CN103747521A - 基于移动通信终端射频识别的实时定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于移动通信终端射频识别进行实时定位的方法及系统，在移动通信终端中扩展射频识别定位信号发送功能，在识别定位阅读器中实现射频识别定位信号读取功能，二者通过有线无线通信网络与网络服务器相联通构成射频识别实时定位系统，并采用副载波调制、直接序列扩频、码分多址、时分防碰撞及多系统参数校准技术，有效抑制多径信号、多阅读器多终端之间以及其它无线通信系统的干扰，实现远距离高精度射频识别定位，且使用网络服务器进行数据信息的分布式交互处理融合及通信参数的网络动态优化配置，为用户提供方便可靠、经济灵活的基于移动通信终端射频识别的实时定位服务应用。

Description

基于移动通信终端射频识别的实时定位方法及系统

技术领域

本发明属于射频实时定位技术领域，特别是涉及一种基于移动通信终端射频识别进行实时定位的方法及系统。

背景技术

射频实时定位系统(RTLS)是指通过射频无线通信技术在设定的工作区域内实时连续动态地确定目标物理位置的系统，其基本的工作原理是通过发射并监测返回射频信号的特性参数和数据信息以得到目标的物理位置信息。射频实时定位系统可以分为星基定位和陆基定位两大类。已投入使用或正在建设的星基定位系统有GPS全球定位系统、BDS北斗卫星导航系统、Galileo伽利略导航系统、GLONASS格洛纳斯导航系统等，这些系统通过空间卫星、地面监控站和用户接收机的协同工作确定目标位置，具有很高的定位精度，但由于卫星信号需要视线传输的限制，主要适合户外开阔地区定位应用。陆基定位包括移动通信基站定位、UWB超宽带定位、WLAN无线局域网定位、Bluetooth蓝牙定位、Zigbee定位、UHF RFID超高频射频识别定位等，通过在室内或室外非开阔区域部署这些定位系统，可实现对星基定位系统局限性的有效补充。每种陆基定位技术都有各自的工作特点，其中UHFRFID超高频射频识别定位是一种短距离非接触式射频识别及定位技术，其基本工作原理是通过发射并检测目标后向散射的超高频射频信号以实现对目标信息的识别读取及对目标物理位置的实时定位。一个典型的UHF RFID系统包括应答器和阅读器两个部分，应答器也称作标签，存储有所附着目标（如包裹、商品、人员等）的唯一标示符数据编码信息和特定的应用信息数据（如包裹地址、商品产地、人员身份等），阅读器也称作读卡器，用来发射并接收解调标签后向散射的射频信号。UHF RFID识别定位与其它射频识别定位技术不同，并不需要待识别定位的目标主动发射射频信号，可有效降低定位目标系统的功耗、复杂度及成本，与磁卡、IC卡、条形码、二维码等传统识别技术相比，具有自动非接触识别、读取速度快、读取距离远、防水、防磁、防污损、数据容量大、安全性能好、识别效率高、使用寿命长等优点，加上兼具射频识别和实时定位功能，在人员定位、身份识别、货物追踪、车辆管理、室内导航等诸多领域都有着广泛的应用前景。随着移动通信技术的发展进步和移动通信终端的普及，加上人们日益增多的对于基于位置信息服务（LBS）应用的需求，射频识别实时定位功能也开始广泛集成在移动通信终端上，例如大多数GSM、CDMA、WCDAMA、LTE等智能手机都具备有GPS定位及AGPS基站辅助定位功能，也出现了基于WIFI、Bluetooth、Zigbee和Sub-GHz无线通信技术的实时定位系统。在将UHF RFID射频识别技术应用于移动通信终端手机方面，当前的技术已经实现了二者的系统集成，并采用多工作模式分时复用的方法来解决无线网络通信功能与射频识别功能的协调统一问题（参见申请号2013103180069发明专利），但其设计主要针对UHF RFID射频识别和蜂窝通信网络方面，不涉及与WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等通用或专用UHF无线通信技术的融合，其功能也仅限于标签信息数据的射频识别并不涉及实时定位功能。在相关研究中，已有的基于独立通用UHF RFID系统的定位技术主要有三种，第一种是阅读器基站定位，通过布置大量的阅读器判断待定位标签处于哪些阅读器的读取范围内从而根据阅读器位置实现接近定位，系统在技术层面虽易于实施但定位精度低，建造成本也很高；第二种是基于后向散射信号强度RSSI定位，阅读器通过检测标签后向散射信号的强度估计标签到阅读器的距离实现定位，系统虽构造简单且不需要布置大量阅读器，但由于射频信号强度受复杂传播环境及多径衰落的影响，存在定位精度低的缺点，并且容易受到其它无线通信系统的干扰；第三种是基于后向散射信号相位测量定位，阅读器通过检测标签后向散射信号的相位估计标签到阅读器的距离实现定位，虽然在理想工作环境下可以得到较高的定位精度，但与基于RSSI的定位技术类似，射频信号相位受复杂传播环境及多径衰落的影响，在实践中同样存在定位精度低且容易受到其它无线通信系统干扰的缺点。此外，现有UHF RFID定位系统的待定位目标信息数据为静态固化存储，且只具备有限的加密安全机制，阅读器和标签的定位通信参数也为静态配置，没有基于定位系统网络整体的性能优化机制。

