CN109765547A - 一种无源rfid精确测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源射频识别（RFID）精确测距的方法及系统，涉及定位技术。本发明利用跳频频率合成器来控制信号发射器以等间隔跳频的方式实现无线信号发送，完成无线信号带宽的扩展，同时通过跳频频率合成器中控制器和直接数字频率合成模块将跳频字发送给位置测量单元（LMU），无源标签将相应频率的已调信号反向散射给LMU；LMU根据跳频字确定相应的频点，接收标签发送的信息，完成对标签的精确测距，定位中心服务器（LCS）完成对标签的定位。本发明实现无源RFID精确测距，并联合多通道天线进行三边定位，可以达到亚厘米级的定位，能广泛用于室内定位。

Description

一种无源RFID精确测距方法及系统

技术领域

本发明属于定位技术，具体涉及在无源RFID(Radio Frequency Identification)下的精确测距。

背景技术

如今RFID技术常用于物品、人员的标识和追踪。有其特有的优势：非接触式读写、体积小、成本低、安全性高等。RFID定位技术原理是根据UHF RFID通信协议(EPCClass1Generation2)，采用读写器优先准则，由读写器端发起通信，RFID标签接收读写器发射的命令信息并完成命令，返回相应的数据信息，提取RFID标签返回的信息进行定位。其中RFID标签分为有源、无源以及半有源。有源标签指标签本身携带电源模块，不需要依靠读写器提供能量，有源RFID标签的成本通常在几十元，但其体积通常比较大，重量也相对较重。无源RFID标签其本身不携带电源，通过读写器提供能量完成所需操作，其成本更低，甚至只需要几元钱，且无源RFID标签的体积很小，通常都被制作成一张薄片的形式，具有广泛的应用价值。例如，RFID定位技术可以应用在工厂和仓库，当产品被包装在一个密封的盒子之后，包装好的产品用RFID标签标记，利用RFID定位技术可以查看产品是否包装正确，产品是否完好以及检查产品的数量。故RFID定位技术获得了许多关注，其中无源RFID技术因为其成本低，体积小等优点被广泛关注。

现有的RFID定位系统通常有两类，一类是直接利用现有的窄带RFID标签，但是对环境有严格的要求；另一类是对环境没有严格要求，但是却需要设计一种新的超带宽的RFID硬件设备。利用无源标签进行RFID定位的方法主要包括通过接收标签信号强度(RSS)和信号到达角度(AOA)进行定位，最初可以到达数十厘米的精度，最近的发展更是到达了厘米级的精度。然而，由于RSS自身的特点，应用于RFID定位有其固有的缺陷，标签的反射信号会非常微弱，到达读写器的反射信号中有很大一部分是耦合的前向信号，会影响检测到的RSS，影响定位精度，而且基于RSS和AOA定位的方法对于环境的要求比较苛刻。

发明内容

本发明针对现有RFID定位方法和技术的上述缺陷，提供一种在无源RFID条件下，进行精确测距的方法。能在不更改RFID硬件条件下提高RFID的带宽，并利用大带宽进行精确测距。本发明通过跳频方式扩展RFID的带宽，并联合载波相位进行精确测距，使用该方法测距精度可达亚厘米级，再通过多通道天线联合定位，进行精确定位。

本发明通过RF(射频)读写器与RFID(射频识别)标签在ISM频段内(工业、科学、医疗频段)建立正常通信，并完成对无源标签的供能，然后通过跳频频率合成器来控制信号发射器以等间隔跳频的方式发送连续载波信号给标签，诱导标签在不同的频点下反向散射已调信号至LMU模块，从而扩展了RFID通信的带宽。LMU接收到标签反射的信号信息，通过滤波器滤除掉ISM频段内接收的信号信息，进行粗略距离估计，再通过多频点相位信息基于聚类算法完成整周模糊度的求解，完成距离的精确估计；最后，利用多通道天线完成无源标签的联合定位，得到亚厘米级的定位结果。

