摘 " "要： 針對(duì)已有相對(duì)定位方法存在環(huán)境依賴程度大、定位精度低等問題，提出一種基于相控陣天線的超高頻（UHF）射頻識(shí)別（RFID）相對(duì)定位方法，該方法通過調(diào)節(jié)相控陣天線的激勵(lì)參數(shù)來改變天線的輻射方向，以獲取目標(biāo)標(biāo)簽的收信場(chǎng)強(qiáng)輪廓，有效降低了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地的依賴程度；同時(shí)，提出一種基于輪廓陡峭程度的相對(duì)位置估計(jì)方法，該方法首先利用輪廓最高點(diǎn)的時(shí)間戳信息將目標(biāo)標(biāo)簽分為兩組，然后計(jì)算每一組標(biāo)簽的整體輪廓陡峭程度進(jìn)而估計(jì)其相對(duì)位置。仿真結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)相對(duì)定位方法，所提相對(duì)定位方法能夠有效提高定位精度，降低排序偏差；在信噪比為20～30 dB時(shí)，性能提高了7.7%～21.6%。上述結(jié)果證實(shí)了本文方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別；相對(duì)定位；相控陣天線；定位精度；超高頻

中圖分類號(hào)： TP391.4 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號(hào)： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０5－００82－07

A relative positioning method of UHF RFID based on phased array antenna

SHI Weiguang， LIU Penghui

（School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： Aiming at the problems of the existing relative positioning methods， such as high environment dependence and low positioning accuracy， a phased array antenna based ultra high frequency radio frequency identification relative positioning method is proposed. By adjusting the excitation parameters of the phased array antenna， the radiation direction of the antenna is changed to obtain the received field strength profile of the target tag， which effectively reduces the system′s dependence on the environment and venue. Meanwhile， a relative position estimation method based on the steepness of the contour is proposed. The method first divides the targets into two groups based on the timestamp information of the highest point of the contour， and then calculates the overall contour steepness of each group of labels for sorting. The simulation results show that compared with the traditional relative positioning method， the proposed relative positioning method can effectively improve the positioning accuracy and reduce the sorting deviation. When the signal-to-noise ratio is 20-30 dB， the performance is improved by 7.7%-21.6%. The above results confirm the effectiveness of the method prepare in this paper.

Key words： radio frequency identification（RFID）； relative positioning； phased array antenna； positioning accuracy； ultra high frequency（UHF）.

隨著科技的不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的需求不斷增加[1-4]，射頻識(shí)別（radio frequency identification， RFID）作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)力，不斷提高自身市場(chǎng)份額，已在大多應(yīng)用場(chǎng)景中取代了傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)[5-9]。在行李傳送帶、圖書管理等目標(biāo)密集分布的應(yīng)用場(chǎng)景中，相比于目標(biāo)的絕對(duì)位置信息，RFID系統(tǒng)更關(guān)心個(gè)體在密集群體中的相對(duì)位置。圍繞基于RFID的相對(duì)定位，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種相對(duì)定位方法[10-12]。麻省理工學(xué)院的Katabi等[10]提出了PinIt系統(tǒng)，利用合成孔徑雷達(dá)來提取環(huán)境中的多徑信息，基于多徑輪廓和動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整技術(shù)獲得標(biāo)簽的位置信息。清華大學(xué)的Shangguan等[11-13]提出了OTrack和STPP算法用于解決流水線場(chǎng)景和圖書場(chǎng)景中的定位問題。OTrack算法建立一個(gè)用于識(shí)別瞬態(tài)臨界區(qū)域的概率模型，利用OTrack協(xié)議監(jiān)測(cè)讀取率的關(guān)鍵區(qū)域以獲取標(biāo)簽的相對(duì)次序；STPP算法通過移動(dòng)閱讀器天線來獲取標(biāo)簽相位輪廓，利用峰值位置的時(shí)間戳信息來獲取標(biāo)簽的空間順序。