发明内容

针对上述技术现状和不足，本发明的目的是提供一种基于移动通信终端射频识别进行实时定位的方法及系统。其设计扩展移动通信终端的UHF无线通信功能以同时具备UHF RFID实时定位功能，识别定位阅读器采用副载波调制、直接序列扩频、码分多址、时分防碰撞及多系统参数校准技术，工作距离长且定位精度高，能有效抑制多径信号、多阅读器多终端之间以及其它无线通信系统的干扰，并通过有线无线通信网络和网络服务器进行数据信息的分布式交互处理融合和定位通信参数配置的网络优化，从而为用户提供灵活多样的基于移动通信终端射频识别实时定位功能的服务应用。

为实现上述目的，本发明所给出的技术方案内容如下：

一、基于移动通信终端射频识别的实时定位方法

本发明的方法移动通信终端在UHF无线通信功能与UHF RFID实时定位功能之间分时切换工作，接到切换至实时定位功能命令后，系统控制模块向多工模块发出控制信号，按照移动通信终端存储的RFID数据编码信息切换多工模块以接通接收机模块或发射机模块，或者切换接收机模块和发射机模块的工作状态，使得移动通信终端的天线端接阻抗匹配状态对应RFID数据编码信息变化，天线接收到的识别定位阅读器所发送的射频信号被变化的天线端接阻抗调制反射以后向散射方式传送返回阅读器，返回的射频信号携带有移动通信终端的RFID数据及实时位置距离信息。

本发明的方法移动通信终端将GSM、CDMA、WCDAMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等通用及专用UHF无线通信技术与UHF RFID实时定位技术融合，其天线、多工模块、接收机模块和发射机模块等硬件设计均兼容支持实时定位功能的工作频段，无线通信软件和实时定位软件在底层驱动和上层应用上均进行系统一体化设计，实现无线通信和射频识别实时定位两种功能软硬件在系统级别的集成统一。

本发明的方法移动通信终端当工作于UHF RFID实时定位功能时，系统控制模块会首先使用一个伪随机码序列（PN）对其内部存储的RFID二进制编码数据信息进行直接序列扩频（DSSS）操作，扩展其信号频谱以提供码分多址（CDMA）、抗多径及抗其它无线通信信号干扰能力，扩频后的序列再进行副载波编码调制，将信号频谱向高频搬移，使得识别定位阅读器设计可以方便地滤除直流及低频噪声，减轻本振泄漏及环境散射返回的射频信号相位噪声及幅度噪声对阅读器系统噪声的影响，提高阅读器的射频识别实时定位的灵敏度及工作距离。

本发明的方法识别定位阅读器发射射频载波信号，工作于UHF RFID实时定位功能的移动通信终端后向散射调制射频载波信号，使得射频信号的幅度和相位携带有射频识别数据及实时位置距离信息，阅读器天线接收后向散射信号，与本地射频载波信号进行正交混频得到I、Q两路基带信号，基带信号经过带通滤波器滤除直流及其它通带外噪声信号，其低频和高频截止频率依据扩频信号带宽和副载波频率而定，然后经信号调理放大进入模数转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP），在DSP内部进行数字滤波以进一步抑制带外噪声信号，再提取副载波进行数字下变频解调，捕获同步伪随机码序列并与本地伪随机码序列进行相关解扩频操作以抑制多径及其它干扰信号，得到I、Q两路解扩解调后的基带信号，两路信号具有不同的信噪比（SNR），选取具有较高SNR的基带信号进行判决解码直接得到射频识别数据信息，对两路I、Q基带信号的幅值进行运算处理得到移动通信终端至识别定位阅读器的实时距离位置信息。

本发明的方法识别定位阅读器为获得移动通信终端到阅读器的实时距离位置信息，对解扩解调后的两路基带信号进行如下运算处理操作，首先对于工作距离为R的阅读器，将I、Q两路信号幅值的比值表示为：

$\frac{A_I}{A_Q}=\left|k\frac{A_1\mathrm{Cos}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_1)-A_2\mathrm{Cos}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_2)}{A_1\mathrm{Sin}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_1)-A_2\mathrm{Sin}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_2)}\right|,$

其中A₁、A₂表示对应二进制数据1、0的后向散射反射系数幅值，θ₁、θ₂表示对应二进制数据1、0的后向散射反射系数相位，θ_s为阅读器发射信号的系统延迟相位，λ为阅读器发射信号频率的波长，k为I、Q增益失配系数，然后让移动通信终端在已知的参考距离处工作，并设置阅读器在多个频率上工作，计算求解上述基带信号幅值比值表达式的联立方程，得到与频率相关的A₁、A₂、θ₁、θ₂、θ_s和k参数并保存在阅读器中作为系统校准参数，然后阅读器选择设置两个不同的工作频率以解决模糊距离问题，分别测量记录基带I、Q信号幅值的比值，并调用相应的A₁、A₂、θ₁、θ₂、θ_s和k参数以计算基带信号幅值比值表达式，在指定的定位区域之内求解联立方程得到未知的工作距离R，通过布置的多个位置已知的阅读器分别求解与移动通信终端的工作距离进行射频识别三角定位，从而获得移动通信终端相对阅读器的精确三维空间坐标实时定位信息。

本发明的方法识别定位阅读器设置有多个并行的解扩操作信号通道，各个通道使用不同的伪随机码序列并构成伪随机码序列组，移动通信终端选择伪随机码序列组中的一个伪随机码序列进行扩频操作，协同工作的多个阅读器设置有不同的工作频率并采用慢跳频方式工作，移动通信终端以分时隙随机延迟方式进行突发性的后向散射通信，即系统采用码分、频分及时分相结合的多址工作方式以实现多个阅读器对多个移动通信终端的射频识别及实时定位。

