CN117546174A - 可在询问器模式与监听器模式之间切换的rfid标签读取器 - Google Patents

Abstract

射频标识(RFID)系统使用读取器询问和定位商店、仓库和其它环境中的无源RFID标签。来自所述读取器的信号为所述标签上电，所述标签调制并朝向所述读取器反向散射所述信号。不利的是，最大允许RF信号功率、所述读取器处的自干扰、标签灵敏度和信道损耗会限制读取器可检测和定位标签的范围。同时使用多个读取器会避开这些限制。当一起使用时，每个读取器又将信号发送到标签，并且所有所述读取器都监听所述标签的响应中的每一者。不进行发送的所述读取器不会经历自干扰，并且因此可检测较低功率水平(更长范围)的响应。因为所述读取器在不同位置处，所以所述读取器针对每个响应测量不同的到达角(AOA)。这些同时测量可用于更快地并且以更高的保真度定位每个标签。

Description

可在询问器模式与监听器模式之间切换的RFID标签读取器

相关申请交叉引用

本申请根据35 U.S.C.119(e)要求于2021年4月23日提交的第63/178,832号美国申请的优先权权益，所述美国申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

射频标识(RFID)标签读取器，也称为RFID标签询问器或简称读取器，是与RFID标签通信的装置。典型的读取器包含用于将射频(RF)信号发送到RFID标签并从RFID标签接收RF回复的一个或多个天线。一些读取器包含用于发送的一个天线以及用于接收回复的另一天线或另一组天线。将接收天线连接到读取器的线缆的信号衰减可能将控制器与接收天线之间的距离限制于约为两米(六英尺)或更小。

天线与RFID标签之间的最大距离或范围取决于由读取器发送的RF信号的最大功率、标签的回复的最大功率、读取器与RFID标签之间的通信信道的损耗、读取器的灵敏度以及RFID标签的灵敏度。来自读取器的RF信号的最大功率通常受到政府监管机构的限制，以防止干扰其它无线装置。在美国，联邦通信委员会(FCC)将由RFID标签读取器传输的RF信号的最大传导功率限制为约30dBm(1W)。(天线可具有高达6dBi的增益，使得辐射功率为36dBi。)无源RFID标签通常反射或反向散射来自读取器的RF信号中约10％的入射功率作为其回复。此效率转化为约10dB的损耗。如果单向信道损耗由于散射、反射和/或衰减而为40dB，则到达RFID标签的信号功率将由于路径损耗而减少约30dBm(加上6dBi天线增益)40dB，总共为-10dBm(如果包括6dBi天线增益，则为-4dBm)，比典型的RFID标签的开启阈值-20dBm高10dB。如果RFID标签重新辐射约10％的入射功率(10dB损耗)，则到达读取器的RFID标签的回复的功率水平约为-60dBm(1nW)，忽略了天线增益。如果读取器的灵敏度为-70dBm并且所要的信噪比(SNR)为10dB，则读取器应能够检测和解码RFID标签的回复。

往返信道损耗通常随着范围而增加，因此实现更大范围通常涉及增加发送的信号功率、增加标签反向散射效率和灵敏度、增加天线增益(并且可能使来自读取器的波束转向)以及提高读取器灵敏度的某种组合。不利的是，FCC限制了发送到标签的最大信号功率(并且因此限制了标签的回复可用的功率量)，并且热噪声从根本上限制了读取器灵敏度。另外，来自读取器的发送在时间上与标签的响应重叠，因此需要对来自读取器的发送进行自干扰消除，以便检测标签的响应。(自干扰消除通常涉及消除泄漏(信号从读取器内的发送器直接行进到接收器中)和局部反射，以及补偿由放大器、混合器和其它发送器部件中的非线性生成的谐波和噪声。)在一些常规系统中，关于最大发送功率和路径损耗的FCC规定将从读取器到无源RFID标签的最大可实现范围限制于约为15米。

发明内容

一种用于定位RFID标签的更快、更高效的系统包含多个传感器和以可操作方式耦合到所述多个传感器中的每个传感器的控制器。所述多个传感器包含可彼此相距约5米到约10米的至少第一和第二传感器。所述第一和第二传感器可独立地在询问器模式与传感器模式之间切换。所述第一传感器切换到询问器模式，并且开始发送载波(CW)。在足以为范围内的RFID标签上电的时段之后，所述第一传感器将一个或多个命令发送到所述RFID标签中的一个或多个RFID标签，并且响应于第一命令而检测由所述RFID标签中的一个RFID标签发射的第一回复。以监听器模式操作的第二传感器对所述第一命令进行检测并解码。根据解码的命令，所述第二传感器确定其应预期来自RFID标签的对所述第一命令的第一回复以及用于解码所述第一回复的参数。然后，所述第二传感器对所述第一回复进行检测并解码。通常，第二传感器从跳跃开始处于监听器模式，以便检测并锁定到询问器的CW上。作为监听器，第二传感器既监听并解码询问器命令，使得其可以监听标签的回复由询问器命令请求的那些命令。并且，控制器将第一传感器切换到询问器模式，并且基于由第一和第二传感器分别检测到的第一回复来估计所述RFID标签相对于第一传感器和第二传感器的位置。

所述多个传感器中的每个传感器可被配置成检测第一回复并计算所述第一回复的对应到达角(AOA)，在这种情况下，控制器可基于所述对应AOA对RFID标签的位置进行三角测量。每个传感器还可基于第一回复(例如，基于第一回复的振幅或接收信号强度指示符(RSSI))测量到所述RFID标签的距离或范围。使用三边测量，控制器可估计RFID标签的位置，根据可使用的与不同传感器的距离和范围，我们可使用三边测量。