盡管上述相對(duì)定位方法獲得了較好的效果，但仍存在以下挑戰(zhàn)：首先是PinIt系統(tǒng)需利用通用軟件無線電設(shè)備，對(duì)設(shè)備功能提出了較高要求，且在實(shí)際使用過程中需布設(shè)參考標(biāo)簽，加劇了應(yīng)用局限性；其次是OTrack和STPP均采用具有固定輻射模式的微帶天線作為閱讀器天線。為了獲取相位或收信場(chǎng)強(qiáng)的輪廓信息，閱讀器天線通常需要被搭載在可移動(dòng)設(shè)備上，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境以及場(chǎng)地的依賴程度。此外，OTrack和STPP利用收信場(chǎng)強(qiáng)輪廓和相位輪廓的最高點(diǎn)時(shí)間戳信息作為定位依據(jù)，但上述單點(diǎn)時(shí)戳數(shù)據(jù)相對(duì)于噪聲的魯棒性較差，易造成排序偏差。

針對(duì)上述問題與不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于相控陣天線的超高頻RFID相對(duì)定位方法，相控陣天線的可調(diào)輻射模式可以有效代替閱讀器的移動(dòng)過程，降低了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地的需求。在此基礎(chǔ)上，以提高定位精度為目的，本文設(shè)計(jì)了一種基于輪廓陡峭程度的位置判別方法，該方法可改善由單點(diǎn)時(shí)間戳作為定位依據(jù)所引發(fā)的排序錯(cuò)誤問題。

1 傳統(tǒng)相對(duì)定位方法

1.1 相對(duì)定位場(chǎng)景描述

圖1所示為典型的相對(duì)定位場(chǎng)景。

圖1主要由閱讀器天線、標(biāo)簽、射頻天線和應(yīng)用終端4部分組成。標(biāo)簽粘貼于被定位目標(biāo)且呈現(xiàn)陣列狀部署于YOZ平面；閱讀器天線沿Y軸移動(dòng)并在移動(dòng)過程中保持與標(biāo)簽陣列通信，收集標(biāo)簽的信號(hào)特征傳遞給應(yīng)用終端進(jìn)行處理；應(yīng)用終端通過處理標(biāo)簽群的信號(hào)特征，從而確定標(biāo)簽之間的相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位。

1.2 基于時(shí)間戳的相對(duì)定位方法

在閱讀器天線移動(dòng)結(jié)束后，閱讀器可以獲得各個(gè)標(biāo)簽的多種參數(shù)輪廓曲線，這些參數(shù)主要包括收信場(chǎng)強(qiáng)、收信相位、讀取響應(yīng)速率等。通過挖掘多條輪廓曲線間的典型特征時(shí)戳關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位。圖2所示為收信場(chǎng)強(qiáng)輪廓曲線。

圖2中，各條曲線均呈現(xiàn)U型對(duì)稱特征，依據(jù)對(duì)稱點(diǎn)的時(shí)戳信息并對(duì)其進(jìn)行排序，即可獲得圖1中的各標(biāo)簽順序。

1.3 基于單陣元微帶天線的收信場(chǎng)強(qiáng)估計(jì)模型

圖2所示的收信場(chǎng)強(qiáng)輪廓為理想條件下采集獲得，實(shí)際場(chǎng)景中的噪聲和天線移動(dòng)變速會(huì)導(dǎo)致輪廓產(chǎn)生畸變，影響定位精度，因此，建立精確的場(chǎng)強(qiáng)估計(jì)模型對(duì)于輪廓修正及定位精度預(yù)估具有重要意義。針對(duì)現(xiàn)有RFID定位系統(tǒng)主要采用單陣元微帶閱讀器天線的現(xiàn)狀，對(duì)RFID系統(tǒng)鏈路及其收信場(chǎng)強(qiáng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