本发明的方法识别定位阅读器和移动通信终端均连接到网络服务器，阅读器与网络服务器通信以实时更新移动通信终端的射频识别及距离位置信息，网络服务器通过计算处理多个阅读器的信息得到移动通信终端的实时定位信息，并根据移动通信终端所处的不同阅读器工作区域动态调节其扩频操作所使用的伪随机码序列，实现当同一工作区域内移动通信终端数目多于可用的伪随机码序列数目时均衡伪随机码序列的使用，同时动态调节其分时隙突发通信随机延时的长短，从而降低多个移动通信终端同时进行后向散射通信发生冲突的概率以提高射频识别实时定位的效率和速度。

本发明的方法识别定位阅读器通过有线或无线通信功能连接到网络服务器，移动通信终端通过无线通信功能连接到网络服务器，阅读器对移动通信终端的射频识别数据和定位数据均实时更新到网络服务器的数据库中，阅读器和移动通信终端均具有服务器分配的唯一ID编号，移动通信终端后向散射通信传输的射频识别数据由服务器根据其唯一ID编号动态加密编码以增加保密性，阅读器具有已知的位置坐标并存储于网络服务器数据库中，阅读器所使用的工作频率、伪随机码序列组和移动通信终端所使用的伪随机码序列、突发通信随机延时的时隙数目等通信配置参数信息也存储于数据库中并按照系统网络工作状况定期由网络服务器动态优化更新，数据库可以被阅读器和移动通信终端访问，数据库设置用户网络访问权限以保护数据安全。

二、基于移动通信终端射频识别的实时定位系统

本发明的系统包括移动通信终端、识别定位阅读器、无线通信网络、有线通信网络和网络服务器五个子系统，移动通信终端通过其UHF无线通信功能，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等无线通信制式，接入无线通信网络和有线通信网络并与网络服务器进行数据交互，移动通信终端通过其UHF RFID实时定位功能与识别定位阅读器进行后向散射通信，阅读器从后向散射信号中读取移动通信终端所存储的射频识别数据信息并从中提取实时距离位置信息，阅读器通过无线和有线通信网络接入网络服务器并进行数据交互，网络服务器负责对各种数据信息的融合处理以得到射频识别实时定位信息，网络服务器同时负责控制阅读器及移动通信终端的协同工作和定位通信参数优化配置，进而各个子系统相互连通构成射频识别实时定位系统。

本发明的系统移动通信终端由天线、多工模块、接收机模块、发射机模块和系统控制模块组成，天线支持无线通信及射频识别实时定位宽频段工作，多工模块负责实现接收机模块与发射机模块的双工工作和选通切换接收发射信号通道，接收机模块和发射机模块分别负责无线通信接收及发射工作并支持射频识别实时定位的后向散射通信，具有一个或多个接收或发射信号通道，支持单频段或多频段及一种或多种无线通信标准，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等，两个模块可分别设置处于工作模式或待机模式并对应两种天线端接阻抗匹配，多个信道在不同频段上也具有不同的天线端接匹配阻抗，从而支持后向散射发送射频识别实时定位信号，系统控制模块包含CPU子系统、电源子系统和人机交互子系统，CPU子系统控制天线、多工模块、接收机模块和发射机模块协同工作，电源子系统为各个模块产生工作电源，人机交互子系统提供按键、触摸屏、音频等输入输出接口。

本发明的系统识别定位阅读器由天线、多工模块、接收机模块、发射机模块、基带处理器模块、数据通信模块和系统控制模块组成，天线支持射频识别宽频段工作，多工模块负责隔离发射信号和接收的后向散射信号并抑制带外干扰，接收机模块和发射机模块分别负责宽频段后向散射通信射频信号的接收和射频载波信号的发射，接收机模块内包含正交解调器、带通滤波器、信号调理电路及模数变换器ADC，发射机模块包含PLL频综、正交调制器、功率放大器和数模变换器DAC，基带处理模块包含数字信号处理器DSP，用来对接收和发射的数据信号进行编码解码、扩频解扩、调制解调、数据判决和数学运算等，数据通信模块为阅读器提供接入访问无线或有线通信网络的功能，系统控制模块包含CPU子系统、电源子系统和人机交互子系统，CPU子系统控制天线、多工模块、接收机模块、发射机模块、基带处理器模块和数据通信模块协同工作，电源子系统为各个模块产生工作电源，人机交互子系统提供按键、触摸屏、音频等输入输出接口。

本发明与现有技术相比，为移动通信终端直接扩展提供了UHF RFID实时定位设计，兼具无线通信和射频识别实时定位两项功能，识别定位阅读器开发了多种专用的识别定位信号处理算法，系统识别定位工作距离长且精度高，能有效抑制多径信号、多阅读器多终端之间以及其它无线通信系统的干扰，并使用互联网络和服务器进行射频识别实时定位数据信息的分布式交互处理融合和定位通信参数的网络优化配置，从而为用户提供经济、灵活、多样、安全和可靠的基于移动通信通信终端射频识别的实时定位服务应用。

