CN107144814B - 一种适于定向辐射场景的无源uhf rfid定位精度的评价方法 - Google Patents

一种适于定向辐射场景的无源uhf rfid定位精度的评价方法 Download PDF

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CN107144814B CN201710319412.5A CN201710319412A CN107144814B CN 107144814 B CN107144814 B CN 107144814B CN 201710319412 A CN201710319412 A CN 201710319412A CN 107144814 B CN107144814 B CN 107144814B
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Abstract

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification，超高频射频识别)定位精度评价方法。步骤为：依据偶极子天线和微带天线的增益特性，以及标签和阅读器的摆放位置，分别以天线质心为原点建立其在空间直角坐标系下的增益模型；将标签和阅读器放入同一直角坐标系中，根据弗里斯传输公式得到阅读器收信功率；围绕系统中各阅读器接收功率构建观测向量，利用收信功率似然函数建立费歇尔信息矩阵，从而得到无偏估计条件下的标签定位误差的克拉美罗下界，并以此来反映和评价定位精度。本发明很大程度上克服了标签漏读问题，能够满足用户对无源超高频UHF RFID定位系统的定位精度精确评价的要求。

Description

一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID定位精度的评价方法
技术领域
本发明属于移动无线通信技术领域，涉及一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID定位精度的评价方法。
背景技术
近年来，超高频射频识别技术(Ultra High Frequency Radio FrequencyIdentification，UHF RFID)已经应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等诸多领域。UHF RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。凭借传输范围大、成本低、非接触等优势，UHF RFID定位系统已经成为室内定位的优选技术，理想状况下的定位精度可达厘米级。典型的无源UHF RFID定位系统主要利用电子标签的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的收信强度等来测量物品的空间位置，主要应用于全球定位系统难以奏效的室内定位领域。
现有无源UHF RFID定位系统通常工作于定向辐射场景，其定向辐射特征体现在某一个或某几个特定方向上阅读器发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小。采用定向辐射场景能够有效增加辐射功率的有效利用率，对于提升无源 UHF RFID定位系统的标签定位精度具有重要意义。
目前，研究人员已经将无偏估计状态下的克拉美罗下界作为全球定位系统和蜂窝定位系统的定位精度评价手段，其意义在于定位坐标的无偏估计量方差不得小于克拉美罗下界，只能无限制的逼近克拉美罗下界，所得克拉美罗下界越小，表明定位坐标方差下限越底，标签定位精度越高。尽管如此，针对无源UHF RFID定位系统的定向辐射场景，求解其无偏估计状态下的克拉美罗下界，并以此精确评价无源 UHF RFID定位系统的定位精度，相关研究尚处于起步阶段，国内外未见成熟的技术报道。
发明内容
本发明的目的是，提供一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID 定位精度的评价方法。本发明通过构建基于微带天线和偶极子天线的 RFID系统的定向辐射场景，实现阅读器获得的标签收信功率的高精度估计，以系统中多阅读器的收信功率为基础构建观测向量，依据似然函数计算费歇尔信息矩阵及其逆矩阵，进而获得定位标签无偏估计状态下的克拉美罗下界，并以此克拉美罗下界精确评价定向辐射场景下的无源UHF RFID定位系统的定位精度。
其具体步骤如下：
步骤1：以无源标签天线选用偶极子天线和阅读器天线选用传统微带天线为建模条件，建立适于无源UHF RFID定位的定向辐射场景；
步骤2：选取空间直角坐标系，确立无源标签天线的分立辐射增益模型：
Figure GSB0000184890420000031
在上述分立辐射增益模型中，标签天线垂直于XOTY面，天线的质心处于原点OT上，OT与空间中一点A构成射线矢量
Figure GSB0000184890420000032
θT为Z轴到射线矢量
Figure GSB0000184890420000033
的到角，φT为射线矢量
Figure GSB0000184890420000034
在XOTY面上投影后X轴到该投影的到角；
步骤3：选取空间直角坐标系，确立阅读器天线的分立辐射增益模型：
Figure GSB0000184890420000035
