CN109874134A - 基于ofdm的rf标签室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于OFDM的RF标签室内定位方法及系统。涉及一种室内定位技术。RF读写器发射高功率纯载波信号f_p，RF标签接收到此高功率信号被供电激活后，将存储的标签身份信息及OFDM序列信息调制至载波信号上，并将调制后的信号反向散射给位置测量单元LMU。LMU从接收信号中提取RF标签信息，以及计算出以f_p频率为中心的含多个子载波的信道状态响应信息，并上述信道状态响应使用分数傅里叶变换得到关于信号延迟的函数，用于估计RF标签至LMU的距离，利用反射径抑制算法求RF标签到LMU的精确距离；LMU根据多载波多天线下的信道状态响应建立关于子载波相位差和角度的阵列流型，求解信号的AOA；LMU得到RF标签的距离信息和角度信息，联合两者信息实现对RF标签的单站定位。

Description

基于OFDM的RF标签室内定位系统及方法

技术领域

本发明属于定位技术，涉及一种RF标签室内定位。

背景技术

射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，RFID系统由三部分组成：扫描天线和RF(射频)阅读器，RF(射频)标签。RF标签由微芯片，存储器和天线组成。射频识别利用电磁场自动识别附着在物体上的RF标签，RF标签包含电子存储的信息。无源标签从附件的RFID读写器的无线电波收集能量，LMU通过获取信道状态信息CSI(Channel State Information)信号推测出LMU与标签之间的距离，在获得多天线多载波下的CSI信号后，可以实现对标签的无线定位。而且RFID标签不需要位于读写器的视线内，因此它可以嵌入到被跟踪的对象中，有着更为广泛的应用。

随着科技的进步和社会经济的发展，人们对定位服务的要求越来越高，作为具有非视距、非接触、成本低、技术成熟和定位精度高等优点的RFID技术，已经被广泛应用到生产制造和装配、物流和供应管理、邮件快递、图书馆管理、医疗以及门禁控制等各个方面。

RF信号在抵达LMU前要从不同的障碍物上反射，由于室内环境中障碍物较多，且空间有限，导致RF阅读器对距离和角度的判断困难，容易造成错误，致使定位误差较大。不能满足室内高精度定位的要求。

发明内容

本发明针对现有室内环境定位技术中存在的上述缺陷，提供一种在室内环境下，基于正交频分复用OFDM的RF标签定位系统的实现。它能有效的解决多径问题，精确估计RF标签的距离和方向，从而估算出RF标签的位置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，基于无源射频识别RFID技术，设计一种使用OFDM和RFID标签协议相结合的系统，对RF标签进行距离和到达角度的测量。具体为，一种基于OFDM的RF标签定位系统，包括：RF读写器，RF读写器是读取或写入标签信息的设备，通过射频收发器发送高功率纯载波给RF标签提供能量并调制目的标签的认证识别信息，对返回的标签的认证识别信息进行解码，完成与标签的供能和通信，其发送协议和RFID协议一致。

RF标签，由RF标签天线获得来自RF读写器的感应电流，经过标签内部的升压电路作为标签的电源给标签供能，同时将携带信息的感应电流通过射频前端电路，检测得到的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；后向散射的信号通过天线发给位置测量单元LMU(location measurement unit)。

位置测量单元LMU，接收RF标签后向散射信号，从接收到的OFDM信号中获得各子载波频率下的信道状态信息。LMU采用三通道三天线，其接收协议和RF读写器接收协议一致，在接收部分支持对OFDM的解调，其它协议和RFID协议一致。LMU完成的功能包括：RF标签信息获取；建立基于正交子信道联合的角度估计模型，计算接收信号的到达角；从各子载波频率的信道状态信息中计算得到RF标签到LMU的距离信息，LMU联合RF标签到LMU的距离信息和RF标签相对LMU的角度信息实现对RF标签的单站定位。