附图说明

图1.是本发明的移动通信终端的组成示意图；

图2.是本发明的识别定位阅读器的组成示意图；

图3.是本发明的移动通信终端射频识别实时定位系统的组成示意图；

图4.是本发明的移动通信终端射频识别实时定位的工作过程示意图。

具体实施方式

参考所附示意图，针对在GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Bluetooth移动通信终端上实施基于射频识别的实时定位系统的示例，下文对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的移动通信终端在GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Bluetooth无线通信硬件平台上配合软件程序扩展UHF RFID实时定位功能。移动通信终端的主要组成部分包括：1、天线，采用双天线配置，支持GSM/GPRS/EDGE、WIFI/Bluetooth和UHF RFID多频段工作；2、多工模块，内部包含多路射频开关和滤波器组，用于选通接收机发射机模块及接收发射信号通道，实现收发双工、多频段及多无线通信制式工作；3、接收机发射机模块，负责无线通信的接收发射和射频识别实时定位的后向散射通信，具有多个接收及发射信号通道，支持多频段GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Bluetooth无线通信制式，内部包含基带处理器，负责处理通信标准协议，支持以语音或数据形式接入无线通信网络，接收和发射信号通道可独立设置处于工作模式或待机模式，不同的信号通道和工作频段模式具有不同的天线端接阻抗，配合多工模块工作实现RFID实时定位后向散射通信的多种端接阻抗匹配状态切换；4、系统控制模块，内部包括ARM CPU子系统应用处理器硬件和存储的用户应用程序软件，控制协调多工模块、接收机发射机模块的信息交互以实现移动通信终端的无线通信及RFID实时定位功能，并提供麦克风、扬声器、键盘、触摸屏、显示屏、摄像头等多种接口人机交互子系统，也包含电源子系统为各个模块产生工作电源。

移动通信终端天线为宽频带双天线配置，天线1支持GSM850MHz/900MHz、PCS1800MHz、DCS1900MHz工作频段，天线2支持2.4GHz/5GHz WIFI及Bluetooth工作频段，两个天线同时支持对应的UHF RFID工作频段，实现UHF工作频段内无线通信射频信号的发送接收及对识别定位阅读器所传送射频信号的后向散射。天线采用系统一体化复用设计，在有限的移动通信终端空间内优化了天线增益，有效增加UHF无线通信功能和UHF RFID实时定位功能的工作距离。

移动通信终端多工模块采用RFMD公司宽频带单刀八掷射频开关芯片RF1480、RFMD公司单刀三掷射频开关芯片RF5570和定制的带通声表面波滤波器组构成。RF1480（开关1）用于GSM/GPRS/EDGE多路射频接收发射信号通道的切换选择，RF5570（开关2）用于WIFI/Bluetooth接收发射信号通道的切换选择，带通声表面波滤波器组与接收或发射信号通道相连，用于抑制频带外射频信号干扰及自身接收发射信号的双工干扰。移动通信终端工作于UHF无线通信功能时，系统控制模块切换天线与多工模块的连接状态，实现接收/发射双工和接收/发射信号通道选择，满足GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Bluetooth多频段多制式工作需要；移动通信终端工作于UHF RFID实时定位功能时，系统控制模块切换天线与多工模块的连接状态，选择接收信号通道、发射信号通道并结合设置接收发射信号通道的工作或待机模式，得到分别对应RFID二进制编码信息0或1的两种天线端接阻抗匹配状态，实现基于天线端接阻抗调制的后向散射通信以传输射频识别数据信息和实时定位距离位置信息。

移动通信终端接收机发射机模块采用MTK公司的四频段GSM/GPRS/EDGE收发信机芯片AD6546、Skyworks公司的四频段GSM/GPRS/EDGE功率放大器芯片SKY77344和MTK公司的GSM/GPRS/EDGE基带处理器芯片AD6900以实现GSM/GPRS/EDGE接收发射子系统，采用RedpineSignals公司的SOC芯片RS9117以实现WIFI/Bluetooth接收发射子系统。AD6546芯片集成了GSM/GPRS/EDGE接收信号通道电路、发射信号通道电路、本振电路和电源管理电路，接收通道采用零中频直接转换架构，接收信号与本振信号进行正交混频，输出I/Q两路基带信号送至基带处理器芯片AD6900进行解调；发射信号通道采用发射环架构，将来自AD6900基带处理器芯片的I/Q两路基带信号调制到压控振荡器上，产生的发射信号输出至外部的功率放大器芯片SKY77344；本振电路集成有锁相环、压控振荡器和参考时钟电路，产生接收和发射信号通道所需要的低噪声本振信号；电源管理电路产生内部各个电路的工作电源，并可控制设置接收发射信号通道电路处于工作模式或待机模式以降低电源功耗，同时得到RFID实时定位使用的不同天线端接阻抗匹配状态。功率放大器芯片SKY77344对AD6546芯片输出的发射信号进行功率放大，内部集成的功率控制器可以精确设置功率爬升斜率和功放增益，控制放大器得到GSM/GPRS/EDGE标准要求的功率电平，并可以在工作模式或待机模式间切换以降低电源功耗，同时得到不同的天线端接阻抗匹配状态供RFID实时定位功能使用。AD6900基带芯片内部集成了DSP、ARM926EJ MCU、模拟基带、语音音频、外设控制器、主机接口、电源管理等子系统，负责处理GSM/GPRS/EDGE通信协议，可以方便地与收发信机芯片AD6546互连以接收发送I/Q基带信号，与系统控制模块的应用处理器连接以接收发送语音数据信息，实现编码解码、交织均衡、调制解调等基带信号处理功能。RS9117芯片同时支持2.4GHz/5GHz WIFI IEEE802.11a/b/g/n/ac和2.4GHz Bluetooth4.0标准的无线通信功能，内部集成了独立的WIFI及Bluetooth的接收信号通道电路、发射信号通道电路、功率放大器电路、基带处理器电路、本振电路、主机接口电路和电源管理电路，通过多工模块内部的三路射频开关芯片RF5570共用2.4GHz/5GHz天线，通过主机接口与系统控制模块的应用处理器连接以接收发送语音数据信息，并能独立设置接收发射信号通道电路处于工作模式或待机模式以降低电源功耗，同时得到不同的天线端接阻抗，配合多工模块切换选通接收发射信号通道，实现RFID实时定位所使用的不同天线端接阻抗匹配状态。