第一和第二传感器可安装在天花板上，其中第一传感器被配置成向下发送第一命令，并且第二传感器被配置成检测被第一传感器下方的物体散射或反射的第一命令。替代地，第一传感器可以是手持RFID标签读取器，并且第二传感器可安装在天花板上。第一传感器可在多个信道中的第一(频谱)信道中发射第一命令，在这种情况下，第二传感器可监测所述多个信道中的每个信道，并且响应于检测到第一信道上的第一命令而检测第一信道上的第一回复。

第一传感器可包含用以生成第一命令的发送器以及用以检测第一回复和来自其它传感器的命令的接收器。所述接收器包含接收器前端、第一解调器和第二解调器。在操作中，所述接收器前端接收第一回复，并从所述多个传感器中的其它传感器接收询问。以可操作方式耦合到接收器前端的第一解调器任选地利用维特比解码器(Viterbi decoder)解调第一回复。并且，以可操作方式耦合到接收器前端的第二解调器对来自所述多个传感器中的其它传感器的询问进行解调。当第一传感器处于监听器模式时，发送器可切换到不活动模式。接收器前端可包含信道监测器，以监测其它传感器借以发送询问的信道。此信道监测器可监测跨越40MHz的频带并且各自具有500kHz的带宽的50个信道。

第二传感器可响应于来自控制器或另一装置的命令而进入监听器模式。所述第二传感器还可发射第二命令并检测由RFID标签响应于所述第二命令而发射的第二回复，在这种情况下，第一传感器可检测第二命令和第二回复，并且控制器可基于由第一传感器检测到并由第二传感器检测到的第二回复来估计RFID标签的位置。第二传感器可经由第一传感器与第二传感器之间的非光线(NLOS)路径来检测第一命令。

控制器可经由有线通信网络的有线连接耦合到所述多个传感器中的每个传感器。此有线通信网络可具有比第一传感器对第一命令的发送与RFID标签对第一回复的发送之间的时间长的时延。控制器可根据时间表命令第一传感器发送第一命令，并且命令第二传感器发送第二命令。第一和第二传感器可各自确定并向控制器发送第一回复的持续时间、频率、接收功率(接收信号强度指示符)、到达角和/或另一签名。

在一些情况下，所述多个传感器中的每个传感器可在询问器模式与监听器模式之间切换。在这些情况下，控制器可以循环方式使所述多个传感器中的传感器在询问器模式与监听器模式之间切换。第一传感器可在询问器模式执行对标签回复的相位估计，并且在监听器模式执行对标签回复的相位估计和频率估计。

一种用于定位RFID标签的系统可包含可安装在天花板上或从天花板吊装的传感器，以及以可操作方式耦合到所述传感器的控制器。每个传感器可在询问器模式与监听器模式之间切换，在所述询问器模式中，传感器向RFID标签发送命令并从RFID标签接收对命令的回复，在所述监听器模式中，所述传感器从其它传感器接收和解码命令并从RFID标签接收回复。传感器可估计来自RFID标签的回复的相应到达角和/或距RFID标签的相应范围。控制器可使传感器在询问器模式与监听器模式之间切换。控制器还可根据相应的到达角(例如，使用三角测量)和/或相应的范围(例如，使用三边测量)估计RFID标签的位置。例如，控制器可以循环方式将传感器切换到询问器模式，使得每一次，一个传感器处于询问器模式而所有其它传感器都处于监听器模式。

前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(前提是这些概念不相互矛盾)被设想为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。本文中明确采用的术语也可能在通过引用方式并入的任何公开中出现，其应当赋予最符合本文所公开的特定概念的含义。

附图说明

本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明主题的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在附图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在附图中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。

图1A示出具有中央控制器的RFID标签定位系统，所述中央控制器耦合到一组RFID标签传感器，每个RFID标签传感器可经由以太网局域网(LAN)在询问器模式与监听器模式之间切换。

图1B示出处于询问器和监听器模式的传感器可如何触发和检测来自无源RFID标签的回复。

图1C示出在一个传感器处于询问器模式并且其它传感器处于监听器模式的情况下进行的到达角(AOA)测量。

图2示出可在询问器模式与监听器模式之间切换的RFID标签传感器。

图3示出RFID标签传感器中的数字前端。

图4A示出用于针对来自其它RFID标签传感器的信号(例如，询问或命令)监测不同信道的数字前端中的信道选择器/频谱分析仪的选定部件。

图4B示出使用图4A的信道选择器监测并选择RFID标签信道的过程。

图5A示出频率和相位估计器，其对处于询问器和监听器模式的RFID标签传感器执行相位估计，并且对处于监听器模式的RFID标签传感器执行频率估计。

图5B示出处于监听器模式的RFID标签传感器的频率估计。

图6示出RFID标签传感器中的命令解调器。

图7示出RFID标签传感器中的标签解调器。

具体实施方式

图1A-1C示出RFID标签定位系统100，其利用可在询问器模式与监听器或仅接收模式之间切换的若干RFID标签读取器120a-120d(统称为读取器120)对一个或多个RFID标签130进行定位。通常，一次仅一个读取器120处于询问器模式，而其它读取器120中的一个或多个读取器处于监听器模式。处于询问器模式的读取器120询问标签130，并且所述读取器和范围内所有处于监听器模式的读取器120接收标签的回复。对于N个读取器120，这意味着即使一次只有一个读取器120可发送询问消息，也能同时对标签的回复进行多达N次测量。这种同时测量数目的N倍增加可用于增加由系统100执行的RFID标签定位的速度(例如，N倍)、保真度(例如，通过非相干平均达到√N倍)或速度和保真度。