本发明还提供一种在室内环境下基于OFDM的RF标签定位方法，包括步骤：(1)RF读写器发射高功率纯载波信号，RF标签获取来自RF读写器的感应电流，为RF标签供能；(2)RF标签将存储的OFDM序列信号及标签身份信息调制至载波信号上，OFDM信号子载波频率为以零频为中心，间隔为Δf的一组频率f_s＝{f₁,f₂,...f_K}，若可用带宽为B，子载波频率个数为k，则(3)RF标签将调制后的OFDM信号从天线反向散射给位置测量单元LMU；(4)LMU建立基于正交子载波联合的多天线角度估计模型，计算接收信号到达角，估计RF标签所处角度，从接收信号中提取RF读写器到RF标签粗估计距离，在粗估计距离的基础上，联合多载波信息求解RF读写器到RF标签的精确距离；(5)LMU联合RF标签到LMU的距离信息和RF标签相对LMU的角度信息实现对RF标签的单站定位。

更进一步，步骤(2)进一步包括：标签存储的OFDM信号中，其子载波频率为以零频为中心，间隔为Δf的一组频率f_s＝{f₁,f₂,...f_K}，，LMU获取以940MHz为中心，间隔为Δf的一组频率对应的信道频率响应H_k(k＝1,2,3···K)。使用分数傅里叶逆变换：将在不同载频处的K个信道频率响应{H₁,H₂,···H_K}由频域变换到时域，其中，τ表示时域中信号的延迟，Δf代表子载波频率间隔。根据S(τ)绘制延迟τ的函数，延迟曲线出现多个峰值，每个峰值对应的横坐标代表RFID信号经过不同路径产生的时延；第一个峰值对应的时延τ乘以光速c作为RF读写器到RF标签的粗估计距离d₀c；将五个频点下的信道频率响应H_k分别进行反射径抑制，从而获得其对应频点下准确的相位信息，进而求出这些频点下对应的不足一个波长的距离值。分别在这些频点下对应的不足一个波长的距离值的基础上增加对应频点下的整数倍波长值作为候选距离，根据粗估计距离设置候选距离的搜索范围，得到各个频点的限定候选距离集合，如将第一个频点的第一个候选距离作为标准，分别从其余频点找出最接近此标准的候选距离，接下来以第一个频点的第二个候选距离作为标准，依此类推，得到最接近d₁的数据并将其作为一个候选集，将每个候选集进行异常点剔除，得到每个候选集的类中心和类半径，选择类半径最小的类的均值，作为最终的精确距离d。

LMU接收的多径OFDM信号，如以编号1的天线为参考阵元，得到接收信号的阵列流型为：其中，csi_k,1代表天线阵列中第k根天线在中心频率f下获取的信道状态信息，d表示天线阵列的间隔，{θ₁,θ₂,θ₃,···θ_L}为接收信号中多条路径信号的入射角，c代表光速，α_i是路径i的路径系数，τ_i是第i条路径到达阵元的飞行时间，f表示中心频率。

LMU接收的多径OFDM信号，子载波之间的相位差表示为：对三通道三天线的测量矩阵，建立AOA(到达角)与TOF(飞行时间)的二维联合估计多径MUSIC传播模型：

对于物理天线数M，子阵中物理天线数M_sub，则天线可以滑动的次数为L_a＝M-M_sub+1，子载波数为N，子阵中的子载波数为N_sub，则子载波可以滑动的次数为L_s＝N-N_sub+1，一共有L_a×L_s个子阵，h_m,n为第m×n个子阵，第m×n个子阵的自相关矩阵R_m,n表示为：经过二维空间滑动后的自相关矩阵R_s表示为：

对自相关矩阵R_s进行特征值分解，特征值由大到小进行排序，后N_sub-1个特征向量组成噪声特征向量矩阵E_N，a(θ)是信号子空间的方向矢量，则信号空间谱为：由于信号子空间方向矢量与噪声特征向量矩阵正交，空间谱P(θ)最大值对应的角度为LMU接收信号的到达角θ。