移动通信终端系统控制模块采用Freescale公司的四核ARM Cortex A9CPU芯片i.MX6Q作为控制核心，单核CPU主频最高达1200MHz，配置1GB DDR3内存和16GB NAND闪存，通过PCIExpress、SPI、I2C、USB等总线及外围设备扩展接口标准与GSM/GPRS/EDGE基带处理器芯片AD6900、WIFI/Bluetooth SOC芯片RS9117等互连工作，并扩展设计了麦克风、扬声器、LCD显示器、触摸屏、键盘等人机交互系统。CPU i.MX6Q上运行Android4.4（安卓）嵌入式操作系统，其底层软件开发了各个硬件子系统模块的驱动程序，上层软件开发了无线通信和RFID实时定位功能用户应用程序。底层驱动程序和上层应用程序配合i.MX6Q CPU硬件系统工作，通过对多工模块、接收机模块和发射机模块的协调控制及与网络服务器的信息数据交互以实现UHF无线通信功能和UHF RFID实时定位功能，并通过麦克风、扬声器、触摸屏、显示屏、键盘等实现多种形式的人机交互子系统。系统控制模块也包含电源子系统，采用锂电池供电，为各个模块产生工作电源并进行电源管理工作。

如图2所示，本发明的识别定位阅读器的主要组成部分包括：1、天线，采用三天线设计以支持UHF RFID多频段工作；2、多工模块，内部包含定向耦合器组和滤波器组，实现收发双工隔离和多频段工作；3、接收机发射机模块，负责阅读器接收和发射工作，支持多频段UHF RFID后向散射通信，具有多个接收和发射信号通道，通道内部包含正交调制解调器、数模/模数变换器和数字信号基带处理器，负责处理专有的射频识别和实时定位数据通信协议算法，并兼容通用的UHF RFID通信协议标准，包括EPC Global Class1Gen.2、ISO/IEC18000-6A/B/C等；4、数据通信模块，支持以GSM/GRPS/EDGE/WIFI无线方式和Ethernet有线方式接入通信网络；5、系统控制模块，内部包括ARM CPU应用处理器硬件和存储的用户应用程序软件，控制协调多工模块、接收机发射机模块和数据通信模块的信息交互以实现通信网络接入和射频识别实时定位功能，并提供键盘、触摸屏、显示屏、扬声器等多种接口人机交互子系统，也包含电源子系统为各个模块产生工作电源。

识别定位阅读器天线为宽频段三天线设计，天线1/2/3分别支持与移动通信终端GSM850MHz/900MHz、WIFI/Bluetooth2.4GHz和WIFI5GHz工作频率相兼容的三个UHF RFID工作频段，天线极化方向采用圆极化设计以减少移动通信终端天线指向不确定性引入的极化增益损失，天线波束的方向性根据工作覆盖区域设计，在满足覆盖范围的前提下尽量提高方向性以提高天线增益，从而增加射频识别实时定位的工作距离。

识别定位阅读器多工模块包含宽频定向耦合器组和带通滤波器组，三个定向耦合器分别配合GSM850MHz/900MHz、WIFI/Bluetooth2.4GHz和WIFI5GHz三个UHF RFID工作频段，实现25dB以上的发射信号和接收信号（后向散射）隔离，定向耦合器的三路接收信号分别进入三个相应工作频段的带通滤波器以抑制工作频带外射频信号，滤波器的输出分别进入接收机模块的三个信号通道，定向耦合器的三路输入分别与发射机模块三个通道的功率放大器的输出相连，三路输出信号分别与三个工作频段的天线相连。

识别定位阅读器接收机发射机模块采用ADI公司的宽带直接变换正交解调器芯片ADL5380、ADI公司的宽带直接变换正交调制器芯片ADL5375、Hittite公司的宽带频率综合器PLL+VCO芯片HMC833LP6GE、ADI公司的14bit250MSPS双通道模数变换器AD9643、ADI公司的14bit250MSPS双通道数模变换器AD9746、定制的基带有源增益可变带通滤波器和Xilinx公司的Spartan-6FPGA芯片SC6SLX100构成独立工作的三通道接收机和三通道发射机。三通道接收机由三个ADL5375芯片分别为三个工作频段提供独立的正交直接变换解调以得到三个接收通道的基带信号，然后通过基带有源增益可变带通滤波器进行信号增益调理和高频低频噪声滤除，再进入三个AD9643进行模数变换，然后进入基带处理器模块。三通道发射机由三个ADL5380芯片为各个工作频段提供独立的正交直接变换调制以得到经基带数据调制的三个发射通道的射频信号，其输入的三个通道的基带信号由三个AD9746数模变换器产生，AD9746的基带数据信号输入由基带处理器模块产生，只需要射频载波信号时调制器被旁路以直通本地振荡器信号。HMC833LP6GE提供正交调制解调器所需的宽带射频本地振荡器信号，其良好的相位噪声性能有助于提高UHF RFID实时定位的工作距离。基于FPGA芯片XC6SLX100的基带处理器模块内部开发有基于前述射频识别实时定位方法的DSP算法程序及数据通信协议，用来对接收和发射的数据信号进行编码解码、扩频解扩、调制解调、数据判决和数学运算等，以获得射频识别数据和实时定位数据，并且也兼容通用的UHF RFID通信协议标准，包括EPC GlobalClass1Gen.2、ISO/IEC18000-6A/B/C等，以支持对普通UHF RFID标签的读写操作。

识别定位阅读器数据通信模块包含GSM/GRPS/EDGE无线通信子模块、WIFI IEEE802.11a/b/g/n/ac无线通信子模块和10M/100M/1000M Ethernet有线通信子模块，由系统控制器模块进行协调控制，其无线通信子模块以分时工作方式与阅读器的UHF RFID实时定位功能相互无干扰共享UHF通信频段，也可以通过高速Ethernet有信通信子模块以专用的有线方式进行通信，从而为阅读器提供可靠的无线和有线通信网络接入功能。