由不同位置处的读取器对每个回复进行许多次同时测量提供了优于使用常规技术的若干优点，常规技术涉及一次仅从一个读取器测量AOA或范围。开始时，系统可使用这些不同的测量值来从单个回复而不是常规RFID标签定位系统所需的来自不同读取器的多个回复和串行测量值估计标签在两个或三个维度上的位置。对于具有高标签密度和许多传感器(读取器)的环境，这可将位置测量时间缩短几十秒到几分钟，而这是第二或第三传感器读取标签可能需要的时长。

对于一些应用，此位置刷新率可能不够。例如，考虑估计移动标签的位置。如果标签在一个读取器一次进行的连续AOA或范围测量之间移动，则基于这些测量的三角测量或三边测量将产生错误结果。相比之下，使用不同位置处的传感器同时进行多个AOA和/或范围测量会消除因标签移动引起的这些错误。

从不同位置进行同时测量也比进行一次一个传感器的顺序测量更高效。在常规系统中，第一读取器或传感器读取标签(例如，如果标签未知，则通过使用随机时隙ALOHA方法，或通过选择RFID协议程序读取特定已知标签)。在第一传感器读取标签后，靠近第一传感器的第二传感器使用选择命令重新读取相同标签并获得第二AOA或距离测量值。如果第二读取器未成功读取标签或范围或AOA估计较差，则第三传感器可重复测量。这是低效的，因为标签被多次读取；如果标签在运动，则这可能因读取之间的时间期间的移动而影响位置估计的质量。相反，多个同时测量涉及对标签的单次读取，从而消除读取与额外命令(此处，由第二读取器和后续读取器发送的选择命令)之间的延迟。

读取器120可以循环方式进行更多的同时测量，其中每个读取器120又充当询问器，而其它读取器120充当监听器，从而进一步提高测量速度和/或保真度。因为监听器不为标签供电，并且因此不会遭受自干扰等，所以监听器可检测更大范围内的标签响应，使得有可能从常规系统根本不可能的距离/位置进行测量。

读取器120经由相应的以太网连接112或其它合适的(通常有线的)连接连接到系统控制器110，如图1A中所示。以太网连接112也可将读取器120彼此连接。系统控制器110具有与网络时间同步的时钟，并且使用所述时钟经由以太网连接112使读取器120同步。读取器120应充分同步，使得当不同读取器120对从同时发送的相同标签130接收到的回复加时间戳时，系统控制器110可将检测到的回复一起分组并处理。同步还应足够好以防止跳之间存在过量时间(例如，允许1毫秒或更大的最小跳间间隔)。

此同步可揭示，以太网连接112中的一个或多个的时延和/或以太网连接112之间的时延变化会超过RFID标签130对来自读取器120的询问信号或命令121作出响应的分配的窗口或跳间间隔，从而使得读取器120彼此经由有线连接112进行关于调度的通信是不切实际的。如果这些时延比分配的标签回复窗口/跳间间隔长，则读取器120可仅检测广播命令121，而不是感测关于经由有线连接112到彼此的命令121的单独信号。读取器120还可使用读取器特定命令而不是经由以太网连接112提供的局域网以无线方式(例如，通过用于与标签130通信的相同RF信道)彼此通信。

系统控制器110还包含处理器，所述处理器生成用于询问RFID标签130的时间表113。时间表113列出每个读取器120应处于询问器模式和监听器模式的时间。即，时间表113列出每个读取器120应何时发射询问信号121，包含询问和其它询问器命令。时间表113还可列出每个读取器120预期应从其它读取器120接收询问信号121以及由那些询问信号121提示的标签回复的窗口。系统控制器110经由以太网连接112将此时间表113发送到RFID标签读取器120。所述系统控制器将时间表113存储在耦合到处理器的本地存储器中。系统控制器110从RFID标签读取器120接收包含接收时间、频率、功率和标签位置信息的标签回复数据123，并将此数据123也存储在存储器中以供稍后处理。

读取器120根据时间表113广播询问信号121，其中每个读取器120处于询问器模式或监听器模式。通常，一次一个读取器120处于询问器模式，而其它读取器120处于监听器模式。当处于询问器模式的读取器120广播询问信号121时，标签130通过其中部署了系统100的商店、仓库、工厂或其它环境经由无线多路径信道122接收询问信号121。标签130中的至少一者用标签回复131对询问信号121作出响应，所述标签回复在询问信号121之后的预定义时间窗口内到达处于询问模式的读取器120。处于监听器模式的读取器120通过相同的无线多路径信道122检测询问信号121和标签回复131。由不同读取器120检测到的标签回复131可用于比常规RFID标签定位系统可能更快和/或更精确地定位标签130。

整个询问/回复序列被称为跳，并且在下文更详细地描述。每个跳从单个频率下的连续载波(CW)发送的时段开始。此CW发送为RFID标签130供电。每当传感器或读取器120发送命令时，其利用命令调制此CW，然后返回到发送连续CW。跳跃的未调制和调制部分的持续时间取决于RFID协议和/或国家；在美国，跳跃通常为400毫秒，并且命令的持续时间范围为约100μsec至约1msec或更长，这取决于所选择的A型参考间隔(TARI；例如，6.25μsec至25μsec)和命令中的有效载荷位的数量。

