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一种基于二维相控阵天线的RFID定位方法
资料介绍
RFID(Radio Frequency Identification)射频识别系统中,如何在识别标签基本信息的基础上进一步精准地感知标签的实时位置一直是一个重要问题.本文首次提出一种基于二维相控阵天线的非测距RFID标签定位方法(Phased Array based Range Free Tag Localization,PATL).该方法利用相控阵天线辐射波束角度可调的特点,对搜索平面依次进行扫描,并通过统计不同天线区域内标签出现的次数,利用加权算法给出标签的二维位置.该方法能够在不借助参考标签或辅助设备的前提下对多个目标标签进行实时定位.通过利用一款集成有相控阵天线的商用超高频RFID阅读器对方法进行了实验验证.结果表明,算法的定位精度能达到21cm.
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Vol． 46 No． 4
Apr． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
4
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
RFID
一种基于二维相控阵天线的
定位方法
1，2
1，2
1，2，3
， ，
梁笑轩 黄樟钦 邱兰馨
( 1．
，
北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心 北京
100124;
2．
，
北京工业大学北京市物联网软件与系统工程技术研究中心 北京
100124;
3. ， 310000)
国网浙江省电力公司信息通信分公司 浙江杭州
:
RFID( Radio Frequency Identification)
，
射频识别系统中 如何在识别标签基本信息的基础上进一步精准
摘
要
．
地感知标签的实时位置一直是一个重要问题 本文首次提出一种基于二维相控阵天线的非测距
RFID
标签定位方法
( Phased Array based Range Free Tag Localization，PATL) ．
，
该方法利用相控阵天线辐射波束角度可调的特点 对搜索平
， ， ．
面依次进行扫描 并通过统计不同天线区域内标签出现的次数 利用加权算法给出标签的二维位置 该方法能够在不
．
借助参考标签或辅助设备的前提下对多个目标标签进行实时定位 通过利用一款集成有相控阵天线的商用超高频
RFID ． ， 21cm．
阅读器对方法进行了实验验证 结果表明 算法的定位精度能达到
:
;
;
;
;
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
无线射频识别 相控阵天线 定位 非测距 权重
:
TN957
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 04-0911-07
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 04． 020
文献标识码
文章编号
电子学报
An RFID Tag Localization Based on Phased Array Antenna
1，2
1，2
1，2，3
LIANG Xiao-xuan ，HUANG Zhang-qin ，QIU Lan-xin
( 1. Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;
2. Beijing Engineering Research Center for IoT Software and Systems，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;
3. State Grid Zhejiang Electric Power Company Information ＆ Telecommunication Branch，Hangzhou，Zhejiang 310000，China)
Abstract: In radio frequency identification( RFID) systems，excepting to identify the basic information of target，how
to additionally aware the precision position of the target is an important and pressing research topic． In this paper，we propose
a novel range free tag localization scheme based on phased array antenna for RFID system，called PATL． This method takes
advantage of the adjustable radiation angle of the phased array antenna to scan the surveillance region in turns． By using the
statistics of the tags’number in different antenna beam directions，a weighting algorithm is used to calculate the position of
the tag． This method can be applied to real-time location of multiple targets without usage of any reference tags or additional
readers． We use a COTS UHF RFID reader which is integrated with a phased array antenna to evaluate our method． The re-
sults show the average is about 21cm and the time consumption also satisfy the real time performance．