假設(shè)RFID系統(tǒng)為單站系統(tǒng)，則前向鏈路中標(biāo)簽所接收的收信場(chǎng)強(qiáng)Pr，T和后向鏈路中閱讀器所接收的收信場(chǎng)強(qiáng)Pr，R 可分別表示為：

Pr，T = "10lg（ρLPTxGTGRL（d）） + 30（1）

Pr，R = "10lg（kμT ρLPTx|GTGRL（d）|2） + 30（2）

式中：k為調(diào)制效率；μT為功率傳輸效率；ρL為極化損耗因子；PTx為閱讀器的發(fā)射功率；GT和GR分別表示標(biāo)簽天線和閱讀器天線的增益；L（d）為路徑損耗因子，具體為：

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；η為路徑損耗指數(shù)；d為標(biāo)簽與天線的直徑距離。

由式（1）和式（2）可知，天線增益是影響收信場(chǎng)強(qiáng)的重要因素，高精度的天線增益估計(jì)是構(gòu)建精準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)輪廓的基礎(chǔ)。

圖3為天線輻射場(chǎng)景。

基于此，將式（4）和式（5）帶入式（2），即可獲得估計(jì)閱讀器與標(biāo)簽在不同位置下的收信場(chǎng)強(qiáng)值，實(shí)現(xiàn)收信輪廓修正和定位精度預(yù)估。

2 基于相控陣天線的相對(duì)定位方法

2.1 基于相控陣天線的增益估計(jì)

為了降低系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地的要求，本文采用相控陣天線[17-20]作為閱讀器天線建立信道模型，相控陣天線的輻射場(chǎng)景如圖4所示。

在不失一般性的前提下，本文選取典型2 × 2結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，利用天線理論和定積分運(yùn)算原理構(gòu)建相控陣天線增益模型，推導(dǎo)相控陣天線增益表達(dá)式，其推導(dǎo)過程如步驟1到步驟3。

步驟1：根據(jù)電磁場(chǎng)理論建立如下增益表達(dá)式模型：

式中：e為效率因子；D（θR，？準(zhǔn)R）為方向性系數(shù)；S（θR，？準(zhǔn)R）為陣因子；Im和In分別為沿Y軸和Z軸的激勵(lì)幅度；m和n為陣元索引；dy和dz為相鄰陣元間的距離差；β和γ分別為沿Y軸和Z軸激勵(lì)相位差。

步驟2：根據(jù)2 × 2陣列結(jié)構(gòu)確定天線具體參數(shù)。

設(shè)e = 1，Im = In = 1，k = 2π/λ，dz = dy = 0.5λ，陣元坐標(biāo)分別設(shè)為（0，0.25λ，0.25λ），（0，-0.25λ，0.25λ），（0， 0.25λ，-0.25λ），（0，-0.25λ，-0.25λ），因此2 × 2相控陣的陣因子S（θR，？準(zhǔn)R） 可以表示為：

由式（15）—式（17）可知，相控陣天線的增益表達(dá)式除與方向性參數(shù)θR和？準(zhǔn)R有關(guān)外， 還與相控陣天線的激勵(lì)相位差β和γ有關(guān)，因此相對(duì)定位系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)激勵(lì)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)改變天線輻射方向的目的，有效降低系統(tǒng)對(duì)可移動(dòng)設(shè)備的需求。

2.2 基于輪廓陡峭程度的位置估計(jì)方法

為改善傳統(tǒng)方法魯棒性差的問題，本文提出了一種改進(jìn)的相對(duì)定位方法，該方法通過考慮整個(gè)輪廓的變化趨勢(shì)以提高定位精度。