图1B和1C示出RFID标签定位系统100可如何用于同时对单个标签回复131进行多个到达角(AOA)测量，以实现更快和/或更准确的标签定位测量。在这种情况下，读取器120排列在例如零售店或仓库中的房间等房间的天花板上。环境中可能存在数十到数百个读取器120。每个读取器120与其最近的相邻者分开多达120米(例如，分开5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、110或120米)，并且经由以太网或其它有线或无线连接连接到控制器(未示出)。将每对读取器120分开的距离可基于用于为标签130供电的最大范围，例如，如果用于为标签130供电的最大范围是10米，则读取器120可彼此相隔多达20米，使得每个标签可由至少一个读取器供电。每个读取器120定向成使得其天线很大程度上向下朝地板发射询问信号121，其中较少RF能量在侧向传播。

在此示例中，读取器120a处于询问器模式，并且读取器120b-120c处于监听器模式。读取器120a经由可包含一次或多次反射的自由空间信道122将询问信号121发送到RFID标签130。读取器120a应足够接近无源的标签130，以便询问信号121对标签130充分供电或充电，以产生可检测的回复131。鉴于对最大功率、信道损耗和标签反向散射效率的限制，RFID标签130与读取器120a之间的距离应为约20米或更小(例如，15、10或5米)。其它读取器120b-120d可更远离标签130(例如，多达25、50、75、100、125、250或甚至500米远)，因为它们不为标签130供电或充电，并且因此不会受到自干扰。鉴于对最大功率、信道损耗和标签反向散射效率以及自干扰消除的限制，RFID标签130与读取器120a之间的距离可为约20米或更小(例如，15、10或5米)。

其它读取器120b-120d可更远离标签130(例如，多达25、50、75或甚至100米远)，因为它们不为标签130供电或充电，因此它们不必执行自干扰消除以便检测响应131。其它读取器120b-120d与标签130之间的最大距离取决于回复131的振幅、信道损耗和读取器120的灵敏度，并且可在正确接收器、天线和路径损耗条件下多达500米。(标签回复响应的振幅通常比其接通功率低10dB，其通常约为-17dBm(并且随着标签性能的提高随时间推移而减小)。通道损耗在1米处为约32dB，并且对于距离的每倍增加约6dB。合理的RFID接收器的灵敏度为-80dBm。)读取器120可排列在房间内，使得每个读取器120应能够检测来自每个标签130的回复，或使得不是每个读取器120都可检测来自每个标签130的回复，这部分地取决于房间的形状和大小。

标签130可具有偶极子天线，所述偶极子天线以环形图案辐射回复131。因为读取器120相对于标签130在不同位置处，所以此RF场从不同的方位角和/或仰角冲击每个读取器120，分别如图1C的顶部和底部所示。在某些情形中，例如，如果读取器120a与标签130之间的信道受到反向链路限制，则监听器120b-120d可接收标签的回复131，而不会出错，即使读取器120a接收到带有错误的回复131。每个读取器120可计算对应的方位角和仰角AOA，并将每个标签130的计算的AOA发送到控制器110。每个读取器120还可基于回复131的振幅或RSSI来估计到标签130的范围或距离。控制器110可聚合来自不同读取器120的AOA和/或范围，并且例如通过三边测量或三角测量使用所述AOA和/或范围来估计标签的位置。因为单个询问信号131通过系统100中的多达所有读取器120从不同位置产生多个同时的AOA测量值，所以控制器110可在仅一个跳之后导出或估计RFID标签130的位置，这与可能需要许多跳以在两个或三个维度上定位标签130的常规RFID系统不同。利用更多的AOA测量值，控制器可更精确地估计标签相对于读取器120的位置。如果读取器的绝对位置是已知的，则控制器110也可使用所述绝对位置来估计标签的绝对位置。

在检测到标签回复131之前，读取器120b-120d还检测来自读取器120a的询问信号121。如下文更详细地解释，当读取器120处于监听器模式时，其扫描相关RFID通信频带(例如，美国的902到928MHz或欧洲的865到868MHz)以寻找询问信号121，所述询问信号可在所述频带内的许多信道(例如，50个信道)中的一个信道上广播。当处于监听器模式的读取器120检测到特定信道上的询问信号121时，所述读取器在询问信号121的结束的预定或预设时间窗口内监听同一信道上的回复131。读取器120还可解调或解码询问信号121，并使用解码的询问信号121来解释来自标签130的回复131。

询问信号121告知标签130如何响应(即，回复123的调制、前导码类型和位速率)。处于监听器模式的读取器120监听命令121以知晓标签130应对命令121如何响应。处于监听器模式的读取器120还基于针对标签的回复123的定时限制来确定命令121的结束时间，以知晓何时预期标签回复123。

因为读取器120安装在天花板上并且向下(朝向标签130)广播询问信号131，所以所述读取器通常经由非视线(NLOS)路径检测来自其它读取器120的询问信号131。例如在图1B和1C中，读取器120a向下发射询问信号131，从而引起信号131的至少一部分从地板、货架和/或其它物体上反射或散射。其它读取器120b-120d检测到此反射或散射能量，这可能代替或补充检测到的直接从读取器120a传播而不从另一表面散射或反射的能量。即使考虑沿着NLOS路径的衰减，检测到的询问信号131的振幅也足以由读取器120b-120d在监听器模式下以高保真度(例如，SNR>10dB)检测到。