LMU联合距离信息和角度信息实现对RF标签的定位。

本发明设计一种基于OFDM的RF标签定位系统，包括：RF读写器、RF标签、位置测量单元LMU，RF读写器通过射频收发器发送高功率纯载波给RF标签提供能量并调制目的标签的认证识别信息，并对返回的标签的认证识别信息进行解码，完成与标签的供能和通信；RF标签通过天线获得来自RF读写器的感应电流为标签供能，将携带信息的感应电流通过射频前端电路，检测到的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，后向散射的信号通过天线发给位置测量单元LMU；位置测量单元LMU接收RF标签后向散射信号，建立基于正交子载波的多天线角度估计模型，然后分别进行相位矫正、距离估算、角度估计；LMU联合RF标签到LMU的距离信息和RF标签相对LMU的角度信息实现对RF标签的单站定位。

本发明使用RF读写器发射高功率纯载波信号f_p，RF标签接收到高功率信号被供电激活，RF标签将存储的OFDM序列信号及标签身份信息调制到载波信号上，RF标签将调制后的信号反向散射给位置测量单元LMU，提取以f_p信号频率为中心的多个载波的信道状态响应信息，从而获得RF标签到LMU的距离信息。RF标签将已经调制好的携带标签信息的信号反向散射给LMU。LMU单元从接收到OFDM序列信号，分别提取角度、距离信息，即是建立基于正交子载波联合的多天线角度模型，进行角度估计，以及基于多载波联合的距离估计模型。LMU获得角度信息、RF标签信息和距离信息实现对RF标签的定位。对于室内环境复杂，障碍较多的情况，能有效的解决多径问题，精确估计RF标签的距离和方向，从而估算出RF标签准确位置。

附图说明

图1为基于OFDM的RF标签定位系统的系统框图；

图2a为RF标签结构示意图；

图2b为RF标签阻抗开关开路示意图；

图2c为RF标签阻抗开关断路示意图；

图3为存储于标签的OFDM信号在频带示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为基于OFDM的RF标签定位系统框图，RF读写器发射高功率纯载波信号给RF标签。包括：RF读写器、RF标签、位置测量单元LMU，RF读写器通过射频收发器发送高功率纯载波给RF标签提供能量并调制目的标签的认证识别信息，对标签的认证识别信息进行解码，完成与标签的供能和通信。RF标签通过天线获得来自RF读写器的感应电流为标签供能，将携带信息的感应电流通过射频前端电路，检测到的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，后向散射的信号通过天线发给位置测量单元LMU；LMU采用三通道三天线，在接收部分支持对OFDM接收信号的解调，其它协议和RFID协议一致。LMU完成的功能包括：RF标签信息获取；建立基于正交子载波的多天线角度估计模型；相位矫正；角度估计；距离估计；联合角度信息、RF标签信息、距离信息实现对RF标签的单站定位。

RF读写器通过射频收发器发送频率为940MHz高功率纯载波给RF标签提供能量并调制目的标签的认证识别信息，RF标签将已调信号返回给RF读写器。RF读写器通过射频收发器发送纯载波给RF标签提供能量并接收目的标签的编码射频信号，对标签的认证识别信息进行解码，完成与标签的供能和通信；RF标签通过天线获得来自RF读写器的感应电流为标签供能，将携带信息的感应电流通过射频前端电路，检测到的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理。

如图2a为RF标签结构示意图，包括阻抗开关，功率获取单元，RFID逻辑存储器、天线。图2b为RF标签阻抗开关开路示意图，图2c为RF标签阻抗开关断路示意图。RF读写器发送频率为940MHz高功率纯载波，RF标签接收此高功率信号被供电激活，RF标签将存储的OFDM序列信号及标签身份信息调制至纯载波信号上，RF标签将调制后的信号反向散射给位置测量单元LMU，LMU采用三十二通道三天线，其接协议和RF读写器接收协议一致，并支持对OFDM的解调，获取RF标签信息、角度信息和距离信息。存储于RF标签的OFDM信号，其子载波频率是以-80MHz为起点并且80MHz为终点，频率间隔为5MHz的32个频率，经过940MHz高功率纯载波信号的调制并后向散射给LMU，LMU提取以940MHz频率为中心，以860MHz为起点1020MHz为终点频率间隔为5MHz的32个子载波的信道状态响应信息，从而获得RF标签到LMU的距离信息。