首先，本文基于相控陣天線所構(gòu)建的信道模型，建立如圖1所示的相對(duì)定位系統(tǒng)場(chǎng)景。在該場(chǎng)景中，標(biāo)簽沿Y軸排列，相控陣天線放置在標(biāo)簽分布中心且正對(duì)標(biāo)簽放置，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)激勵(lì)相位差β和γ，使陣列天線的主瓣方向由Y軸正半軸0°到Y(jié)軸負(fù)半軸180°進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，圖5為主瓣旋轉(zhuǎn)到120°時(shí)的陣列天線增益方向。在旋轉(zhuǎn)過程中，陣列天線的主瓣依次掃過標(biāo)簽7到標(biāo)簽1，從而獲得如圖6所示的各標(biāo)簽的收信輪廓。

根據(jù)陣列天線理論可知，隨著激勵(lì)的改變，天線方向圖也將不斷變化，從而導(dǎo)致不同標(biāo)簽所獲得的收信輪廓的差異較大。具體來說，調(diào)節(jié)激勵(lì)使主瓣方向靠近90°附近時(shí)，其天線方向圖的增益變化較大，而在距離90°較遠(yuǎn)時(shí)，天線方向圖的增益變化較小。以圖6為例，主瓣方向在90°附近時(shí)，各標(biāo)簽的收信輪廓的陡峭程度均明顯增大，而在距離90°較遠(yuǎn)時(shí)，各標(biāo)簽的收信輪廓的陡峭程度明顯減小。當(dāng)標(biāo)簽靠近陣列天線時(shí)，其輪廓最高點(diǎn)易出現(xiàn)在主瓣為90°附近，進(jìn)而導(dǎo)致該標(biāo)簽收信輪廓最高點(diǎn)的幅值變化較大，此時(shí)基于時(shí)間戳的判別方法具有較好的定位精度。然而，當(dāng)標(biāo)簽距離陣列天線較遠(yuǎn)時(shí)，其輪廓最高點(diǎn)易出現(xiàn)在主瓣為0°或180°附近，進(jìn)而導(dǎo)致該標(biāo)簽收信輪廓最高點(diǎn)的幅值變化較小，此時(shí)系統(tǒng)更易于將最高點(diǎn)的邊緣點(diǎn)誤判為最高點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致定位偏差。

基于以上現(xiàn)象，本文利用整個(gè)輪廓的變化趨勢(shì)作為定位依據(jù)，改善以單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)定位所導(dǎo)致排序偏差的問題。具體步驟為：

步驟1：由于靠近陣列天線的標(biāo)簽輪廓在最高點(diǎn)的選取過程中不易誤判，因此，本文首先根據(jù)收信輪廓最高點(diǎn)的時(shí)間戳信息將標(biāo)簽分為2組。其中1組位于陣列天線的左側(cè)，另1組位于陣列天線的右側(cè)。

步驟2：在每組標(biāo)簽中，分別根據(jù)公式（18）計(jì)算每個(gè)標(biāo)簽的輪廓陡峭程度，并以此作為相對(duì)定位的判別依據(jù)。

式中：Ｋ為標(biāo)簽輪廓陡峭程度；L為收信輪廓的取樣點(diǎn)數(shù)。

步驟3：對(duì)于陣列天線的左側(cè)標(biāo)簽，對(duì)值進(jìn)行升序排列，以獲取左側(cè)標(biāo)簽的位置信息。對(duì)于陣列天線的右側(cè)標(biāo)簽，對(duì)值進(jìn)行降序排列，以獲取右側(cè)標(biāo)簽的位置信息。最后，將兩側(cè)標(biāo)簽位置信息進(jìn)行組合，以獲取全部標(biāo)簽的位置信息。

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

本文根據(jù)圖1所示的相對(duì)定位場(chǎng)景搭建仿真模型，進(jìn)行算法性能分析。在該場(chǎng)景中，標(biāo)簽沿Y軸依次放置，閱讀器天線置于標(biāo)簽正對(duì)放置。具體仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 性能分析

3.2.1 不同噪聲下的相對(duì)定位性能評(píng)估

首先分析基于時(shí)間戳和基于輪廓陡峭程度2種相對(duì)定位算法在不同噪聲條件下的性能。式（19）為相對(duì)定位的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：