RFID标签定位系统100还可包含手持读取器、车辆或推车安装读取器或未经由有线连接连接到系统控制器110的其它读取器或与它们交互。这些读取器可在询问器模式与监听器模式之间切换，或者这些读取器可以是专门作为询问器操作的常规读取器，即，其发送询问信号并接收标签回复而不检测或处理来自其它读取器的询问信号。在任一情况下，当手持读取器发送询问信号时，既处于监听器模式又在范围内的读取器检测所述询问信号和任何标签回复两者。这些读取器可根据标签回复计算标签回复的估计AOA和响应标签的位置，并且向系统控制器报告位置、AOA和/或标签回复参数(例如，量值、相位、到达时间)以进行更多处理。

必要时，手持读取器可向其它(固定)读取器广播命令，在发送询问信号之前，所述命令将其它读取器切换到监听器模式。替代地，其它读取器可在不发送或处于询问器模式时扫描手持读取器的RFID信道。或者，读取器(包含手持读取器)可使用自同步PN序列来驱动跳频，使得所有读取器(固定的和/或手持的)都可与跳变模式同步。固定读取器也可始终处于监听器模式(并且可能缺乏发送器和相关硬件)，以专门与手持式或移动读取器(询问器)一起操作。

图2更详细地示出读取器120，包含在读取器120处于询问器模式时可启用或在读取器120处于监听器模式时可停用的部件。读取器120包含RF天线和前端210、处理器212、RF校准和调谐块214、跳发生器220和跳接收器230。RF天线和前端210可包含一个或多个天线元件、放大器、滤波器和/或其它模拟RF部件，以用于发送RFID询问信号121并从其它读取器接收标签回复131和RFID询问信号121。处理器212可在微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它合适的装置中实施，并且控制读取器120的操作。所述处理器将信息存储在存储器(未示出)中并从存储器检索信息，并且经由例如以太网连接等网络连接(未示出)与系统控制器通信。并且处理器212使读取器120在询问器模式与监听器模式之间切换，其中跳发生器220在询问器模式中被停用或关断并在询问器模式中被启用或接通，而跳接收器230在两种模式中被启用或接通。RF校准和调谐块214执行RF校准和调谐功能。

跳发生器220生成读取器120发送到RFID标签130和其它读取器120的询问信号121(图1A-1C)。跳发生器还可生成旨在用于其它读取器120的例如关于专用读取器通信信道或具有特定前导码或有效负载命令或通信信号。跳发生器包含：数字命令发生器222，其生成由询问信号121传送的数字询问、命令和/或其它信息；以及RF电子件224，其用于将来自命令发生器222的数字信号转换成适合由天线210发送的模拟信号。RF电子件224可包含将数字信号转换成基带模拟信号的数/模转换器(DAC)、用以将基带模拟信号混合到中频的混合器和本机振荡器，以及用以去除侧带和/或杂散的滤波器和/或脉冲整形器。

跳接收器230包含耦合到命令解调器234和标签回复解调器236的接收器前端232。通常，接收器前端232数字化、下变频并估计由天线检测到的RF信号的相位。当读取器120处于监听器模式时，接收器前端232还检测其它读取器120在上面发送询问信号121的信道，并估计那些其它询问信号121的载波频率。存在各种方式来配置接收器前端232；在此示例中，其接收40MHz下的模拟同相和正交(I/Q)信号，并将所述信号转换成基带(5MHz)下的数字I/Q样本，如下文更详细地解释。在其它示例中，接收器前端可包含低中频外差接收器或其它合适的接收器。命令解调器234在读取器120处于监听器模式时启用，并且解调基带命令I/Q样本以产生命令位速率(例如，40kbps到160kbps)的询问器信号231。命令解调器234使用命令有效负载来确定处于询问器模式的读取器120询问标签130的内容(例如，调制、前导码类型、预期回复类型等)。例如，处于询问器模式的读取器120可要求标签130使用具有标准前导码的320kHz反向散射链路频率(BLF)的Miller-2调制来发送其电子产品码(EPC)的前64位。处于监听器模式的读取器120使用所述信息对标签回复131进行解码。当读取器120处于询问器模式时，命令解调器234被停用。标签回复解调器236在询问器和监听器模式中都被启用，并且解调基带标签回复I/Q样本以产生标签回复位速率的标签回复信号233。

图3示出接收器前端232的许多可能实施方案中的一者。此实施方案包含模/数转换器(ADC)310，所述ADC由时钟发生器312计时，并且在一个或多个信道上将40MHz的模拟I/Q信号转换成40MHz的数字I/Q样本。ADC 310还生成指示每个跳的结束的跳结束(EOH)信号。EOH信号指示处于监听器模式的读取器120可停止处理当前跳，并且聚合跳统计数据(例如，功率水平、各种事件的时间戳等)。EOH信号表明所述接收器应为下一跳或其它下一动作做好准备，例如变为空闲或休眠。

耦合到ADC 310的输出的下变频器320将数字I/Q样本向下混合到基带(例如，5MSa/s)。当读取器120处于监听器模式时，信道检测器和选择器322检测并选择检测到的询问信号121的信道，如下文所描述。抽取器330对数字样本进行下取样，以供命令解调器234和标签回复解调器236处理。换句话说，一旦接收器确定接收到的回复123的500kHz信道，它就将所述信道转换为基带并应用基带滤波器。它还对40MHz样本进行下采样至5MHz，以减少数字信号处理负载。