在上述分立辐射增益模型中，最大辐射强度方向是天线面板的法线方向，阅读器天线处于YOTZ面，天线质心处于原点OR上，且天线法线方向与X轴正向重合，OR与空间中一点A构成射线矢量
Figure GSB0000184890420000036
θR为Z轴到射线矢量
Figure GSB0000184890420000037
的到角，φR为射线矢量
Figure GSB0000184890420000038
在XOTY面上投影后X 轴到该投影的到角；
步骤4：针对步骤1中的定向辐射场景，将阅读器和标签同时放入同一空间直角坐标系中，对步骤(2)和步骤(3)中的分立辐射增益模型进行更新修正；
步骤5：以标签天线坐标(x，y，z)表示标签空间位置，将标签置于XOY 面且平行于X轴，令阅读器天线坐标为(xi，yi，zi)，i∈[3，N]，根据实际情况简化模型参数，将系统中全部阅读器天线置于同一高度且令 z＝0，则阅读器天线和标签间的空间距离可以表示为
Figure GSB0000184890420000041
进一步，步骤2中θT可以更新为
Figure GSB0000184890420000042
此时，步骤2中无源标签天线的分立辐射增益模型GT(θT，φT)可以更新为GT(x，y，xi，yi，zi)；
步骤6：引入阅读器天线俯仰角θm修正阅读器天线的增益，设θm为天线法线方向和Z轴正方向的夹角，则步骤3中的θR和φR可以更新为
Figure GSB0000184890420000043
Figure GSB0000184890420000044
进而可以将步骤3中阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θR，φR)更新为GR(θm，x，y，xi，yi，zi)；
步骤7：引入阅读器天线旋转角φm修正阅读器天线的增益，设φm为阅读器天线法线方向在XOY投影和X轴正方向的夹角，采用更新公式
Figure GSB0000184890420000045
对阅读器和标签的相对位置关系进行修正，同时结合实际情况，令阅读器天线只对正前方辐射，将其后方的增益置零，令φR的有效范围为[-π/2，π/2]，引入门函数rect对阅读器天线有效辐射方向进行限定，进而可以将步骤6中的 GR(θm，x，y，xi，yi，zi)进一步更新为GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)；
步骤8：基于弗里斯功率损耗模型，阅读器获得的标签收信功率可以表示为为PR＝τμTρLPTx|GTGRPL(d)|2|h|4|Γ|2，其中，GT和GR分别采用步骤5和步骤7中的表示式，
Figure GSB0000184890420000046
是信道路径损耗，λ为电磁波波长，τ为调制效率，ρL为极化损耗，PTx为传输功率，Γ为微分反射系数，h为多径因子。根据实际情况在接收功率中加入高斯白噪声，构建基于N个阅读器的收信功率的观测矢量
Figure GSB0000184890420000047
满足
Figure GSB0000184890420000051
其中ω＝[ω1，...，ωi，...ωN]T，ωi服从期望为0，方差为σ2的高斯分布，进而可将收信功率的似然函数表示为
Figure GSB0000184890420000052
其中θ＝[x，y]；
步骤9：基于步骤8中的似然函数，可以获得
Figure GSB0000184890420000053
的无偏估计均方根误差的克拉美罗界为
Figure GSB0000184890420000054
[I(θ)]xx和 [I(θ)]yy分别为收信功率PR的费歇尔信息矩阵中的元素，费歇尔信息矩阵可以表示为
Figure GSB0000184890420000055
步骤10：根据公式
Figure GSB0000184890420000056
计算获得矩阵中每个元素的表示式，对于[I(θ)]xx有
Figure GSB0000184890420000057
Figure GSB0000184890420000058
Figure GSB0000184890420000059
Figure GSB00001848904200000510
Figure GSB00001848904200000511
Figure GSB00001848904200000512
对于[I(θ)]yy有，
Figure GSB0000184890420000061
Figure GSB0000184890420000062
Figure GSB0000184890420000063
Figure GSB0000184890420000064
Figure GSB0000184890420000065
Figure GSB0000184890420000066
对于[I(θ)]xy和[I(θ)]yx分别有
Figure GSB0000184890420000067
其中
Figure GSB0000184890420000068
X＝cosφm(x-xi)+sinφm(y-yi)， Y＝-sinφm(x-xi)+cosφm(y-yi)，
Figure GSB0000184890420000069
步骤11：依据步骤(10)获得的[I(θ)]xx、[I(θ)]xy、[I(θ)]yx、[I(θ)]yy的表达式，可以计算费歇尔信息矩阵的逆矩阵I(θ)-1，进而可以获得以阅读器收信功率PR作为观测量条件下的标签定位误差的克拉美罗下界，即系统的标签定位误差不会低于该克拉美罗下界的数值，以此可以精确评价定向辐射场景下的无源UHF RFID定位系统的定位精度。