在室内环境中，RF信号在抵达LMU接收机前要从不同的障碍物上反射，为了从这种多径环境中识别LOS(line ofsight视线)路径，我们使用分数傅里叶变换将频域信号变换到时域,其公式为其中，H_k代表第k个频率处获得的信道频率响应，τ表示时域中信号的延迟，根据S(τ)绘制延迟τ的函数，延迟曲线出现多个峰值，每个峰值对应于RFID信号所经过的不同路径的时间。LOS路径是多径中最短的，所以对应第一个峰值，该峰值对应的延时τ乘以光速c作为RF读写器到RF标签的粗估计距离在的基础上精确求解距离d，具体包括步骤：将某些频点获取的信道响应h_k分别进行反射径抑制，从而获得其对应频点下准确的相位信息，进而可求出这些频点下对应的不足波长部分的距离值。分别在这些频点下不足波长部分距离值的基础上增加对应频点下的整数倍波长值λ_i作为候选距离{d_i,d_i+λ，d_i+2λ_i，d_i+3λ_i，d_i+4λ_i,···d_i+nλ_i}，d_i代表小数部分距离值，n表示在此基础上累加的波长个数，d_i+nλ_i需超过定位范围，RF读写器发出频率位于ISM以外的间隔为Δf的一组连续波{f₁f₂...f_i}，λ_i表示这组频率对应的波长。

根据粗估计距离d₀c可以设置候选距离的搜索范围，从而得到各个频点的限定候选距离集合。我们先将第一个频点的第一个候选距离作为标准，分别从其余频点找出最接近此标准的候选距离，接下来以第一个频点的第二个候选距离作为标准，依次类推。下面进一步以寻找最接近的d₁值为例：

得到最接近d₁的数据并将其作为一个候选集，由于噪声的影响，需要将每个候选集进行异常点剔除，得到每个候选集的类中心和类半径。由于目标位置确定后，由每个频点得到的距离值为固定值，然而由于数据噪声等原因，使得每个候选集的类半径不为0，因此，我们选择类半径最小的类的均值，作为最终的精确距离d。

LMU接收的多径OFDM信号，以编号1的天线为参考阵元，可以得到接收信号的阵列流型为：

其中，α_i是路径i的路径系数，τ_i是第i条路径到达阵元的飞行时间。

LMU接收的多径OFDM信号，子载波之间的相位差还与路径的TOF(飞行时间)、子载波之间的相位差有联系，子载波之间的相位差可以表示为：

(f_i,f_j表示第i点和j点子载波频率)

对三通道三天线的测量矩阵，建立AOA(到达角)与TOF(飞行时间)的二维联合估计多径MUSIC传播模型，可以得到：

该二维联合估计MUSIC传播模型的每个天线之间的测量值不是独立的，噪声子空间会扩散到信号子空间中，为使MUSIC算法性能不因此下降，需要对二维联合估计多径MUSIC传播模型的相关矩阵进行二维空间平滑。物理天线数M，子阵中物理天线数M_sub，则天线可以滑动的次数为L_a＝M-M_sub+1，子载波数为N，子阵中的子载波数为N_sub，则子载波可以滑动的次数为L_s＝M-M_sub+1，一共有L_a×L_s个子阵，h_m,n为第m×n个子阵，第m*n个子阵的自相关矩阵R_m,n表示为：

