超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

任盈之，劉熙，張欣

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.中興通訊股份有限公司)

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超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

任盈之1，劉熙1，張欣2

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.中興通訊股份有限公司)

研究了一種用于超高頻RFID定位的相位式測距方法，針對超高頻載波信號在相位提取過程中會出現整周相位模糊的問題，采取了單頻副載波調幅的解決方法。通過離散頻譜校正技術得到副載波信號收發相位之差，從而獲取閱讀器與標簽之間的距離信息，然后采用最小二乘法實現對標簽的定位。仿真結果表明，離散頻譜校正的方法能夠保證相位估計的精度，證明了本方案的有效性和穩定性。

相位式測距；射頻識別；離散頻譜校正

引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)是一項非接觸式自動識別技術[1]，具有能耗低、適應性強、操作快捷等許多優點。近年來，研究的重點轉向了超高頻段(UHF，860～960 MHz)，已經有科研人員將提取射頻信號到達入射角或相位差作為RFID定位研究的新方向[2]。參考文獻[3]證實了在低信噪比實測環境中提取相位差信息的可行性，但是沒有提取出位置信息；參考文獻[4]中采取機器學習訓練機制對多天線相位差信息進行參數提取，但是僅限用于活動范圍較小的醫療跟蹤。

本文研究的基于相位式測距的UHF RFID定位方法，與基于信號的傳播時延和強度衰減作為定位依據的方法有所不同。結合離散頻譜校正技術提取發射信號與接收信號之間的相位，得到信號相位差，進而得到閱讀器與標簽之間的距離，利用多個閱讀器所測得的距離，實現對目的標簽的定位。

1 基于相位式測距的UHF RFID定位方案

1.1 閱讀器和標簽的通信機制分析

閱讀器和標簽的通信是基于ITF(Interrogator Talk First)機制的，即基于閱讀器的命令與閱讀器的回答之間交替發送的半雙工機制。

對于基于相位法的超高頻RFID定位系統，選擇標簽返回PC+EPC+CRC16信息這一過程為基準進行信號相位的提取并用于標簽的定位中。標簽返回這些信息的過程為反向散射過程，需要閱讀器發送一個單頻的CW信號為標簽提供能量并作為標簽反向散射信息的載波。對于標簽信息的調制過程，則是通過標簽的基帶數字信號控制標簽芯片阻抗在兩種狀態之間切換，使得天線與標簽芯片阻抗在匹配與失配之間轉換來改變天線的反射系數，完成整個調制過程。若改變標簽芯片和天線實部阻抗的匹配與失配，為ASK調制；改變阻抗虛部的匹配與失配，則為PSK調制。

由于ASK調制較為容易實現，目前市面上絕大多數標簽采用ASK調制。標簽芯片和天線的等效電路如圖1所示。

圖1 標簽芯片和天線的等效電路

其中，Za為天線阻抗，Z1為數字信號為高電平時的阻抗，與Za失配；Z2為數字信號為低電平時的阻抗，與Za相匹配。當信號為高電平時，天線阻抗與芯片阻抗失配，閱讀器發送的CW信號無法進入芯片，被天線反射到空間中；當信號為低電平時，天線阻抗與芯片阻抗匹配，閱讀器發送的CW信號將進入芯片，不會反射回空間中，由此便完成了信號的調制過程。

1.2 系統設計

對于整個定位系統，需采用多個閱讀器分別計算與同一標簽的距離信息，并根據幾何定位獲取標簽的位置信息。對于單個的閱讀器及相關算法模塊，系統硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 定位系統硬件設計框圖

① 閱讀器的設計，主要進行閱讀器與標簽之間的通信，并提取標簽的EPC信息；

② 相位提取預處理電路與相位提取算法模塊設計，主要用于處理收發副載波信號，并提取這兩個信號的相位用于測距和定位。

通過修改標簽反向散射信息過程中閱讀器發送的單頻CW信號的形式，即將一個低頻的副載波信號以AM調制的方式調制到CW信號上。對于修改后的CW信號，將發送信號s(t)和接收信號r(t)分別進行帶通采樣和A/D 轉換后送入數字域，并采用離散頻譜校正方法估計收發信號中副載波分量的相位φs和φr，計算得到收發副載波信號的相位差Δφ，設副載波頻率為f0，則閱讀器與標簽之間的距離可表示為

(1)

在整個定位系統中，我們采用多個閱讀器分別對同一標簽進行測距，結合PDoA(Phase Difference of Arrival)的最小二乘法獲取標簽的位置信息。系統信號處理框圖如圖3所示，可見Δφ的精度直接影響后續的定位精度。