需指出，在步骤5中，无源标签天线的分立辐射增益模型 GT(x，y，xi，yi，zi)的表达式为
Figure GSB0000184890420000071
在步骤6中，阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θm，x，y，xi，yi，zi) 的表达式为
Figure GSB0000184890420000072
在步骤7中，阅读器天线的分立辐射增益模型 GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)的表达式为
Figure GSB0000184890420000073
本发明的目的是，提出一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID 定位精度评价方法。本发明针对UHF RFID系统采用定向辐射天线引起的收信功率估计偏差问题，通过构建基于微带天线和偶极子天线的 RFID系统的定向辐射场景，实现阅读器获得的标签收信功率的高精度估计，结合现代信号处理技术，围绕系统中多阅读器的收信功率为基础构建观测向量，通过计算费歇尔信息矩阵及其逆矩阵，进而获得定位标签无偏估计状态下的克拉美罗下界，实现定向辐射场景下的无源UHF RFID定位系统的定位精度高精度评价。本发明避免了采用全向辐射天线增益模型引起的收信功率估计偏差，很大程度上克服了标签漏读问题，能够满足用户对无源UHF RFID定位系统的定位精度精确评价的要求。
附图说明：
图1是本发明的流程框图
图2是偶极子标签天线增益模型示意图；
图3是传统微带阅读器天线增益模型示意图；
图4是适于UHF RFID系统的定向辐射增益模型示意图。
具体实施方式：
如图2所示，假设标签天线采用偶极子天线，则以标签天线为原点建立其在空间直角坐标系下的增益模型，满足
Figure GSB0000184890420000081
其中，标签天线垂直于XOTY面，天线的质心处于原点OT上，OT与空间中一点A构成射线矢量
Figure GSB0000184890420000082
θT为Z轴到射线矢量
Figure GSB0000184890420000083
的到角，φT为射线矢量
Figure GSB0000184890420000084
在XOTY面上投影后，X轴到该投影的到角。
如图3所示，假设阅读器天线采用微带定向天线，最大辐射强度方向是其法线方向，以阅读器天线为原点建立其在空间直角坐标系下的增益模型：
GR(θR，φR)＝3.136[tan(θR)sin(0.5πcos(θR))cos(0.5πsin(θR)sin(φR))]2
(2)
其中，阅读器天线处于YORZ面，且天线法线方向与X轴正向重合，天线质心处于原点OR上，OR与空间中一点A构成射线矢量
Figure GSB0000184890420000091
θR为Z轴到射线矢量
Figure GSB0000184890420000092
的到角，φR为射线矢量
Figure GSB0000184890420000093
在XORY面上投影后，X轴到该投影的到角。
将图2和图3所示的阅读器天线和标签天线放入同一空间直角坐标系中，建立如图4所示的适于UHF RFID系统的定向辐射增益模型。如图4所示，将标签坐标为(x，y，z)，且一直在XOY面平行于X 轴放置，将阅读器天线坐标为(xi，yi，zi)，表示用于定位的第i个阅读器天线，i∈[3，N]，根据实际情况简化模型参数，拟摆放阅读天线在同一高度且令z＝0，则
Figure GSB0000184890420000094
进而则公式(1) 中的θT可以更新为
Figure GSB0000184890420000095
此时，公式(1)可以更新为：
Figure GSB0000184890420000101
引入天线俯仰角θm来进一步定义阅读器天线的增益，设θm为天线法线方向和Z轴正方向的夹角，则公式(2)中的θR和φR可以更新为
Figure GSB0000184890420000102
和
Figure GSB0000184890420000103
进而可以将公式(2)可以更新为：
Figure GSB0000184890420000104
引入阅读器天线旋转角φm修正阅读器天线的增益，设φm为阅读器天线法相方向在XOY投影和X轴正方向的夹角，采用更新公式
Figure GSB0000184890420000105
对阅读器和标签的相对位置关系进行修正。同时结合实际情况，令微带天线只对正前方辐射，将其后方的增益置零，设定φR的有效范围为[-π/2，π/2]，引入门函数rect对阅读器天线有效辐射方向进行限定，进而可以将GR(θm，x，y，xi，yi，zi)进一步更新为GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)
Figure GSB0000184890420000111
其中
Figure GSB0000184890420000112
基于弗里斯功率损耗模型，阅读器获得的标签收信功率可以表示为PR＝τμTρLPTx|GTGRPL(d)|2|h|4|Γ|2，其中，GT和GR分别采用公式(4) 和公式(6)中的表示式，
Figure GSB0000184890420000113