C = NT / NTotal " " （19）

式中：C為排序正確率； NT為排序正確的標(biāo)簽數(shù)；NTotal "為總標(biāo)簽數(shù)。同時(shí)，為獲得統(tǒng)計(jì)性結(jié)果，本文進(jìn)行200次蒙特卡洛重復(fù)實(shí)驗(yàn)并將結(jié)果取均值，最終結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著噪聲的增大，基于時(shí)間戳和基于輪廓陡峭程度兩種相對(duì)定位算法的正確率均有所下降。但總體來說，相比于基于時(shí)間戳的相對(duì)定位算法，本文所提方法在信噪比為30 dB時(shí)性能提高了7.8%，在信噪比為25 dB時(shí)性能提高了13.33%，在信噪比為20 dB時(shí)性能提高了21.6%，在信噪比為15 dB時(shí)性能提高了35.42%。驗(yàn)證了2.2小節(jié)所提方法的正確性。

3.2.2 不同標(biāo)簽間隔下的相對(duì)定位性能評(píng)估

為了評(píng)估所提方法的普適性，本文在同一噪聲（信噪比為30 dB）的不同標(biāo)簽間隔下進(jìn)行了綜合仿真。每個(gè)算法均進(jìn)行200次蒙特卡洛試驗(yàn)以獲得統(tǒng)計(jì)性結(jié)果，圖8給出了不同標(biāo)簽間隔下的性能對(duì)比。

由圖8可知，隨著標(biāo)簽間隔的增大，基于時(shí)間戳的相對(duì)定位方法的魯棒性有所下降。其原因是在標(biāo)簽分布分散時(shí)，標(biāo)簽收信輪廓最高點(diǎn)幅值變化較平緩，此時(shí)系統(tǒng)易將最高點(diǎn)的邊緣點(diǎn)誤判為最高點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致定位偏差。而本文所提方法以整個(gè)輪廓的變化趨勢(shì)作為定位依據(jù)，可以改善基于時(shí)間戳相對(duì)定位方法的定位精度，體現(xiàn)了性能優(yōu)勢(shì)。

3.2.3 不同信噪比下的相對(duì)定位性能評(píng)估

選取標(biāo)簽間隔為0.3 m作為基礎(chǔ)條件，在信噪比分別為15 dB和30 dB兩種情況下，分析2種算法的正確率累計(jì)分布函數(shù)（cumulative distribution function，CDF）曲線，如圖9所示。圖9中，選取累計(jì)分布0.5作為評(píng)判依據(jù)，在信噪比為15 dB的情況下，2種方法的正確率分別為0.636 4與1。在信噪比為30 dB的情況下，2種方法的正確率分別為0.727 3和1。上述結(jié)果證實(shí)了所提算法在多種噪聲條件下均具備良好的定位精度。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)已有相對(duì)定位系統(tǒng)所存在的問題，提出了一種基于相控陣天線的相對(duì)定位系統(tǒng)。

（1） 利用相控陣的可調(diào)輻射模式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)單陣元天線的固定輻射模式，規(guī)避了傳統(tǒng)算法中閱讀器天線的移動(dòng)，降低了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地的需求。

（2） 提出了一種基于輪廓陡峭程度的相對(duì)定位方法，利用整個(gè)輪廓的波動(dòng)情況有效解決傳統(tǒng)方法由單一數(shù)據(jù)點(diǎn)作為定位依據(jù)所導(dǎo)致的排序錯(cuò)誤問題。實(shí)驗(yàn)表明，在信噪比為20～30 dB時(shí)，定位準(zhǔn)確率提高了7.7%～21.6%，證實(shí)了所提系統(tǒng)的性能。

需指出，本文研究?jī)H考慮在一維空間下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。后續(xù)研究將力爭(zhēng)在二維和三維空間下改善已有相對(duì)定位算法的定位精度。

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