本发明解决技术问题的技术方案是，利用RF读写器跟无源标签保持正常的通信，完成标签供能，利用跳频频率合成器控制信号发射器以等间隔跳频的方式对无源标签发送连续载波信号，完成带宽扩展，同时通过跳频频率合成器中控制器(FPGA)和直接数字频率合成模块(DDS)将跳频字发送给位置测量单元(LMU)；标签接收到信号发射器发送的信号后在相应的频点将已调信号反向散射至LMU；LMU根据跳频字确定相应频点，接收标签反向散射的信息，完成对无源标签的精确测距，并将距离信息以及RFID标签身份发送给定位中心服务器(LCS)；LCS完成对RFID标签的定位。

本发明提出一种在无源RFID条件下进行精确测距的方法，包括以下步骤：RF读写器建立与无源标签的通信连接，并为所述无源标签持续供能；跳频频率合成器控制信号发射器以等间隔跳频的方式给所述无源标签发送连续载波信号，同时将跳频字发送至LMU模块；LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字，并根据跳频字确定相应频点，无源标签接收所述信号发射器发送的信号，在相应的频点反向散射已调信号至LMU模块；LMU模块根据接收的标签反向散射信息进行测距，并将距离信息以及所述无源标签的身份信息发送至LCS模块；LCS模块根据所述距离信息以及无源标签身份信息进行定位。

本发明进一步包括，所述RF读写器用于实现RFID通信协议，采用读写器优先原则，由RF读写器端发起通信，在ISM频段发送连续载波至所述无源标签，激活标签，发射功率不超过额定功率。所述跳频频率合成器控制信号发射器在700MHz-1.1GHz的频段内以等间隔跳频的方式发送连续载波至无源标签，发送信号频率间隔可为5MHz，发送功率最好低于读写器功率，完成带宽扩展，同时所述跳频频率合成器将跳频字发送至所述LMU模块。

更进一步地，直接数字频率合成模块DDS为多路收发提供本振，还具有频率切换速度快、输出频点多的特点，跳频频率合成器中的控制器(FPGA)控制DDS快速跳频，使得RFID工作带宽增加，接收端也能直接获取解调后的I/Q(同相支路/正交支路)两路数据。无源标签接收信号发射器发送的信号，将已调信号反向散射至LMU模块，LMU模块根据跳频字确定频点，完成对无源标签反向散射信号的接收。LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字信息P_t，以及无源标签的反向散射信号y_t，在频率f_k下，根据公式：估计在不同频率{f₁,f₂,…,f_K}下LMU模块获得的信道频率响应{h₁,h₂,…,h_K}；该频率响应经过傅里叶逆变换转换至时域，得到时域脉冲响应，绘制该时域波形图，由时间、幅度识别出LOS路径并计算得该路径的粗略距离多径信号对某些频点的LOS信号产生扰动，可能导致数据包缺失，此时可借鉴非均匀离散傅里叶正变换：的思想，得到修改的时域脉冲响应：由该公式绘制时域波形图，由时间、幅度识别出LOS路径并计算得该路径的粗略距离其中，H(k)表示第k个频点对应的频域信道状态信息，h(n)表示时域的信道状态信息，K为采用的频点总数，F为带宽，f_k为跳频点，j为虚数单位，real表示取实部。

将粗略距离作为滤波器，体现在公式： 从而滤除多径对LOS路径相位的影响，达到增强LOS路径，抑制多径的效果。其中，θ_m表示频率f_m对应的相位，“∠”表示求相位，h_i为频域的信道状态信息，c为光速，j为虚数单位，K表示采用的频点总数，设定为奇数，f_m为所取跳频点的中值，确保与关于f_m对称。若跳频点对应的数据包丢失，则需要剔除对应的数据包，如此对应相消，对于数据包丢失的情况，才能起到抑制多径的效果。

利用已得的θ_m和频率f_m可以得到距离信息，即在不同的频点下得到不同的相位θ，对应不同的距离d，得到的距离信息如下：

其中，λ_m表示频率f_m对应的波长。相位{θ₁,θ₂,…,θ_m}具有2π的整周模糊度，故距离{d₁,d₂,…,d_m}具有模糊度，联合多个频点对整周模糊度进行求解，通过聚类算法得到距离的精确估计，利用多通道天线对标签进行联合定位，得到亚厘米级的定位结果。