是信道路径损耗，λ为电磁波波长，τ为调制效率，ρL为极化损耗，PTx为传输功率，Γ为微分反射系数，h为多径因子。根据实际情况在接收功率中加入高斯白噪声，构建基于N个阅读器的收信功率的观测矢量
Figure GSB0000184890420000114
满足
Figure GSB0000184890420000115
其中ω＝[ω1，...，ωi，...ωN]T，ωi服从是期望为0，方差为σ2的高斯分布，进而可将收信功率的似然函数表示为
Figure GSB0000184890420000116
其中θ＝[x，y]；
结合上述似然函数，可以获得θ的无偏估计均方根误差的克拉美罗界为
Figure GSB0000184890420000117
[I(θ)]xx和[I(θ)]yy分别为收信功率PR的费歇尔信息矩阵中的元素，费歇尔信息矩阵可以表示为
Figure GSB0000184890420000121
其逆矩阵为
Figure GSB0000184890420000122
根据公式
Figure GSB0000184890420000123
计算获得矩阵中每个元素的表示式，对于[I(θ)]xx有
Figure GSB0000184890420000124
Figure GSB0000184890420000125
Figure GSB0000184890420000126
Figure GSB0000184890420000127
Figure GSB0000184890420000128
Figure GSB0000184890420000129
对于[I(θ)]yy有，
Figure GSB00001848904200001210
Figure GSB00001848904200001211
Figure GSB00001848904200001212
Figure GSB0000184890420000131
Figure GSB0000184890420000132
Figure GSB0000184890420000133
对于[I(θ)]xy和[I(θ)]yx分别有
Figure GSB0000184890420000134
其中
Figure GSB0000184890420000135
X＝cosφm(x-xi)+sinφm(y-yi)， Y＝-sinφm(x-xi)+cosφm(y-yi)，
Figure GSB0000184890420000136
依据上述方法获得的[I(θ)]xx、[I(θ)]xy、[I(θ)]yx、[I(θ)]yy的表达式，可以计算费歇尔信息矩阵的逆矩阵I(θ)-1，进而可以获得以阅读器收信功率PR作为为观测量条件下的标签定位误差克的克拉美罗下界，即系统的标签定位误差不会低于该克拉美罗下界的数值，以此可以精确评价定向辐射场景下的无源UHF RFID定位系统的定位精度。
假设定位系统利用3个发射功率为30dbm的阅读器对标签进行定位，阅读器天线得摆放位置坐标分别为(5m，5m，2m)、(5m，-5m， 2m)、(-5m，-5m，2m)，各阅读器天线的俯仰角和旋转角分别为(45°， 90°)、(45°，180°)、(45°，0°)，各阅读器的收信功率的噪声方差为0dBm，则采用上述方法可以获得实际坐标为(0，0，0)的定位标签的定位误差的下限为0.034m，该下限能够精确评价该标签的定位精度。

Claims (4)

1.一种适于定向辐射场景的无源超高频RFID定位精度的评价方法，其具体步骤如下：
步骤1：以无源标签天线选用偶极子天线和阅读器天线选用传统微带天线为建模条件，建立适于无源UHF RFID定位的定向辐射场景；
步骤2：选取空间直角坐标系，确立无源标签天线的分立辐射增益模型：
Figure FSB0000184890410000011
在上述分立辐射增益模型中，标签天线垂直于XOTY面，天线的质心处于原点OT上，OT与空间中一点A构成射线矢量
Figure FSB0000184890410000012
θT为Z轴到射线矢量
Figure FSB0000184890410000013
的到角，φT为射线矢量
Figure FSB0000184890410000014
在XOTY面上投影后X轴到该投影的到角；
步骤3：选取空间直角坐标系，确立阅读器天线的分立辐射增益模型：
Figure FSB0000184890410000015
在上述分立辐射增益模型中，最大辐射强度方向是天线面板的法线方向，阅读器天线处于YORZ面，天线质心处于原点OR上，且天线法线方向与X轴正向重合，OR与空间中一点A构成射线矢量
Figure FSB0000184890410000016
θR为Z轴到射线矢量
Figure FSB0000184890410000017
的到角，φR为射线矢量
Figure FSB0000184890410000018
在XORY面上投影后X轴到该投影的到角；
步骤4：针对步骤1中的定向辐射场景，将阅读器和标签同时放入同一空间直角坐标系中，对步骤(2)和步骤(3)中的分立辐射增益模型进行更新修正；
步骤5：以标签天线坐标(x，y，z)表示标签空间位置，将标签置于XOY面且平行于X轴，令阅读器天线坐标为(xi，yi，zi)，i∈[3，N]，根据实际情况简化模型参数，将系统中全部阅读器天线置于同一高度且令z＝0，则阅读器天线和标签间的空间距离可以表示为
Figure FSB0000184890410000021
进一步，步骤2中θT可以更新为
Figure FSB0000184890410000022
