定位方案不能直接進(jìn)行比較。引入矩陣概念，就可以針對(duì)系統(tǒng)的成本，進(jìn)行較準(zhǔn)確的比較。