本发明还提出一种无源RFID精确测距系统，包括：RF读写器、跳频信号发射器、无源标签、LMU模块和LCS模块，RF读写器建立与无源标签的通信连接，并为所述无源标签持续供能；跳频信号发射器包括跳频频率合成器和信号发射器两部分，跳频频率合成器控制信号发射器以等间隔跳频的方式给无源标签发送连续载波信号，同时将跳频字发送至LMU模块；LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字，并根据跳频字确定相应频点，无源标签接收跳频信号发射器发送的信号，在相应的频点将已调信号反向散射至LMU模块；LMU模块根据接收的反向散射信号信息进行测距，并将距离信息以及无源标签的身份信息发送至LCS模块；LCS模块根据所述距离信息以及无源标签身份信息进行定位。

本发明利用跳频频率合成器诱导无源标签在不同频点反向散射已调信号信息，提高RFID通信的带宽；利用宽带合成的方式提升测距精度；利用跳频得到的多频点相位完成整周模糊度的求解；利用抑制多径后的载波相位完成距离的精确估计；利用多通道天线完成无源标签的定位。能够通过跳频在不改变硬件设备的条件下扩展RFID通信的带宽，基于跳频得到的多频点相位完成整周模糊度求解，在室内环境下进行精确距离估计，联合多通道天线可以进行精确的室内定位，定位可达亚厘米级。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为跳频频率合成器结构图；

图3为LMU模块结构图；

图4为信号发射说明图；

图5为基于多频点相位的整周模糊度求解。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。

如图1所示是基于无源RFID条件下，进行精确测距的系统图，其无源RFID测距系统包括：RF读写器、跳频信号发射器、无源标签、LMU模块和LCS模块。

RF读写器实现RFID通信协议(EPC Class1Gen2)，采用读写器优先的原则，由RF读写器端发起通信，发送连续载波至所述无源标签(工作频率可为902-928MHz(ISM频段))，并且发射功率不超过额定功率(36dBm)，与无源标签建立正常的通信，并供能；

跳频信号发射器包括跳频频率合成器和信号发射器两部分，跳频频率合成器控制信号发射器在工作频段(700MHz-1.1GHz的频段)内以等间隔跳频的方式发送连续载波至所述无源标签，发送信号频率间隔可为5MHz，发送功率最好低于读写器功率，以完成带宽扩展，同时跳频频率合成器将跳频字发送至LMU模块；

无源标签在建立与所述RF读写器的通信连接后，接收所述信号发射器发送的信号，在相应的频点反向散射已调信号至LMU模块；

无源标签接收信号发射器发送的信号，将已调信号反向散射发送至LMU模块，LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字确定频点，完成对无源标签反向散射信号的接收。

如图2所示为跳频频率合成器结构图，包括控制器(FPGA，现场可编程门阵列)、直接数字频率合成模块(DDS)、压控振荡器。通过跳频频率合成器发送跳频字以及控制信号发射器发送信号。

如图3所示为LMU模块结构图，包括：Filter(滤波器)、LNA(低噪声放大器)、MIX(混频器)、A/D(模数转换器)、BB(基带处理)。该模块接收跳频频率合成器发送的跳频字信息P_t，以及无源标签的反向散射信号y_t，该信号通过滤波器、放大器，在混频器和跳频字信息结合，经过A/D转换器将信号转换成基带数字信号，再由BB模块对基带信号进行处理。

如图4是信号发射说明图。跳频频率合成器确定信号的跳频频率，该信号经过混频器、滤波器、放大器后由发射天线发送。

在某一频率f_k下，根据公式：估计信道状态信息h_k。其中，H表示共轭，t表示在不同时间点。通过跳频方式得到不同频率{f₁,f₂,…,f_K}时，LMU模块可以在宽频的范围内获得信道的频率响应{h₁,h₂,…,h_K}；