在监听器模式，由命令解调器234启用的频率估计器332估计检测到的跳的相位和频率，并将这些估计值提供给下变频器320，下变频器对频率和相位进行补偿，从而有效地将两者从信号中去除。频率估计器332还估计检测到的标签回复131的振幅，并将振幅估计值提供给标签解调器236，例如，用于定位发送检测到的标签回复131的RFID标签。这是仅监听器特征。在实践中，读取器120的本地时钟参考可有不同并且可能漂移。频率估计器332使得有可能跟踪和去除跳的CW部分或至少去除跳的足够多部分，使得非常窄的陷波滤波器可去除任何残余频率偏移。处于监听器模式的读取器120可感测跳的CW部分，其远大于在询问器模式中直接从读取器120获得的标签回复131。处于监听器模式的读取器120跟踪并去除那些CW部分以保持在标签解调器的动态范围内。

图4A和4B示出信道检测和选择。信道检测器和选择器322可实施为频谱分析仪，其扫描读取器120借以发送询问信号121并且无源RFID标签130借以反向散射回复131的频带。在此示例中，信道检测器和选择器322包含相关器410、功率计412、信道检测器414和信道选择器416。相关器410使来自ADC 310的40MHz数字样本与不同信道(例如，50个信道)相关，每个信道具有500kHz的总带宽，并且支持约40-160kHz的信号带宽，这取决于位速率，从而产生40-640kHz的标签回复信号带宽，忽略了旁瓣。这可通过用一组带通滤波器对样本滤波来实现，每个带通滤波器的频率不同，或者通过扫描整个频带上的单个带通滤波器或本机振荡器来实现，就如扫描超外差频谱分析仪中一样。功率计412测量预定时段(例如，扫描滤波器的停留时间)内每个信道中的平均功率。信道检测器414检测哪个信道具有最高平均功率，并且信道选择器416选择具有最高平均功率的所述信道作为用以监测标签回复的信道。

图4B示出用于由处于监听器模式的读取器120中的信道检测器和选择器322进行的信道监测、检测和选择的过程450。当跳开始(452)时，相关器410和功率计412扫描RFID频带以寻找具有超过阈值功率水平(454)的接收功率的信道。当信道检测器和选择器322以“扫描最大”模式扫描寻找具有最大功率的信道时，其测试每个信道(例如，所有50个信道)。当找到具有最高或最大功率的信道时，其转变到装备(ARMED)状态(456)，然后重新扫描其它信道，以确保当前信道确实是具有最大功率的信道。在扫描其它信道但没有找到更高功率之后，其选择具有最大功率的信道，从而进入选定状态(458)。(如果多于一个信道具有最大功率，则信道检测器和选择器322可挑选第一或最低频率信道。)信道检测器和选择器322还可仅挑选超过预定阈值功率的第一信道作为具有最大功率的信道(即，作为选定信道)。此阈值可基于来自其它传感器的命令的历史测量值。例如，如果读取器正从读取器120a接收命令并且在先前跳期间从读取器120a测量到1000(任意单位)的功率水平，则阈值可设置为800。还有可能执行运行时校准，其中当没有读取器120正在发送环境本底噪声(可能有例如10dB的偏置)并将环境本底噪声用作阈值时，每个读取器120测量环境噪声。

图5A和5B更详细地示出频率和相位估计器332的操作。如图5A中所示，积分器502跨M个流中的每个流对N个数字样本进行积分，并且将积分的/平均的样本提供到坐标旋转数字计算机(CORDIC)芯片504，所述芯片从积分的/平均的样本确定每个流的量值和相位误差。在监听器模式，频率和相位估计器332根据M个流的量值和相位误差估计接收到的询问器信号121和标签回复131的频率、相位和量值。这些流可从相同的振荡器(例如，电压控制的晶体振荡器(VXCO))驱动，因此应处于相同的频率，但可具有不同的相位。

如图5B中所示，频率和相位估计器332包含从输入量值生成量值估计值的量值平均器510。频率估计器520从对应的相位误差估计每个流的频率，并将结果馈送到频率平均器522，所述频率平均器对流频率求平均以产生改进的频率估计值。类似地，相位估计器530从对应的相位误差估计每个流的相位，并将结果馈送到相位平均器532，所述相位平均器对流频率求平均以产生频率估计值。校正块540计算校正因子以补偿实施延迟(例如，测量与应用样本n的频率偏移之间的延迟)。

图6示出读取器120中的命令解调器234的实施方案。命令解调器234在读取器120处于监听器模式时被启用，否则被停用。所述命令解调器包含流组合器602、符号检测器604、命令解析器606和参数估计器608。在操作中，流组合器602组合来自接收器前端232的M个流，并且检测组合流的包络并设定其阈值，所述组合流表示来自另一读取器120的询问信号121。符号检测器604检测询问信号121中的每个符号的长度和上升沿以及跳的结束(EOH)。命令解析器606解析来自询问信号121中的符号的命令位。命令位向处于监听器模式的读取器120告知处于询问器模式的读取器120告诉标签130要执行的内容，包含例如标签应发送什么类型的响应以及标签应使用什么调制和前导码。并且参数估计器608在监听器模式操作以估计反向散射链路频率(BLF)，所述BLF是处于询问器模式的读取器在命令中使用的符号的持续时间的函数。

图7示出读取器120中的标签回复解调器236的实施方案。标签回复解调器236在询问器和监听器模式两者中都被启用。在询问器模式中，标签回复解调器可由处理器212或跳发生器220响应于读取器120发送询问信号而致动(触发)。在询问器模式中，标签回复解调器由命令解调器234响应于检测到来自另一读取器的询问信号121而致动(触发)。