此时，步骤2中无源标签天线的分立辐射增益模型GT(θT，φT)可以更新为GT(x，y，xi，yi，zi)；
步骤6：引入阅读器天线俯仰角θm修正阅读器天线的增益，设θm为天线法线方向和Z轴正方向的夹角，则步骤3中的θR和φR可以更新为
Figure FSB0000184890410000023
进而可以将步骤3中阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θR，φR)更新为GR(θm，x，y，xi，yi，zi)；
步骤7：引入阅读器天线旋转角φm修正阅读器天线的增益，设φm为阅读器天线法线方向在XOY投影和X轴正方向的夹角，采用更新公式
Figure FSB0000184890410000024
对阅读器和标签的相对位置关系进行修正，同时结合实际情况，令阅读器天线只对正前方辐射，将其后方的增益置零，令φR的有效范围为[-π/2，π/2]，引入门函数rect对阅读器天线有效辐射方向进行限定，进而可以将步骤6中的GR(θm，x，y，xi，yi，zi)进一步更新为GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)；
步骤8：基于弗里斯功率损耗模型，阅读器获得的标签收信功率可以表示为PR＝τμTρLPTx|GTGRPL(d)|2|h|4|Γ|2，其中，GT和GR分别采用步骤5和步骤7中的表示式，
Figure FSB0000184890410000031
是信道路径损耗，λ为电磁波波长，τ为调制效率，ρL为极化损耗，PTx为传输功率，Γ为微分反射系数，h为多径因子，根据实际情况在接收功率中加入高斯白噪声，构建基于N个阅读器的收信功率的观测矢量
Figure FSB0000184890410000032
满足
Figure FSB0000184890410000033
其中ω＝[ω1，...，ωi，...ωN]T，ωi服从期望为0，方差为σ2的高斯分布，进而可将收信功率的似然函数表示为
Figure FSB0000184890410000034
其中θ＝[x，y]；
步骤9：基于步骤8中的似然函数，可以获得θ的无偏估计均方根误差的克拉美罗界为
Figure FSB0000184890410000035
[I(θ)]xx和[I(θ)]yy分别为收信功率PR的费歇尔信息矩阵中的元素，费歇尔信息矩阵可以表示为
Figure FSB0000184890410000036
步骤10：根据公式
Figure FSB0000184890410000037
计算获得矩阵中每个元素的表示式，对于[I(θ)]xx有
Figure FSB0000184890410000038
Figure FSB0000184890410000039
Figure FSB00001848904100000310
Figure FSB0000184890410000041
Figure FSB0000184890410000042
Figure FSB0000184890410000043
对于[I(θ)]yy有，
Figure FSB0000184890410000044
Figure FSB0000184890410000045
Figure FSB0000184890410000046
Figure FSB0000184890410000047
Figure FSB0000184890410000048
Figure FSB0000184890410000049
对于[I(θ)]xy和[I(θ)]yx分别有
Figure FSB00001848904100000410
其中
Figure FSB00001848904100000411
X＝cosφm(x-xi)+sinφm(y-yi)，Y＝-sinφm(x-xi)+cosφm(y-yi)，
Figure FSB0000184890410000051
步骤11：依据步骤(10)获得的[I(θ)]xx、[I(θ)]xy、[I(θ)]yx、[I(θ)]yy的表达式，可以计算费歇尔信息矩阵的逆矩阵I(θ)-1，进而可以获得以阅读器收信功率PR作为观测量条件下的标签定位误差的克拉美罗下界，即系统的标签定位误差不会低于该克拉美罗下界的数值，以此可以精确评价定向辐射场景下的无源超高频RFID定位系统的定位精度。
2.根据权利要求1所述的一种适于定向辐射场景的无源超高频RFID定位精度的评价方法，其特征在于，步骤5中，无源标签天线的分立辐射增益模型GT(x，y，xi，yi，zi)可以表示为
Figure FSB0000184890410000052
3.根据权利要求1所述的一种适于定向辐射场景的无源超高频RFID定位精度的评价方法，其特征在于，步骤6中，阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θm，x，y，xi，yi，zi)可以表示为
Figure FSB0000184890410000053
4.根据权利要求1所述的一种适于定向辐射场景的无源超高频RFID定位精度的评价方法，其特征在于，步骤7中，阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)可以表示为
Figure FSB0000184890410000061
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