R_s为经过二维空间滑动后的自相关矩阵，R_s可以表示为：

对自相关矩阵R_s进行特征值分解，对特征值由大到小进行排序，后N_sub-1个特征向量组成噪声特征向量矩阵E_N，a(θ)是信号子空间的方向矢量，则信号空间谱可以表示为：

由于信号子空间方向矢量与噪声特征向量矩阵正交，所以空间谱最大值对应的角度即为LMU接收到信号的到达角θ。LMU得到RF标签的距离信息和角度信息，联合两者信息实现对RF标签的单站定位。

Claims (10)

1.一种基于OFDM的RF标签定位方法，其特征在于，包括步骤：(1)RF读写器发射高功率纯载波信号，RF标签获取来自RF读写器的感应电流，为RF标签供能；(2)RF标签将存储的OFDM序列信息及标签身份信息调制至载波信号上，其中OFDM序列信号是由多个等间隔的子载波频率合成；(3)RF标签将上述已调信号从天线反向散射给位置测量单元LMU；(4)LMU将标签身份信息及OFDM序列信号从已调信号中解调出来，然后建立基于正交子载波联合的多天线角度估计模型，计算接收信号到达角AoA，从而估计RF标签所处角度，同时LMU利用解调的OFDM信号估计得到RF标签至LMU的粗距离，再利用反射径抑制算法进一步估计精距离；(5)联合RF标签到LMU的距离信息和RF标签相对LMU的角度信息，实现对RF标签的单站定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：LMU对接收信号进行解调可获得OFDM序列的信道状态信息，即根据公式：使用导频信息X_k及解调后的OFDM信号导频信息Y_k获得该频率下的信道频率响应H_k(k＝1,2,3···K)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据公式：将在不同载频处的K个信道频率响应{H₁,H₂,···H_K}，使用分数傅里叶逆变换IFRFT将频域信号变换到时域，其中，τ表示时域中信号的延迟，根据S(τ)绘制延迟τ的函数，延迟曲线出现多个峰值，每个峰值对应RFID信号所经过主要路径的时间；此处将第一个峰值对应的延时τ乘以光速c作为RF标签到LMU的粗估计距离将所得的对应子载波信号的信道响应分别进行反射径抑制，从而获得其对应频点下准确的相位信息，进而求出这些频点对应的不足波长部分的距离值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分别在这些频点对应的不足波长部分的距离值的基础上增加对应频点下的整数倍波长值作为候选距离，根据粗估计距离设置候选距离的搜索范围，得到各个频点的限定候选距离集合，对每个候选距离集合进行异常点剔除，得到每个候选距离集的类中心和类半径，选择类半径最小的类的均值，作为最终的精确距离d。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，LMU接收的多径OFDM信号，如以编号1的天线为参考阵元，得到接收信号的阵列流型为：其中，csi_k,1代表天线阵列中第k根天线在第一个频率下获取的信道状态信息，d表示阵列中天线的间隔，{θ₁,θ₂,θ₃,···θ_l}为接收信号中多条路径信号的入射角集合，c代表光速，α_i是路径i的路径系数，τ_i是第i条路径到达阵元的飞行时间，f代表中心频率，j为虚数单位。LMU接收的多径OFDM信号，子载波之间的相位差表示为：f_i是第i个子载波频率；对于三通道三天线的测量矩阵，建立AOA与TOF的二维联合估计多径MUSIC传播模型：其中，α_i是路径i的路径系数，τ_i是第i条路径到达阵元的飞行时间，以信道状态信息csi_1,1为参考，csi_i,j表示第i根天线在第j个频率处获得的信道状态信息，f代表中心频率，Δf代表频率间隔，d表示阵列中天线的间隔，{θ₁,θ₂,θ₃,···θ_l}为接收信号中多条路径信号的入射角，c代表光速。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步对MUSIC传播模型的相关矩阵进行二维空间平滑根据公式L_a＝M-M_sub+1计算天线可以滑动的次数，其中，物理天线数M，子阵中物理天线数M_sub，根据公式L_s＝N-N_sub+1计算子载波可以滑动的次数，其中，子阵中的子载波数为N_sub，子载波数为N，一共有L_a×L_s个子阵，第m×n个子阵的自相关矩阵R_m,n表示为：经过二维空间滑动后的自相关矩阵R_s表示为：其中，h_m,n为第m×n个子阵。对自相关矩阵R_s进行特征值分解，特征值由大到小进行排序，后N_sub-1个特征向量组成噪声特征向量矩阵E_N，a(θ)是信号子空间的方向矢量，则信号空间谱表示为：空间谱P(θ)最大值对应的角度为LMU接收信号的到达角θ。