图7中的标签回复解调器236包含直流(DC)陷波滤波器702、获取模块704、任选的信道补偿器706、基态相关器708、维特比解码器710和循环冗余校验(CRC)模块712。DC陷波滤波器702拒绝或衰减DC功率，并以取样率(例如，5MSa/s)传送来自接收器前端232的标签回复的样本中的功率。获取模块704将传入样本与预期标签前导码相关，以检测是否存在标签前导码、应用什么数字增益水平、确切BLF以及第一有效负载样本何时开始。

基态相关器708将每个流中的滤波后的标签回复样本与表示标签回复中的有效负载位的可能状态的不同基态状态(例如，四个可能基态状态，其中两个针对数据位0，两个针对数据位1)相关。换句话说，基态相关器708使用卷积或网格码对滤波后的位流进行编码。维特比解码器710或类似解码器使用维特比算法或例如菲诺(Fano)算法等另一类似算法来对编码的位流进行解码。CRC模块712检测并校正由维特比解码器710生成的解码位流中的误差。

大多数常规读取器没有维特比解码器，因为所述读取器足够接近标签以检测强标签回复。使用维特比解码器以增加的复杂性和时延为代价增加监听器模式的范围。在标签回复之后，发送下一命令的时间有限。维特比解码器使用的回溯存储器会消耗所述有限时间的一部分，因此发送器时延减少以进行补偿。

总结

尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施例，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于发明示教用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验即可认识到或能够确定本文所描述的特定发明性实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以举例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同物的范围内，发明实施例可以通过除具体描述和要求保护的方式之外的其它方式实践。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明性范围内。

而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了其示例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造按不同于所说明的次序执行动作的实施例，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施例中展示为依序的动作也是如此。

应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。

如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其它元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性示例，当结合开放式语言(例如“包括”)使用时，提及“A和/或B”在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中，兼指A和B(任选地包含其它元素)；等等。

如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含数个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书中使用时“由……组成”将指的是包含多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般地，本文所使用的术语“或”仅应解释为在排他性术语例如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”之前指示排他的替代方式(即“一者或另一者，但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自所述元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性示例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或，等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，而不存在B(并且任选地包含除了B之外的元件)；在另一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个B，而不存在A(并且任选地包含除了A之外的元件)；在又一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，和至少一个、任选地包含多于一个B(并且任选地包含其它元件)；等。

在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (39)

1.一种用于定位射频标识(RFID)标签的系统，所述系统包括：

多个传感器，其包括：

第一传感器，其被配置成在询问器模式发射第一命令并检测由所述RFID标签响应于所述第一命令而发射的第一回复；以及

第二传感器，其被配置成在监听器模式检测所述第一命令和所述第一回复；以及

控制器，其以可操作方式耦合到所述多个传感器中的每个传感器并且被配置成将所述第一传感器切换到所述询问器模式，并且基于由所述第一传感器检测到并由所述第二传感器检测到的所述第一回复来估计所述RFID标签相对于所述第一传感器和所述第二传感器的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器中的每个传感器被配置成检测所述第一回复，并且所述控制器被配置成计算所述第一回复从所述RFID标签到所述多个传感器中的每个传感器的对应到达角并基于所述对应到达角估计所述RFID标签的所述位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器中的每个传感器被配置成检测所述第一回复，并且所述控制器被配置成计算从所述RFID标签到所述多个传感器中的每个传感器的对应范围并基于所述对应范围估计所述RFID标签的所述位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器和所述第二传感器安装在天花板上，所述第一传感器被配置成向下发送所述第一命令，并且所述第二传感器被配置成检测由所述第一传感器下方的物体散射或反射的所述第一命令。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器被配置成在多个信道中的第一信道中发射所述第一命令，并且所述第二传感器被配置成监测所述多个信道中的每个信道，并且响应于检测到所述第一信道上的所述第一命令而检测所述第一信道上的所述第一回复。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括：

发送器，其用以生成所述第一命令；以及

接收器，其包括：

接收器前端，其用以接收所述第一回复并从所述多个传感器中的其它传感器接收询问；

第一解调器，其以可操作方式耦合到所述接收器前端以解调所述第一回复；以及

第二解调器，其以可操作方式耦合到所述接收器前端以对来自所述多个传感器中的所述其它传感器的命令进行解调。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述发送器被配置成当所述第一传感器处于所述监听器模式时切换到不活动模式。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述接收器前端包括信道监测器，用以监测所述其它传感器借以发送所述命令的信道。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述信道监测器被配置成监测跨越40MHz的频带并且各自具有500kHz带宽的50个信道。

10.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一解调器包括维特比解码器，用以解码所述第一回复。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器是手持RFID标签读取器，并且所述第二传感器安装在天花板上。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二传感器被配置成发射第二命令并检测由所述RFID标签响应于所述第二命令而发射的第二回复，所述第一传感器被配置成检测所述第二命令和所述第二回复，并且所述控制器还被配置成基于由所述第一传感器检测到并且由所述第二传感器检测到的所述第二回复来估计所述RFID标签的所述位置。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二传感器被配置成经由所述第一传感器与所述第二传感器之间的非视线(NLOS)路径检测所述第一命令。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经由有线通信网络的有线连接耦合到所述多个传感器中的每个传感器。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述有线通信网络具有比所述第一传感器对所述第一命令的发送与所述第一传感器对所述第一回复的检测之间的时间长的时延。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制器被配置成根据时间表命令所述第一传感器发送所述第一命令并且命令所述第二传感器发送第二命令。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一传感器和所述第二传感器各自被配置成确定所述第一回复的持续时间、频率或接收功率中的至少一者并将其发送到所述控制器。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一传感器和所述第二传感器各自被配置成将所述第一回复的到达角或签名中的至少一者发送到所述控制器。

