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基于RFID无锚后向散射信号的高精度定位技术研究
摘要—RFID技术已经广泛应用于从物流到访问控制的各种场合中。通过知道RFID标签对象的确切位置，许多应用从中获益。然而，由于标签本身有限的能源和内存，目前在无线网络中的定位算法几乎都不能直接采用。例如，基于RSS的方法易受距离和标签方向的影响；基于AOA的方法对天线的间距有严格的限制，而阅读器的定向天线尺寸太大以至于不能满足。于是我们提出了BackPos—使用商业化RFID产品检测相位的细粒度的后向散射定位技术。我们的研究表明，相位与标签的位置之间确实有稳定的相互关系，并保存了频率和标签方向，但其面临着如周期性和标签多样性的挑战。我们试图推断在三角形约束下天线检测到的相位的距离差。此外，双曲线定位使用的距离差被用来收缩标签的候选位置，直到过滤出真正的一个。结合访问区，我们最终放松三角形约束的条件，并通过牺牲可行域以允许任意部署天线位置。我们用商业化RFID产品实现了BackPos原型并在多种情况下对该设计进行了评估。结果表明，BackPos达到了12.8cm的平均精度和3.8cm的方差。
关键词：RFID、双曲线定位，BackPos，可行域
I.简介
近年来，射频识别（RFID）技术得到了广泛的应用。在日常生活中我们几乎被RFID标签所包围。这些标签有着如信用卡、身份证、汽车钥匙、通行证等不同的形式，并在资产管理、对象跟踪、访问控制和物流中发挥了关键作用。通常情况下，RFID系统包括一个阅读器和多个标签。他们中的大多数利用后向散射无线电链路进行通信。在这样的链接中，标签不需要装备电池就能调制阅读器发出的后向散射信号的信息。阅读器附近的标签通过改变其天线的阻抗匹配以调制阅读器的信号，进而向阅读器传达0和1的信息。通过知道RFID标签对象的确切位置，许多应用从中获益。例如，我们可以快速检查某些书架上的书是否按次序摆放；找出丢失的信用卡而不需要靠猜测；或者向背后的人支付杂货。
传统的无线网络定位算法相比于RFID有很大的限制，因为他们在能源和内存方面有非常有限的能力。RFID定位—RFID领域的最重要的基础课题之一，已经受到了大量的关注[1]-[6]。RFID定位方法可分为两种。（1）基于接收信号强度（RSS）的方法[1]-[4]。这种方法使用信号强度作为标签的位置指示器。他们预先部署已知位置的参考标签。应用时，与目标标签的信号强度最相似的K参考标签被选择用来估计目标的位置。然而，因为RSS易受环境随时间的变化而产生波动，所以其准确性是不可靠的。此外，标签的方向性是RSS的另一个致命因素，这直接影响其从阅读器接收的能量。（2）基于AOA的方法[5]，[6]。他们采用多个天线接收标签的信号，并通过从标签到这些天线的相位差估计它们的角度。这些方法需要对天线的间距（le;/2）有严格的约束，而读写器的定向天线太大（25times;25）以至于不能满足要求。
在本文中，我们介绍了一种不需要参考标签的后向散射定位技术，称为BackPos。我们进行了一系列的实证研究表明，相位与标签的位置之间确实有稳定的相互关系，并保留频率和标签的方向，更重要的是，相位在半波长的距离上显示出了一个稳定的线性关系。结合这些特点，我们试图使用相位定位目标标签。然而，这一想法受到两个因素的挑战：（i）每个标签都有一个小并且不同的未知初始相位，与其独特的天线有关，这会影响阅读器测量的相位。我们应该谨慎处理来自于这种标签多样性的测量误差。（ii）相位是周期性的，这使得与距离的线性关系只在半波长范围内有效，从而增加了位置模糊度。我们应该找到消除这种模糊的方法。