7.一种基于OFDM的RF标签定位系统，包括：RF读写器、RF标签、位置测量单元LMU，其特征在于，RF读写器发射高功率纯载波信号为RF标签供能，RF标签将存储的OFDM序列信息及标签身份信息调制至载波信号上，经RF标签后向散射的信号到达LMU测量单元，LMU解调该信号得到标签信息及OFDM序列信号，并计算得到各子载波频率的信道状态信息。位置测量单元LMU利用多天线上得到的各子载波所对应的信道状态信息，建立基于正交子载波联合的多天线角度估计模型，并先后进行相位矫正、距离估算、角度估计；LMU联合RF标签到LMU的距离信息和RF标签相对LMU的角度信息实现对RF标签的单站定位。LMU采用三通道三天线，其接收协议和RF读写器接收协议一致，在接收部分支持对接收信号的解调，其它协议和RFID协议一致。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，RF标签接收高功率纯载波信号，RF标签将存储的OFDM序列信号及标签身份信息调制到载波信号上，OFDM信号子载波频率是以-80MHz为起点并且80MHz为终点，频率间隔为5MHz的32个频率，LMU获取以940MHz为中心860MHz为起点1020MHz为终点，频率间隔为5MHz的32个子载波的信道频率响应H_k(k＝1,2,3···K)。

9.根据权利要求7-8其中之一所述的系统，其特征在于，LMU接收的含多径信号的OFDM信号，子载波之间的相位差表示为：对三载波三天线的测量矩阵，建立AOA与TOF的二维联合估计多径MUSIC传播模型：其中，α_i是路径i的路径系数，τ_i是第i条路径到达阵元的飞行时间，以信道状态信息csi_1,1为参考，csi_m,n表示第m根天线在第n个频率处获得的信道状态信息，j是虚数单位，f代表中心频率，Δf代表频率间隔，d表示阵列中天线的间隔，{θ₁,θ₂,θ₃,···θ_l}为接收信号中多条路径信号的入射角，c代表光速。进一步对MUSIC传播模型的相关矩阵进行二维空间平滑得到自相关矩阵。对自相关矩阵R_s进行特征值分解，特征值由大到小进行排序，后N_sub-1个特征向量组成噪声特征向量矩阵E_N，a(θ)是信号子空间的方向矢量，信号空间谱表示为：空间谱P(θ)最大值对应的角度为LMU接收信号的到达角θ。

10.根据权利要求7-8所述的系统，其特征在于，根据公式：将在不同载频处的K个信道频率响应{H₁,H₂,…H_K}，使用分数傅里叶逆变换IFRFT将频域信号变换到时域，其中，τ表示时域中信号的延迟。根据S(τ)绘制延迟τ的函数，延迟曲线出现多个峰值，此处将第一个峰值对应的延时τ乘以光速c作为RF标签到LMU的粗估计距离将所得的对应子载波信号的信道响应分别进行反射径抑制，从而获得其对应频点下准确的相位信息，分别在这些频点对应的不足波长部分的距离值的基础上增加对应频点下的整数倍波长值作为候选距离，根据粗估计距离设置候选距离的搜索范围，得到各个频点的限定候选距离集合，对每个候选距离集合进行异常点剔除，得到每个候选距离集的类中心和类半径，选择类半径最小的类的均值，作为最终的精确距离d。