在不同频率{f₁,f₂,…,f_K}下得到的信道频率响应{h₁,h₂,…,h_K}，经过傅里叶逆变换(IFFT)转换至时域，得到时域脉冲响应，绘制时域波形图，由时间最短、幅度最高识别出LOS路径，该LOS路径对应的时间乘以光速计算得到粗略的距离

室内环境复杂，障碍物较多，如果多径信号对某些频点的LOS信号产生扰动，则在接收端极有可能接收不到这些频点的信道信息，即存在数据包丢失的情况，此时，利用IFFT所求得的粗略距离是有误的。即粗略距离与实际距离相差较大，将影响后续的多径抑制算法，针对数据包缺失的情况，借鉴非均匀离散傅里叶正变换的思想获得粗估计距离。

具体通过借鉴非均匀离散傅里叶正变换：的思想，得到修改的时域脉冲响应：由该公式绘制时域波形图，由时间、幅度识别出LOS路径并计算该路径的粗略距离其中，H(k)表示第k个频点对应的频域信道状态信息，h(n)表示时域的信道状态信息，F为带宽，f_k为跳频点，K为采用的频点总数，j为虚数单位，real表示取实部，整个指数部分表示变换因子，在式中，T为采样的总时间，t_n为采样时间点。

由于相位、距离、时间等参数具有整周模糊度，得到粗略距离之后，可以将粗略距离作为滤波器，滤除多径对LOS路径相位的影响，达到增强LOS路径，抑制多径的目的，当相位满足： 则达到抑制多径的效果。其中，θ_m表示频率f_m对应的相位，“∠”表示求相位，h_i为频域的信道状态信息，c为光速，j为虚数单位，K表示采用的频点总数，设定为奇数，该值越大，抑制多径的效果越明显，f_m为所取跳频点的中值，确保与关于f_m对称。

针对数据包丢失的情况，若仍使用原来的方法会引入新的相位，求得粗略距离之后，进一步修改上式的多径抑制算法，即：若对应的数据包丢失，则剔除对应的数据包，不再代入上式多径抑制算法，如此对应相消，才能起到多径抑制的效果。

如图5所示为基于多频点相位的整周模糊度求解，可得到精确的距离估计。利用已得的θ_m和频率f_m，根据公式可以得到距离信息，在不同的频点f下得到不同的相位θ，对应不同的距离d，得到的距离信息如下：

其中，λ_m表示频率f_m对应的波长。相位{θ₁,θ₂,…,θ_m}具有2π的整周模糊度，故距离{d₁,d₂,…,d_m}具有模糊度，联合多个频点对整周模糊度进行求解，通过聚类算法得到距离的精确估计，利用多通道天线对标签进行联合定位，通过最小二乘法进行三边定位得到亚厘米级的定位结果。

本发明提出了一套完整的利用无源RFID精确测距的方案，并通过多通道天线对标签进行联合定位，可以达到亚厘米级的定位精度。

Claims (9)

1.一种无源RFID精确测距方法，包括步骤：RF读写器建立与无源标签的通信连接，并为无源标签持续供能；跳频频率合成器控制信号发射器以等间隔跳频的方式给无源标签发送连续载波信号，同时将跳频字发送至位置测量模块LMU；LMU模块接收跳频字，并根据跳频字确定相应频点，无源标签接收跳频信号发射器发送的信号，经过调制将已调信号反向散射至LMU模块；LMU模块根据接收的反射信息进行测距，并将距离信息以及RFID标签的身份信息发送至位置服务模块LCS；LCS模块根据所述距离信息以及无源标签身份信息进行多站联合定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，RF读写器用于实现RFID通信协议，采用读写器优先原则，由RF读写器端发起通信，在ISM频段发送连续载波至所述无源标签，激活标签，发射功率不超过额定功率；跳频信号发射器中包含跳频频率合成器和信号发射器两部分；直接数字频率合成模块DDS为多路收发提供本振，还具有频率切换速度快、输出频点多的特点，跳频频率合成器中的控制器(FPGA)控制DDS快速跳频，使得RFID工作带宽增加，接收端也能直接获取解调后的I/Q两路数据。无源标签接收信号发射器发送的信号，经过调制将已调信号反向散射至LMU模块，LMU模块根据跳频字确定频点，完成对无源标签散射信号的接收。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字信息P_t，以及无源标签的反向散射信号y_t，根据公式：估计在不同频率{f₁,f₂,…,f_K}下的信道状态信息h_k，即是LMU模块获得的信道频率响应{h₁,h₂,…,h_K}；该频率响应经过傅里叶逆变换转换至时域，得到时域脉冲响应，绘制该时域波形图，由时间、幅度识别出LOS(视距)路径，计算该路径的粗略距离