我们的基本想法是使用相位差推断从目标标签到两天线的距离差∆d。相位周期产生的模糊可以由三角约束来解决，通过部署两个距离在半波长内（lt;/2）的天线。在这种情况下，∆d可以表示为一个确定参数∆的分段方程，然后用双曲线定位目标标签。详细来说，由∆d画出双曲线，曲线上的点都是目标标签的候选位置。而为了减少不确定性，需要画出多个双曲线，它们的交点即为目标位置。然而，如前所述，很难满足超高频段RFID的间距约束。仔细思考这个问题，我们观察到RFID访问区实际上是缩小在一个区域，超出该区域甚至不能访问，当定位时，我们不需要关心这些非访问区域。基于这样的观察，我们构建了一个虚拟的双曲线C，其焦点为在两个任意间距的天线，另距离差为/2。我们证明，在C的两个分支之间的区域，被称为可行区域，在该区域仍然满足三角形约束。也就是说，在可行域内的点定位是可行的。我们认为，由于访问区的存在，通过牺牲可行区域来放宽间距约束条件，这是可以接受的。
我们的方法有三大优点。（i）无需提前部署任何基础设施，因此在实际使用中非常方便。（ii）大部分高精度[7]，[8]的方法，分析的物理层信号已经超出了商业现成（COTS）阅读器的支持。相反，我们的方法不需要阅读器或标签的额外信息，获得了商业化RFID产品的青睐。（iii）由于相位差不需要测量初始相位，所以大大延伸了其使用范围。
综上所述，本文做了以下几个方面的工作：
- 我们从商业化产品收集相位并实施统计分析，显示出相位确实是标签定位的可靠指标，其保存了频率和标签方向。
- 针对标签在能源和内存以及它的多样性方面的限制，我们提出了一种细粒度定位技术的后向散射系统，称为BackPos。据我们所知，基于三角形约束可以放宽到一个合理的水平，我们第一个引入了访问区进行标签定位。
- 我们基于Impinj R420读写器以及EPC Gen2标签实现了一个BackPos原型。评价结果表明，平均位置误差为12.8cm，方差为3.8cm。
本文的其余部分结构如下：第二章介绍背景并进行实证研究。第三章对BackPos进行主要设计。第四章讨论更多的细节。第五章进行实施和评估。第六章概述本文相关作品。最后，第七章总结全文。
II.准备工作
在这一部分中，我们介绍了RFID系统的技术背景，并进行了一系列的实证研究，以及讲解了后向散射链路的相位特性。
反向散射无线电链路
无需电池的无源标签不使用无线电发射机。他们使用标签接收的能量反射信号。图1提供了RFID阅读器和无源RFID标签之间无线电波传播的概念图。后向散射无线电链路可以被这样简单的理解。
图1 后向散射通信
阅读器天线上的电流感应使得在标签天线上产生电压。两者的电流之间没有差异：感应电流导致了辐射。辐射波能够使其回到阅读器的天线，产生电压，从而产生一个信号，以此检测后向散射信号。一个典型的超高频阅读器已在902sim;928zMH ISM频段有50个通道。此外，超高频阅读器的访问范围为几米到几十米。一般来说，量程大小与阅读器天线的功率成正比。
我们的方法可以很好地适应这些规格。
射频相位
对于频率为f（Hz）的射频载波，频率f和之间的关系由给出，其中c是电磁波的速度，约等于光速（asymp;3times;108m／s）。总距离的后向散射信号是如图1所示的2times;d。除了距离上的射频相位旋转，阅读器的发射电路，标签的反射特性，和阅读器的接收器电路都将引入一些额外的相位旋转，被称为, ,和，因此，总相位旋转可以表示为：
(1)
是由通用的商业化阅读器维持的输出参数，k是保证在[0,2]内的整数，需要注意的是，k在测试中是一个未知的参数。和是与阅读器的特性有关的常数参数，可在阅读器手册中查阅。但是是另一个与标签相关的常数参数，我们没有办法提前测量，因为在实际中存在着成千上万的标签。这对我们来说是一个巨大的实际挑战。
实证研究
我们首先使用商业化ImpinJ阅读器和Alien标签进行了一系列实证研究。这些实验的目的是验证使用相位作为标签定位的以下三个假设。
Phase(°) Distance(cm)
图2 相位和频率 图3 相位和方向 图4 相位和距离
假设1：相位有随机性，但实际上有稳定的结构。频率变化时这种结构也被保留。
