CN103474758A - 一种基于rfid技术的方向感知方法 - Google Patents

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CN103474758A CN201310451672XA CN201310451672A CN103474758A CN 103474758 A CN103474758 A CN 103474758A CN 201310451672X A CN201310451672X A CN 201310451672XA CN 201310451672 A CN201310451672 A CN 201310451672A CN 103474758 A CN103474758 A CN 103474758A
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佐磊
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Abstract

一种基于RFID技术的方向感知方法，包括如下步骤：将两标签呈90°贴附于目标物表面；利用极化方向即水平极化及垂直极化正交的阅读器的天线发射指令；阅读器接收标签反向散射信号并测量标签反向散射信号功率；根据最大似然估计原理，计算两标签与阅读器天线水平极化方向夹角估计值，进而计算目标物方向的估计值。本发明解决了现有基于RFID技术方向感知方法需要阅读器平均接收功率作为先验条件的问题，给出了基于天线极化分集理论的目标物方向估计方法，实现成本低，效率高且适用范围广，可在不增加标签数量且无需先验条件的基础上，实现目标物的方向感知。

Description

一种基于RFID技术的方向感知方法
技术领域
本发明属于射频识别（Radio frequency identification，RFID）通信领域，涉及一种基于RFID技术的方向感知方法方法，特别是涉及基于无源UHF RFID标签及天线极化分集原理的方向感知方法。
背景技术
    无源UHF RFID系统被广泛应用于供应链、仓储及设备管理等应用领域中。无源UHF RFID系统链路分为阅读器至标签的前向链路及标签至阅读器的反向链路。前向链路中，阅读器天线发射携带指令数据的连续波（Continuous Wave，CW）信号，标签天线接收CW信号后经由整流器电路为标签芯片提供能量。反向链路中，标签通过改变负载阻抗反向散射调制阅读器天线发射的CW信号，将标签响应数据发送回阅读器。
   现有基于标签集的无源UHF RFID系统性能优化方法，利用极化分集原理，在目标物表面贴附互相垂直的两个标签，使得目标物处于任意方位时，均有标签与阅读器天线处于极化最优或近似最优匹配，确保目标物被识别，从而提高系统性能。但该方法并未提出基于RFID技术及极化分集理论的方向感知方法。
    现有基于RFID技术的方向感知方法利用阅读器接收到的标签反向散射信号功率，通过构造贝叶斯估计判断目标物方向，但该方法需要阅读器平均接收功率作为先验条件，成本高、高效低，且限制了其适用范围。
发明内容
    为解决现有基于RFID技术的方向感知方法存在的上述技术问题，本发明提供一种低成本、高效率且适用范围广，可在不增加标签数量且无需先验条件的基础上，实现目标物的方向感知的基于RFID技术的方向感知方法。
    本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于RFID技术的方向感知方法，基于天线极化分集理论，将两标签呈                                                
Figure 201310451672X100002DEST_PATH_IMAGE001
贴附于目标物表面；利用极化方向正交（水平极化及垂直极化）的阅读器的天线发射指令；阅读器接收标签反向散射信号并测量标签反向散射信号功率；根据最大似然估计原理，计算两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值，进而计算目标物方向的估计值。
所述阅读器的天线为线极化天线或天线阵，能发射水平及垂直极化电磁波。
所述目标物方向的估计值
Figure 773890DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 201310451672X100002DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 555508DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值。
所述两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值为
Figure 762717DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，表示阅读器天线发射水平极方向化电磁波时的标签反向散射信号平均功率，
Figure 939490DEST_PATH_IMAGE008
表示阅读器天线发射垂直极方向化电磁波时的标签反向散射信号平均功率， 
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号，
Figure 787270DEST_PATH_IMAGE010
表示阅读器天线水平极化方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示阅读器天线垂直极化方向。
所述标签反向散射信号平均功率为
Figure 809846DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示阅读器接收到的标签反向散射信号功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示阅读器接收的标签反向散射信号序号，表示阅读器天线水平及垂直极化时接收的标签反向散射信号个数，表示阅读器天线极化方向，
Figure 228857DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号。
本发明解决了现有基于RFID技术方向感知方法需要阅读器平均接收功率作为先验条件的问题，给出了基于天线极化分集理论的目标物方向估计方法，实现成本低，效率高且适用范围广，可在不增加标签数量且无需先验条件的基础上，实现目标物的方向感知。
附图说明
图1为本发明采用的标签布置示意图；
图2为本发明所提供实施例的设备布置示意图。
图中，B1---标签1, B2---标签2，TX---阅读器天线，M ---目标物。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
在目标物表面贴附两个标签，分别记为标签1、标签2，且两标签夹角为
Figure 725566DEST_PATH_IMAGE001
，如图1所示。图1中，
Figure 42628DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为标签1、标签2与阅读器天线水平极化（H）方向的夹角；直线l为两标签夹角等分线，有
Figure 472866DEST_PATH_IMAGE020
                       （1），
则
Figure DEST_PATH_IMAGE021
即为直线l与阅读器天线水平极化（H）方向的夹角。本发明采用
Figure 870568DEST_PATH_IMAGE021
表征目标物方向。
假设阅读器在其天线水平及垂直极化时接收标签1、标签2的反向散射信号功率分别为
Figure 413545DEST_PATH_IMAGE022
，其中
Figure 145134DEST_PATH_IMAGE017
表示阅读器天线极化方向，
Figure 251499DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号，H表示阅读器天线水平极化方向，V表示阅读器天线垂直极化方向。。由于阅读器天线水平及垂直极化时发射的电磁波呈正交关系，故
Figure 340195DEST_PATH_IMAGE013
可以表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
                     （2），
其中，
Figure 430904DEST_PATH_IMAGE024
表示阅读器接收到的标签1反向散射信号总功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示阅读器接收到的标签2反向散射信号总功率，
Figure 971826DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