圖3 系統信號處理框圖

1.3 單頻副載波調幅

本文選擇閱讀器發射信號載波頻率fc=915 MHz，則λc=c/fc=0.327 9 m。設定測距范圍為0.3～20 m，在此測程內包含了2×20/0.327 9=121.988 4個載波周期，即存在相位模糊，所以不能直接用載波信號提取相位。針對這一問題，采用單頻副載波調幅的方式，即將一較低頻率的副載波與載波調制，將副載波作為獲取相位信息的信號[5]。根據測距范圍，需要副載波波長λ0/2≥20 m，則副載波頻率f0=c/λ0≤7.5 MHz。考慮到ISO/IEC 18000-6C協議標準對預留頻率資源的限制，若副載波頻率選得過大，則會超出協議或者地方規定的UHF RFID使用頻段；如果副載波頻率選得過低，導致波長過長，會使得副載波的相位變化微小，難以保證測量精度。綜上考慮，本文選擇副載波頻率為2 MHz，對于0.3～20 m的測量距離，副載波的相位變化范圍為1.44°～96°，在一個合適的區間內。

2 基于帶通采樣的相位提取與測距

設采樣頻率為fs，則經帶通采樣后發射與接收信號分別為

s(n)=[cos(2πnf0/fs+φs)+A]·cos(2πnfc/fs+φc)

(2)

r(n)=[cos(2πnf0/fs+φr)+A]·cos(2πnfc/fs+φd)

(3)

φc、φs分別為發送端載波、副載波相位，φd、φr分別為接收端載波、副載波相位，A為調制電平。

對式(2)、式(3)積化和差，進一步表示為

式(4)、式(5)所示的離散信號經FFT后自身帶有相位信息，但是，在相位提取時，由非整周期的時域截斷導致的頻譜泄漏和多頻率諧波信號各頻率成分相互的干涉現象都會使相位偏離真實值，這就需要借助離散頻譜校正技術。這里，綜合考慮對主瓣的能量集中性和窗函數表達式的復雜性，選用加hanning窗的比值法、能量重心法對相位進行提取與校正[6]。

由式(4)、式(5)可知，射頻載波信號經副載波調制后會產生一個差頻項和一個和頻項，它們的相位值分別對應載波相位與副載波相位的差與和，則副載波信號經標簽反向散射返回后的相位差為Δφ=φr-φs

(6)

將式(6)帶入式(1)，即可得到閱讀器與標簽之間的距離信息。

3 定位仿真分析

使用Matlab軟件進行仿真，參數設置如下：

① 信號參數,采樣頻率fs=9.128MHz，副載波頻率f0=2MHz，載波頻率fc=915MHz，調制電平A=1。

② 環境參數，在20m×20m二維空間的四個角上布置4個閱讀器，標簽位置隨機投放。

③ 噪聲，實際定位中噪聲不可忽略，定義疊加噪聲幅度snr=(0.75/10(SNR/10))1/2，分別在SNR=5dB、8dB、11dB、14dB、17dB下仿真。

進行1000次蒙特卡洛仿真實驗，定義均方根誤差(RMSE)

(7)

式中n為測量次數，di為測量值與真實值的偏差。

圖4 測相、測距誤差對比

把用比值法、能量重心法得到的測量值進行比較，如圖4所示，在小信噪比環境下，比值法稍優于能量重心法，隨著信噪比的增大，兩種方法的測相誤差和測距誤差都隨之減小，在SNR>11 dB后，兩種算法的誤差基本相同。在各信噪比下，測相誤差最大達到6.27°，最小僅為1.43°，測距誤差的范圍為0.30～1.31 m。

圖5為采用最小二乘法進行定位后兩種算法的RMSE對比圖。從整體趨勢上來看，隨著信噪比的增大，定位誤差不斷減小。在噪聲較小SNR=17 dB時，兩種方法RMSE均在0.35 m左右；在噪聲增大到SNR=5 dB時，比值法RMSE為1.47 m，能量重心法RMSE為1.57 m。在SNR由5 dB增大到8 dB的過程中，兩種方法的RMSE都有明顯的降低，分別降低了0.43 m和0.51 m。

圖5 定位誤差對比

圖6為在不同信噪比下，比值法的累計定位誤差曲線圖。在SNR≥14 dB時，定位較為準確，曲線收斂速度很快；在SNR=11 dB時，定位誤差在0.94 m以下的概率為80%，定位準確度也很高；當信噪比減小到SNR=8 dB時，定位誤差有86.8%的概率小于 1.5 m；在SNR=5 dB時，定位誤差小于1.5 m 的概率為68%，但是可以看出曲線的收斂速度較慢。

圖6 信噪比對定位誤差的影響

結 語

本文研究了一種用于超高頻RFID定位的相位

Research of Phase Difference Ranging in UHF RFID Positioning

Ren Yingzhi1, Liu Xi1, Zhang Xin2

(1.School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.ZTE Corporation)

A phase difference ranging method in UHF RFID positioning is presented. Aiming at the problem of phase fuzzy of the carrier signal, single subcarrier AM modulation is introduced. The distance between reader and tag can be obtained by measuring the phase difference of received signal and transmitted subcarrier signal, and the phase difference is measured by using discrete spectrum correction algorithms, then the least squares is used to get the localization of tag. Experimental results show that accurate phase values can be estimated through discrete spectrum correction and the proposed method is proved to be efficient and stable.

phase difference ranging; radio frequency identification; discrete spectrum correction

TN966.2

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