在第一个实验中，目标标签被放置在距离阅读器天线1.3m处。我们保持标签的位置不变，但在16个可用通道中不断更换频率。图2显示了相位的PDF在不同通道的访问。为了图像清晰度，这里只显示其中三个，其他的之类似。在该图中，使用直方图绘制结果，并使用固体曲线拟合。我们可以看到，相位实际上服从偏差在5.7◦的高斯分布。这样小的相位误差只会导致非常微小的测距误差(5.7/360x16.5cm=0.26cm)，这是一个可以接受的水平。
假设2：标签位置不变，则相位与标签的方向无关。
第二个实验涉及标签的方向，定义了标签和天线的偏振方向之间的角度。我们把频率固定在第五通道，从0到360◦改变标签的方向。图3显示了在8个方向的结果。我们可以看到，几乎所有测量相位保持在同一水平(200◦)。
假设3：测得的相位在波间周期内与距离有一个稳定的线性关系。
这一假说是后向散射定位的基础。在第三个实验中，我们将目标标签放到玩具火车上，让它远离天线做直线运动。标签被访问时的时间戳是用来计算距离的。结果如图4所示。在图中，我们可以看到实验结果很好地符合理论。根据方程1，相位从0到2每半个波长重复一次。在该图中，测量周期约17cm，非常接近理论值。此外，线性关系和其周期性预计将保持稳定。
显然，三个实验都证实了我们的假设。相位确实是标签位置的可靠指示器。
III. BACKPOS
在这一部分中，我们提出了后向散射定位方式，称为BackPos，并将逐步介绍其技术细节。
虽然相位在半波长范围内是一个准确的指标，但是存在两个严重的不确定性影响相位定位。第一，相位是周期性的，使得每一个传播周期存在一个候选位置。第二，我们不知道每个标签最初的相位()，没有办法基于方程1从推断出距离d。
我们注意到通用的商业化阅读器通常有四个定向天线。他们可以合作用于消除上述两种不确定性。假设我们有两个天线，(,)和(,),可以访问目标标签T(x,y),从标签到这两个天线的距离分别为||=和||=。假设和的测量相位为和，我们可以得到两个基于方程1的方程如下：
(2)
(3)
上述方程相减，我们有：
(4)
其中,，(- (minus;)。
去掉下标，方程可以简化为:
(5)
k是一个整数，确保在(minus;2,2)上=(minus;)。是常数项。从方程5可知，未知的的常数项自然消除，从而消除了标签的多样性的影响。假设∆d可以从推断，我们可以揭示出目标的位置吗？答案是可以。众所周知，双曲线的曲线是与两个固定的点（焦点）的距离差为常数的点的轨迹。所以，一旦知道了。我们可以构建这样一个焦点在两个天线位置的双曲线，形式如下：
如果我们建立了使两个焦点定位在X轴并且原点与两个焦点中心重合的坐标系统，上述方程可以简化为：
其中
以这种方式，目标标签的位置被限制在曲线上。此外，当通过多个建立多个双曲线，标签的二维或三维的位置就可以在他们共同的交集中发现。
虽然双曲线定位可以使用足够的天线找出目标位置，但我们仍然面临三个不确定性。(1)第一个不确定性来自于和由于相位周期造成的模糊关系。这将导致许多可能的目标位置。我们需要找到一种方法来找出真正的位置。(2)第二个不确定性是当双曲线的数量增加时，每个双曲线有两个分支，会引起可能的交点，即使我们知道距离差。(3)当有许多组合方程时，双曲线方程太复杂，找不到解析的解[9]。常见的方法是寻求一个不准确的数值解，这可能会进一步增加位置误差。然而，我们要利用定向天线的功能和特定的部署方法来得出一个解析解。
B.寻找可行域
从方程5可以看出，由于周期性，距离差实际上是一个大的集合。乍一看，似乎不可能筛选出真正的一个。然而，我们在实践中观察到三个重要的事实，帮助我们仔细排除不正确的。
图5 三角形约束 图6 可行域 图7 双曲线定位
事实1（三角约束）：事实上，当两天线部署在半波长距离内时∆d是确定。
假设两天线和部署间距在半波长内，如图5所示，从目标标签T到两天线的距离差∆d满足以下不等式：
(6)
上述不等式可以由三角不等式很容易地证明。将方程5代人不等式6，我们可以得到：
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