分别表示阅读器采用水平及垂直极化天线时接收到标签1的反向散射功率，
Figure 743866DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
分别表示阅读器采用水平及垂直极化天线时接收到标签2的反向散射功率，
Figure 850582DEST_PATH_IMAGE030
为虚数单位。
实际应用中，阅读器接收到的信号由系统信道信号及环境噪声信号两部分组成，其中系统信道信号是指标签反向散射信号经直射、反射等路径传播至阅读器的信号；环境噪声信号是指其它信号源发射的电磁波信号。相较于标签反向散射信号，系统信道信号为相干信号，环境噪声信号为非相干信号。假设阅读器接收信号强度为
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，则有
Figure 250208DEST_PATH_IMAGE032
              （3），
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为系统信道系数，为噪声信号强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为标签反向散射信号强度，
Figure 775528DEST_PATH_IMAGE017
表示阅读器天线极化方向，
Figure 244075DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号，下标
Figure 814602DEST_PATH_IMAGE036
表示反向散射，
Figure 838707DEST_PATH_IMAGE010
表示阅读器天线水平极化方向，
Figure 824986DEST_PATH_IMAGE011
表示阅读器天线垂直极化方向。由于本发明不需要信道及环境噪声信号的先验条件，故可假设
Figure 410688DEST_PATH_IMAGE033
及
Figure 92730DEST_PATH_IMAGE034
为非相关分量，且二者服从二维高斯分布，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
                    （4），
其中，
Figure 689015DEST_PATH_IMAGE038
和分别为
Figure 977521DEST_PATH_IMAGE033
的实部和虚部，和
Figure DEST_PATH_IMAGE041
分别为
Figure 953229DEST_PATH_IMAGE034
的实部和虚部，
Figure 993735DEST_PATH_IMAGE030
表示虚数单位；
Figure 262429DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 71991DEST_PATH_IMAGE039
服从正态分布，记为
Figure 847834DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为其标准差；c表示系统信道系数，和服从正态分布，记为，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为其标准差，n表示噪声信号强度。为简化分析过程，假设
Figure 692456DEST_PATH_IMAGE035
=1，其中下标
Figure 812947DEST_PATH_IMAGE036
表示反向散射，则
Figure 735029DEST_PATH_IMAGE031
只决定于
Figure 575641DEST_PATH_IMAGE033
及
Figure 485828DEST_PATH_IMAGE034
。此时，公式（3）可以表示为
                          （5），
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 277029DEST_PATH_IMAGE048
。由于
Figure 856302DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 389921DEST_PATH_IMAGE039
服从标准差为的正态分布，
Figure 998156DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 431936DEST_PATH_IMAGE041
服从标准差为
Figure 320476DEST_PATH_IMAGE045
的正态分布，因此
Figure DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 531884DEST_PATH_IMAGE050
服从标准差为
Figure DEST_PATH_IMAGE051
的正态分布，记为
Figure 599459DEST_PATH_IMAGE052
。 由公式（5）可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
服从瑞利分布，故对于
Figure 29957DEST_PATH_IMAGE054
有
Figure DEST_PATH_IMAGE055
                   （6），
其中，表示阅读器天线极化方向，
Figure 853350DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号，阅读器接收标签反向散射平均功率
Figure 19889DEST_PATH_IMAGE056
为
                      （7），
假设阅读器天线水平及垂直极化时分别接收到N个标签反向散射信号，记为
Figure 552895DEST_PATH_IMAGE058
，则本发明利用N个标签反向散射信号功率的平均值作为
Figure DEST_PATH_IMAGE059
的估计值
Figure 907872DEST_PATH_IMAGE060
，即有
                      （8），
其中，表示阅读器接收的标签反向散射信号序号。作为
Figure 326980DEST_PATH_IMAGE059
的最大似然估计，
Figure 544203DEST_PATH_IMAGE060
为关于的随即变量，其Cramer-Rao下限为
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，故的估计值为
Figure 151881DEST_PATH_IMAGE006
                （9），
其中，
Figure 622830DEST_PATH_IMAGE009
表示标签编号，
Figure 268575DEST_PATH_IMAGE010
表示阅读器天线水平极化方向，
Figure 770488DEST_PATH_IMAGE011
表示阅读器天线垂直极化方向。则由公式（1），（9）可得，目标物方向的估计值
Figure 67346DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 623443DEST_PATH_IMAGE003
                     （10），
其中，，为两标签与阅读器天线水平极化方向夹角估计值。
具体应用时，可在开阔室内环境进行，采用的阅读器及标签符合ISO/IEC 18000-6C标准，系统工作频率为915MHz。本实施例采用ISO/IEC 18046-3标准规定的半波对称振子天线作为阅读器天线，天线谐振频率为915MHz，增益为2.15dBi，驻波比小于1.5。本实施例通过改变阅读器布置方位发射水平及垂直极化电磁波，如图2所示。
本实施例的具体操作步骤为：
步骤1：阅读器天线（TX）水平放置。标签1（B1）、标签2（B2）呈
Figure 26502DEST_PATH_IMAGE001
贴附于目标物（M）某侧表面，且标签贴附面正对于阅读器天线（TX）。
步骤2：阅读器发射指令，分别读取标签1（B1）、标签2（B2），并记录标签1（B1）、标签2（B2）的反向散射信号功率。
步骤3：重复步骤2，共计20次。
步骤4：改变阅读器天线（TX）为垂直放置。
步骤5：重复步骤2，3。
步骤6：根据公式（9）计算两标签与阅读器天线（TX）水平极化方向夹角估计值
Figure 756429DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 357525DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤7：根据公式（10）计算目标物方向估计值
Figure 463890DEST_PATH_IMAGE064
。 