识别定位阅读器系统控制模块采用Freescale公司的四核ARM Cortex A9CPU芯片i.MX6Q作为控制核心，单核CPU主频最高达1200MHz，配置2GB DDR3内存和32GB NAND闪存，通过PCI Express、SPI、I2C、USB等总线及外围设备扩展接口标准与GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Ethernet数据通信模块及基带处理器模块FPGA芯片XC6SLX100互连工作，并扩展设计了LCD显示器、触摸屏、键盘、扬声器等人机交互系统。CPU i.MX6Q上运行Android4.4（安卓）嵌入式操作系统，其底层软件开发了各个硬件子系统模块的驱动程序，上层软件开发了无线有线通信网络接入和UHF RFID实时定位功能用户应用程序，底层驱动程序和上层应用程序配合i.MX6Q CPU硬件系统工作，通过对多工模块、接收机发射机模块的协调控制及通过数据通信模块与网络服务器的信息数据交互以实现UHF RFID实时定位功能。系统控制模块的人机交互子系统用于以人工方式配置系统工作参数，包括工作频率、发射功率、伪随机码序列、IP地址等，并用来监控系统的工作状态。系统控制模块也包含电源子系统，采用锂电池或交流电供电，为各个模块产生工作电源并进行电源管理工作。

如图3所示，本发明的射频识别实时定位系统由移动通信终端、识别定位阅读器、无线通信网络、有线通信网络和网络服务器五个子系统相互连通构成。移动通信终端通过GSM/GPRS/EDGE/WIFI/Bluetooth无线通信功能接入与有线通信网络（包含局域网和主干通信网络）相连的无线通信网络，然后通过有线通信网络访问运行RFID实时定位应用服务程序的网络服务器。识别定位阅读器基于后向散射通信原理读取移动通信终端的RFID数据信息和实时距离位置信息，通过GSM/GPRS/EDGE/WIFI无线通信或Ethernet有线通信方式将信息传送至网络服务器。网络服务器运行RFID实时定位应用服务程序，对RFID实时距离位置信息进行数据库存储、计算及融合处理以获取移动通信终端的精确实时定位信息，控制管理移动通信终端和识别定位阅读器协同工作并对定位通信参数进行网络优化配置，移动通信终端和识别定位阅读器可对服务器数据库信息进行授权访问，从而实现灵活可靠的基于射频识别实时定位数据信息的多种服务应用，包括室内导航、物品跟踪、库存盘点等等。

本发明的射频识别实时定位方法在指定的工作区域内布置多个位置已知的识别定位阅读器，通过后向散射通信方式获取待定位移动通信终端的RFID标识符和其到各个阅读器的实时相对距离位置信息，然后基于三角定位原理获得移动通信终端相对阅读器的精确三维空间坐标实时定位信息，如图4所示，其具体工作过程如下：

一、移动通信终端运行射频识别实时定位应用程序，首先通过无线通信功能登录接入网络服务器，验证授权通过后访问服务器数据库进行定位通信参数配置，获取唯一的经动态加密的RFID标示符数据编码和扩频所用的伪随机码序列，然后将RFID标示符数据编码与伪随机码序列进行扩频操作并进行副载波编码调制，使用扩频调制后的数据切换天线的端接阻抗匹配状态，将RFID标识符数据编码信息以后向散射通信方式传送至识别定位阅读器，发送完成后进行分时隙随机延迟，准备进行下次RFID标识符数据后向散射通信操作，延迟的时隙数目由网络服务器定期根据阅读器工作区域内同时存在的移动通信终端数目进行动态优化调整，从而改善时分形式的防碰撞通信概率，网络服务器同时也重新分配移动通信终端所用的伪随机码序列，当移动通信终端个数多于阅读器使用的伪随机码序列组容量时改善码分方式的防碰撞通信概率。

二、识别定位阅读器运行射频识别实时定位应用程序，首先通过无线或有线通信功能登录接入网络服务器，验证授权通过后访问服务器数据库进行定位通信参数配置，获取服务器规划分配的伪随机码序列组和发射机工作频率信息，相邻的阅读器设置不同的发射载波信号频率，并需要定期根据当前时刻选择切换工作频率进行慢跳频以改善多径衰落的影响，阅读器也定期与网络服务器进行时间同步以消除各个阅读器时间误差积累导致的发射工作频率冲突，从而以频分方式避免多阅读器协同工作的相互干扰，当发射机工作频率选择设置完成后，阅读器发射机发射单频载波信号到移动通信终端进行射频识别定位后向散射通信。

三、识别定位阅读器接收机接收移动通信终端的后向散射信号，首先与本地射频载波信号进行正交混频得到I、Q两路基带信号，基带信号经过带通滤波器滤除直流及通带外噪声信号，然后经信号调理放大进入模数转换器（ADC）和基带数字信号处理器（DSP），进行数字下变频副载波解调，使用多个伪随机码序列并行进行相关解扩频操作以支持码分方式的多终端防碰撞通信，得到解扩解调后的I、Q基带信号，两路信号具有不同的信噪比（SNR），选取具有高SNR的信号进行判决解码直接得到移动通信终端的RFID标识符数据编码，再对两路基带信号的幅值进行如前所述的距离方程联立求解运算，得到移动通信终端至阅读器的实时距离位置信息。