19.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器和所述第二传感器相隔约5米到约10米。

20.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器中的每个传感器能在所述询问器模式与所述监听器模式之间切换。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述控制器被配置成以循环方式使所述多个传感器中的所述传感器在所述询问器模式与所述监听器模式之间切换。

22.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一传感器被配置成在所述询问器模式执行相位估计，并在所述监听器模式执行相位估计和频率估计。

23.一种利用处于第一位置的第一传感器和处于不同于所述第一位置的第二位置的第二传感器定位射频标识(RFID)标签的方法，所述方法包括：

由第一传感器将第一命令发送到所述RFID标签；

由所述第一传感器接收所述RFID标签响应于所述第一命令而发射的第一回复；

由所述第二传感器接收所述第一命令和所述第一回复；

基于由所述第一传感器检测到的所述第一回复，确定从所述第一传感器到所述RFID标签的到达角和/或范围；

基于由所述第二传感器检测到的所述第一回复确定从所述第二传感器到所述RFID标签的到达角和/或范围；以及

基于从所述第一传感器到所述RFID标签的所述到达角和/或所述范围以及从所述第二传感器到所述RFID标签的所述到达角和/或所述范围而估计所述RFID标签的位置。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述第一传感器将所述第一命令发送到所述RFID标签之前：

将所述第一传感器切换到询问器模式；以及

将所述第二传感器切换到监听器模式。

25.根据权利要求24所述的方法，其中根据时间表发生将所述第一传感器切换到所述询问器模式并将所述第二传感器切换到所述监听器模式。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一传感器包括发送器、用以解调所述第一回复的第一解调器以及用以解调来自其它传感器的命令的第二解调器，并且将所述第一传感器切换到所述询问器模式包括停用所述第二解调器。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述第二传感器包括发送器，并且将所述第二传感器切换到所述监听器模式包括停用所述发送器。

28.根据权利要求24所述的方法，还包括：

由所述第一传感器估计由所述第一传感器接收的所述第一回复的相位；以及

由所述第二传感器估计由所述第二传感器接收的所述第一回复的频率和相位。

29.根据权利要求24所述的方法，还包括在所述第二传感器接收到所述第一命令和所述第一回复之后：

将所述第一传感器切换到所述监听器模式；

将所述第二传感器切换到所述询问器模式；

由所述第二传感器将第二命令发送到所述RFID标签；

由所述第二传感器接收所述RFID标签响应于所述第二命令而发射的第二回复；以及

由所述第一传感器接收所述第二命令和所述第二回复。

30.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一传感器和所述第二传感器安装在天花板上，发送所述第一命令包括从所述第一传感器向下发送所述第一命令，并且由所述第二传感器接收所述第一命令包括检测所述第一传感器下方的物体散射或反射的所述第一命令。

31.根据权利要求23所述的方法，其中由所述第二传感器接收所述第一命令包括经由从所述第一传感器到所述第二传感器的非视线路径接收所述第一命令。

32.根据权利要求23所述的方法，其中发送所述第一命令包括由所述第一传感器在多个信道中的第一信道中发送发射所述第一命令，并且还包括：

由所述第二传感器监测所述多个信道中的每个信道，

其中接收所述第一回复包括由所述第二传感器检测所述第一信道上的所述第一命令。

33.根据权利要求32所述的方法，其中监测所述多个信道包括监测跨越40MHz的频带并且各自具有500kHz带宽的50个信道。

34.根据权利要求23所述的方法，还包括：

由所述第一传感器或所述第二传感器中的至少一者利用维特比解码器解码所述第一回复。

35.根据权利要求23所述的方法，还包括：

从所述第一传感器向控制器发送从所述第一传感器到所述RFID标签的所述到达角和/或所述范围的指示；以及

从所述第二传感器向所述控制器发送从所述第二传感器到所述RFID标签的所述到达角和/或所述范围的指示。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述第一传感器以比所述第一传感器对所述第一命令的发送与所述第一传感器对所述第一回复的检测之间的时间长的时延向所述控制器发送从所述第一传感器到所述RFID标签的所述到达角和/或所述范围的所述指示。

37.根据权利要求23所述的方法，还包括：

从所述第一传感器向控制器发送由所述第一传感器接收到控制器的所述第一回复的持续时间、频率或接收功率中的至少一者的指示；以及

从所述第二传感器向所述控制器发送由所述第二传感器接收到所述控制器的所述第一回复的持续时间、频率或接收功率中的至少一者的指示。

38.一种用于定位射频标识(RFID)标签的系统，所述系统包括：

传感器，其被配置成安装在天花板上，被配置成在其中所述传感器将命令发送到所述RFID标签并从所述RFID标签接收对所述命令的回复的询问器模式与其中所述传感器接收并解码来自其它传感器的所述命令和来自所述RFID标签的所述回复的监听器模式之间切换，并且被配置成估计来自所述RFID标签的所述回复的相应到达角和/或到所述RFID标签的相应范围；以及

控制器，其以可操作方式耦合到所述传感器并被配置成使所述传感器在所述询问器模式与所述监听器模式之间切换，并且被配置成从所述相应到达角和/或所述相应范围估计所述RFID标签的位置。

39.根据权利要求38所述的系统，其中所述控制器被配置成以循环方式将所述传感器切换到所述询问器模式。