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，多径信号对某些频点的LOS信号产生扰动，可能导致数据包缺失，此时可借鉴非均匀离散傅里叶正变换：的思想，得到修改的时域脉冲响应：由该公式可绘制时域波形图，由时间、幅度识别LOS路径并计算该路径的粗略距离其中，H(k)表示第k个频点对应的频域信道状态信息，h(n)表示时域的信道状态信息，K为采用的频点总数，F为带宽，f_k为跳频点，j为虚数单位，real表示取实部。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，将粗略距离作为滤波器，体现在公式：从而滤除多径对LOS路径相位的影响，若跳频点对应的数据包丢失，则相应剔除对应的数据包，增强LOS路径，抑制多径，其中，θ_m表示频率f_m对应的相位，“∠”表示求相位，h_i为频域的信道状态信息，c为光速，j为虚数单位，K表示采用的频点总数，设定为奇数，f_m为跳频点的中值，确保与关于f_m对称。

6.一种无源RFID精确测距系统，其特征在于，包括：RF读写器、跳频信号发射器、无源标签、LMU模块和LCS模块，RF读写器建立与无源标签的通信连接，并为所述无源标签持续供能；跳频信号发射器中的跳频频率合成器控制信号发射器以等间隔跳频的方式给无源标签发送连续载波信号，同时将跳频字发送至LMU模块；LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字，并根据跳频字确定相应频点，无源标签接收跳频信号发射器发送的信号，经过调制将已调信号反向散射至LMU模块；LMU模块根据接收的反向散射信号进行测距，并将距离信息以及无源标签的身份信息发送至LCS模块；LCS模块根据所述距离信息以及无源标签身份信息对该标签进行定位。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，直接数字频率合成模块DDS为多路收发提供本振，跳频频率合成器中的控制器(FPGA)控制DDS快速跳频，使得RFID工作带宽增加，接收端也能直接获取解调后的I/Q两路数据；无源标签接收跳频信号发射器发送的信号，经过调制将已调信号反向散射至LMU模块，LMU模块根据跳频频率合成器发送的跳频字确定频点，完成对无源标签散射信号的接收。

8.根据权利要求6-7其中之一所述的系统，其特征在于，LMU模块接收跳频频率合成器发送的跳频字信息P_t以及无源标签的反向散射信号y_t，根据公式：估计在不同频率{f₁,f₂,…,f_K}下的信道状态信息h_k，即是LMU模块获得的信道频率响应{h₁,h₂,…,h_K}；由于多径信号对某些频点的LOS信号产生扰动，可能导致数据包缺失，此时可借鉴非均匀离散傅里叶正变换：的思想，得到修改的时域脉冲响应：由该公式可绘制时域波形图，由时间、幅度识别出LOS路径并计算该路径的粗略距离其中，H(k)表示第k个频点对应的频域信道状态信息，h(n)表示时域的信道状态信息，K为采用的频点总数，F为带宽，f_k为跳频点，j为虚数单位，real表示取实部。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，将粗略距离作为滤波器，体现在公式：从而滤除多径对LOS路径相位的影响，若跳频点对应的数据包丢失，则相应剔除对应的数据包，达到增强LOS路径，抑制多径的效果。其中，θ_m表示频率f_m对应的相位，“∠”表示求相位，h_i为频域的信道状态信息，c为光速，j为虚数单位，K表示采用的频点总数，设定为奇数，f_m为所取跳频点的中值，确保与关于f_m对称。