四、识别定位阅读器将获取的移动通信终端RFID标识符数据编码和相应的移动通信终端至阅读器的实时距离位置信息传送至网络服务器，网络服务器运行射频识别实时定位服务程序，根据收到的多个阅读器的数据信息进行射频识别三角定位，从而获得移动通信终端相对阅读器的精确三维空间坐标实时定位信息，实现对移动通信终端的射频识别实时定位。

五、网络服务器将获取的移动通信终端的射频识别实时定位信息以数据库形式进行更新、存储和管理，阅读器的工作频率、伪随机码序列组和移动通信终端的伪随机码序列、突发通信随机延时时隙数目等通信配置参数信息也存储于数据库中并按照系统网络工作状况定期进行优化更新，对数据库的访问需要得到预先授权以保护数据安全，移动通信终端通过访问该数据库获得自身的射频识别实时定位信息，用户也可以通过阅读器或其它联网终端对数据库进行已授权的访问，实现基于移动通信终端射频识别实时定位信息的多种服务应用。

本发明的移动通信终端集成了射频识别实时定位信号发送功能和无线通信功能，识别定位阅读器集成了射频识别实时定位信号读取功能和无线有线通信功能，二者与有线通信网络、无线通信网络和网络服务器相互联通构成射频识别实时定位系统，使得移动通信终端兼具无线通信和射频识别实时定位功能，并采用了副载波调制、直接序列扩频、码分多址、时分防碰撞及多系统参数校准等设计技术，能有效抑制多径信号、多阅读器多终端之间以及其它无线通信系统的干扰，实现远距离高精度识别定位，且使用网络服务器进行数据信息的分布式交互处理融合和定位通信参数的优化配置，从而为用户提供方便、可靠、经济、灵活的基于移动通信通信终端射频识别的实时定位服务应用。

Claims (11)

1.一种基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，移动通信终端在UHF无线通信功能与UHFRFID实时定位功能之间分时切换工作，接到切换至实时定位功能命令后，系统控制模块向多工模块发出控制信号，按照移动通信终端存储的RFID数据编码信息切换多工模块以接通接收机模块或发射机模块，或者切换接收机模块和发射机模块的工作状态，使得移动通信终端的天线端接阻抗匹配状态对应RFID数据编码信息变化，天线接收到的识别定位阅读器所发送的射频信号被变化的天线端接阻抗调制反射以后向散射方式传送返回阅读器，返回的射频信号携带有移动通信终端的RFID数据及实时距离位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：移动通信终端将GSM、CDMA、WCDAMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等通用及专用UHF无线通信技术与UHF RFID实时定位技术融合，其天线、多工模块、接收机模块和发射机模块等硬件设计均兼容支持实时定位功能的工作频段，无线通信软件和实时定位软件在底层驱动和上层应用上均进行系统一体化设计，实现无线通信和射频识别实时定位两种功能软硬件在系统级别的集成统一。

3.根据权利要求2所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：移动通信终端当工作于UHF RFID实时定位功能时，系统控制模块会首先使用一个伪随机码序列（PN）对其内部存储的RFID二进制编码数据信息进行直接序列扩频（DSSS）操作，扩展其信号频谱以提供码分多址（CDMA）、抗多径及抗其它无线通信信号干扰能力，扩频后的序列再进行副载波编码调制，将信号频谱向高频搬移，使得识别定位阅读器设计可以方便地滤除直流及低频噪声，减轻本振泄漏及环境散射返回的射频信号相位噪声及幅度噪声对阅读器系统噪声的影响，提高阅读器的射频识别实时定位的灵敏度及工作距离。

4.根据权利要求3所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：识别定位阅读器发射射频载波信号，工作于UHF RFID实时定位功能的移动通信终端后向散射调制射频载波信号，使得射频信号的幅度和相位携带有射频识别数据及实时位置距离信息，阅读器天线接收后向散射信号，与本地射频载波信号进行正交混频得到I、Q两路基带信号，基带信号经过带通滤波器滤除直流及其它通带外噪声信号，其低频和高频截止频率依据扩频信号带宽和副载波频率而定，然后经信号调理放大进入模数转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP），在DSP内部进行数字滤波以进一步抑制带外噪声信号，再提取副载波进行数字下变频解调，捕获同步伪随机码序列并与本地伪随机码序列进行相关解扩频操作以抑制多径及其它干扰信号，得到I、Q两路解扩解调后的基带信号，两路信号具有不同的信噪比（SNR），选取具有较高SNR的基带信号进行判决解码直接得到射频识别数据信息，对两路I、Q基带信号的幅值进行运算处理得到移动通信终端至识别定位阅读器的实时距离位置信息。

5.根据权利要求4所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：识别定位阅读器为获得移动通信终端到阅读器的实时距离位置信息，对解扩解调后的两路基带信号进行如下运算处理操作，首先对于工作距离为R的阅读器，将I、Q两路信号幅值的比值表示为：

$\frac{A_I}{A_Q}=\left|k\frac{A_1\mathrm{Cos}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_1)-A_2\mathrm{Cos}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_2)}{A_1\mathrm{Sin}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_1)-A_2\mathrm{Sin}(4\mathrm{\πR}/\mathrm{\λ}+{\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_2)}\right|,$

其中A₁、A₂表示对应二进制数据1、0的后向散射反射系数幅值，θ₁、θ₂表示对应二进制数据1、0的后向散射反射系数相位，θ_s为阅读器发射信号的系统延迟相位，λ为阅读器发射信号频率的波长，k为I、Q增益失配系数，然后让移动通信终端在已知的参考距离处工作，并设置阅读器在多个频率上工作，计算求解上述基带信号幅值比值表达式的联立方程，得到与频率相关的A₁、A₂、θ₁、θ₂、θ_s和k参数并保存在阅读器中作为系统校准参数，然后阅读器选择设置两个不同的工作频率以解决模糊距离问题，分别测量记录基带I、Q信号幅值的比值，并调用相应的A₁、A₂、θ₁、θ₂、θ_s和k参数以计算基带信号幅值比值表达式，在指定的定位区域之内求解联立方程得到未知的工作距离R，通过布置的多个位置已知的阅读器分别求解与移动通信终端的工作距离进行射频识别三角定位，从而获得移动通信终端相对阅读器的精确三维空间坐标实时定位信息。