Claims (5)

1.一种基于RFID技术的方向感知方法，其特征在于，包括如下步骤：将两标签呈                                               
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE002
贴附于目标物表面；利用极化方向即水平极化及垂直极化正交的阅读器的天线发射指令；阅读器接收标签反向散射信号并测量标签反向散射信号功率；根据最大似然估计原理，计算两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值，进而计算目标物方向的估计值。
2. 根据权利1所述的基于RFID技术的方向感知方法，其特征在于，所述阅读器的天线为线极化天线或天线阵，能发射水平及垂直极化电磁波。
3. 根据权利1所述的基于RFID技术的方向感知方法，其特征在于，所述目标物方向的估计值
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE010
为两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值。
4. 根据权利3所述的基于RFID技术的方向感知方法，其特征在于，所述两标签与阅读器的天线水平极化方向夹角估计值为
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE014
表示阅读器天线发射水平极方向化电磁波时的标签反向散射信号平均功率，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE016
表示阅读器天线发射垂直极方向化电磁波时的标签反向散射信号平均功率，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE018
表示标签编号，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE020
表示阅读器天线水平极化方向，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE022
表示阅读器天线垂直极化方向。
5. 根据权利4所述的基于RFID技术的方向感知方法，其特征在于，所述标签反向散射信号平均功率为
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE024
，
其中，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE026
表示阅读器接收到的标签反向散射信号功率，表示阅读器接收的标签反向散射信号序号，表示阅读器天线水平及垂直极化时接收的标签反向散射信号个数，
Figure 201310451672X100001DEST_PATH_IMAGE032
表示阅读器天线极化方向，
Figure 362591DEST_PATH_IMAGE018
表示标签编号。
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