6.根据权利要求5所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：识别定位阅读器设置有多个并行的解扩操作信号通道，各个通道使用不同的伪随机码序列并构成伪随机码序列组，移动通信终端选择伪随机码序列组中的一个伪随机码序列进行扩频操作，协同工作的多个阅读器设置有不同的工作频率并采用慢跳频方式工作，移动通信终端以分时隙随机延迟方式进行突发性的后向散射通信，即系统采用码分、频分及时分相结合的多址工作方式以实现多个阅读器对多个移动通信终端的射频识别及实时定位。

7.根据权利要求6所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：识别定位阅读器和移动通信终端均连接到网络服务器，阅读器与网络服务器通信以实时更新移动通信终端的射频识别及距离位置信息，网络服务器通过计算处理多个阅读器的信息得到移动通信终端的实时定位信息，并根据移动通信终端所处的不同阅读器工作区域动态调节其扩频操作所使用的伪随机码序列，实现当同一工作区域内移动通信终端数目多于可用的伪随机码序列数目时均衡伪随机码序列的使用，同时动态调节其分时隙突发通信随机延时的长短，从而降低多个移动通信终端同时进行后向散射通信发生冲突的概率以提高射频识别实时定位的效率和速度。

8.根据权利要求7所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位方法，其特征在于：识别定位阅读器通过有线或无线通信功能连接到网络服务器，移动通信终端通过无线通信功能连接到网络服务器，阅读器对移动通信终端的射频识别数据和定位数据均实时更新到网络服务器的数据库中，阅读器和移动通信终端均具有服务器分配的唯一ID编号，移动通信终端后向散射通信传输的射频识别数据由服务器根据其唯一ID编号动态加密编码以增加保密性，阅读器具有已知的位置坐标并存储于网络服务器数据库中，阅读器所使用的工作频率、伪随机码序列组和移动通信终端所使用的伪随机码序列、突发通信随机延时的时隙数目等通信配置参数信息也存储于数据库中并按照系统网络工作状况定期由网络服务器动态优化更新，数据库可以被阅读器和移动通信终端访问，数据库设置用户网络访问权限以保护数据安全。

9.一种基于移动通信终端射频识别的实时定位系统，包括移动通信终端、识别定位阅读器、无线通信网络、有线通信网络和网络服务器五个子系统，移动通信终端通过其UHF无线通信功能，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等无线通信制式，接入无线通信网络和有线通信网络并与网络服务器进行数据交互，移动通信终端通过其UHF RFID实时定位功能与识别定位阅读器进行后向散射通信，阅读器从后向散射信号中读取移动通信终端所存储的射频识别数据信息并从中提取实时距离位置信息，阅读器通过无线和有线通信网络接入网络服务器并进行数据交互，网络服务器负责对各种数据信息的融合处理以得到射频识别实时定位信息，网络服务器同时负责控制阅读器及移动通信终端的协同工作和通信参数网络优化配置，进而各个子系统相互连通构成射频识别实时定位系统。

10.根据权利要求9所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位系统，其特征在于：移动通信终端由天线、多工模块、接收机模块、发射机模块和系统控制模块组成，天线支持无线通信及射频识别实时定位宽频段工作，多工模块负责实现接收机模块与发射机模块的双工工作和选通切换接收发射信号通道，接收机模块和发射机模块分别负责无线通信接收及发射工作并支持射频识别实时定位的后向散射通信，具有一个或多个接收或发射信号通道，支持单频段或多频段及一种或多种无线通信标准，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sub-GHz等，两个模块可分别设置处于工作模式或待机模式并对应两种天线端接阻抗匹配，多个信道在不同频段上也具有不同的天线端接匹配阻抗，从而支持后向散射发送射频识别实时定位信号，系统控制模块包含CPU子系统、电源子系统和人机交互子系统，CPU子系统控制天线、多工模块、接收机模块和发射机模块协同工作，电源子系统为各个模块产生工作电源，人机交互子系统提供按键、触摸屏、音频等输入输出接口。

11.根据权利要求10所述的基于移动通信终端射频识别的实时定位系统，其特征在于：识别定位阅读器由天线、多工模块、接收机模块、发射机模块、基带处理器模块、数据通信模块和系统控制模块组成，天线支持射频识别宽频段工作，多工模块负责隔离发射信号和接收的后向散射信号并抑制带外干扰，接收机模块和发射机模块分别负责宽频段后向散射通信射频信号的接收和射频载波信号的发射，接收机模块内包含正交解调器、带通滤波器、信号调理电路及模数变换器ADC，发射机模块包含PLL频综、正交调制器、功率放大器和数模变换器DAC，基带处理模块包含数字信号处理器DSP，用来对接收和发射的数据信号进行编码解码、扩频解扩、调制解调、数据判决和数学运算等，数据通信模块为阅读器提供接入访问无线或有线通信网络的功能，系统控制模块包含CPU子系统、电源子系统和人机交互子系统，CPU子系统控制天线、多工模块、接收机模块、发射机模块、基带处理器模块和数据通信模块协同工作，电源子系统为各个模块产生工作电源，人机交互子系统提供按键、触摸屏、音频等输入输出接口。

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