Key words: RFID; phased array antenna; localization; range-free; weighting
以从中获得标签所处的环境特征并开展标签位置感知
1
引言
， 、
等研究 从而为用户提供更加智能 多样的可视化服
［3］
［4］
( RFID)
无线射频识别
技术作为物联网体系中一种
．
，
如在智能货架 的应用场景中 服装零售店内具
务
［1］
，
不可或缺的关键技术
能够以其特有的无源通信方
RFID RFID
阅读器可对多个贴有
有位置感知功能的
标
RFID
式识别和感知贴附有
标签的日常物品而广泛应
2017
，
签的衣物进行定位 并通过数据可视化来帮助员工更
、 ，
用在物流 零售等领域 有研究表明到
，
年 仅服装
［2］
．
加有效的进行衣物盘点和跟踪
RFID 46
标签需求量就将达到
．
通过分析
业的
亿枚
，
目前 针对
RFID
的标签位置感知方法主要分为测距
(
无源标签反射链路中的射频信号特征 如信号强度
．
和非测距 测距法通常需要在待测环境中部署多个
RFID
( RSSI) 、
到达时间
( ToA)
( AoA) ) ，
等 我们可
和到达角度
: 2016-07-07;
: 2017-12-12;
:
责任编辑 马兰英
收稿日期
修回日期
:
基金项目 北京市自然科学基金
( No． 4122010) ;
( No． 60773186)
国家自然科学基金
912
2018
年
电
子
学
报
． ， 、
描 按照阵元的分布方式 可分为线性相控阵天线 二维
阅读器并利用距离和角度间的几何关系求解非线性方程
［5］
;
组来计算目标位置 而传统基于指纹识别 的非测距方
;
平面相控阵天线等 按照天线波束数量可分为单波束
，
法 则需要在环境中部署大量已知位置的参考标签作为
． ，
和多波束 虽然不同的相控阵天线各具特点 但基本原
［11］
．
锚节点来估计待测标签位置 在面向诸如智能货架等具
．
理是相同的
，
有多待测标签的复杂环境时 测距方法的精度通常较低
;
，
而非测距方法往往需要众多参考标签 这不仅使得系统
，
部署难度大 还会加重环境内的多径效应而不利于实际
． ， ，
应用 另一方面 相比于其他反射链路特征 基于到达角
RFID
度的位置感知方法能够为
应用提供更高的定位精
［6］
． ，
度和抗干扰能力 因此 我们希望提供一种基于到达角
、
度的 不依赖于参考标签的非测距方法来面向多标签下
．
的复杂环境给出有效的定位结果
RFID
二维平面相控阵天线可以看作是多个线性相控阵
、
系统通常由阅读器 阅读器天线和标签组成
．
， ．
天线的组合 因此以线性天线为例分析其原理 如图
1
，
为获得标签的到达角度 阅读器天线在其中起着重要
， ．
所示 线性天线阵的阵元通常在直线上均匀分布 设线
．
作用 普通
RFID
系统中所用的单个圆极化天线表现出
RFID
N ， n
性天线阵由 个天线阵元组成 标签相对于第 个天
，
的辐射方向性通常较差 这也使得
系统的指向性
，
线的入射方向为 θ 则线性天线所接收到的信号可以
n
， ． ，
较差 无法对标签的确切方向进行判断 因此 早期基于
:
表示为
，
到达角度的定位方法多停留于理论阶段 例如文献
［6］
r( t) = A( ) s( t) + n( t)
θ
( 1)
4
假设位于锥形顶角的 个阅读器能够给出标签到达角
， A( ) ，
如下所示 式中 θ 为信道脉冲响应函数 是每个天线
度从而利用几何关系在理论上阐述了标签三维定位的
［7］
，
阵元接收信号的集合
; Manzoor
方法
等
则依赖于参考标签和信号强度值间
A( ) =［a( ) ，…，a( ) ，…，a( ) ］，
θ θ θ θ 其中
N
a( ) =
θ
n
1
n
，
距通过估计的距离给出标签角度 并进一步使用加权
－ j4 dsin( ) /
π θ2
－ j4 d( n － 1) sin( ) /
π θn λ
λ
［ 1，
e
，
…，
e
，
…，
． ，
方法估计标签位置 近年来 一些研究结合雷达探测领
－ j4 d( N － 1) sin( ) /
π θN
T
λ
e
］
，
域的相控阵天线理论 通过设计新型适用于 超高频
［12］
－ j( ·)
d
这里 和 λ 分别代表阵元间距以及载波波长
． e
RFID
，
通信频段的相控阵天线 为在实际情况下开展标
( ·)
． ，
为相位值的复指数信号 可以看出 此
表示一个以
． ［8］
签到达角度的测量提供了可能性 文献 介绍了一种
时每个阵元的相位值由标签相对于阵元的入射角决
8
，
个单极子天线组成的线性阵列天线 可实现
45 －
用
． d - r d r
定 当阵元间距 和标签 天线间距离 存在 的关
135
; ［9，10］
度特定方向上的扫描 文献 则在环境中的不
， ，
系时 不同阵元间标签的入射角变化很小 我们可以将
同位置部署了多个集成有线性相控阵列天线的阅读
， ，…，
θ
2
，
θ 统一视为 θ 那么相邻阵元间的相
N
入射角 θ
，
器 并提出了一种通过综合多个方向上标签的读取情
1
B
:
位差值就可以表示为
= 4 d/ ·sin( )
θ
B
．
况来估计标签位置的非测距方法
( 2)
Δ
π
λ
，
本文基于标签到达角度 提出一种基于二维相控
若我们为线性阵列的每个阵元均添加一个移相
PATL ( Phased Array
阵天线 的 非 测 距 标 签 定 位 方 法
based Range Free Tag Localization) ．
， ，
器 使得相邻阵元间的相位差满足前述关系 则我们可
该方法利用相控阵
，
以得到一个较窄的天线波束 使它的辐射角恰好等于
，
天线辐射波束角度可调的特点 对搜索平面依次进行
－ 1
= sin
(
/4 d) ．
Δ π 相应的天线辐射图
标签的入射角 θ
B
， ，
扫描 并通过统计不同天线区域内标签出现的次数 利
F( ) ，
θ 它反映着天线在空间不同角度上
函数可表示为
．
用加权算法给出标签的二维位置 该方法能够不依赖
任何参考标签或辅助设备同时给出多个目标标签的定
RFID
， ， ，
的辐射强度 θ 与 θ 越接近 辐射能力也愈强 反之愈
B
． ，
弱 线性阵列天线通常有固定的阵元数和阵元间距 可
．
位结果 利用一款集成有相控阵天线的商用
阅读
．
通过移相器调节天线馈电相位来改变天线的辐射角度
．
器对方法进行了实验验证
、 、
二维平面相控阵的外形可以是矩形 圆形 椭圆形
2
相控阵天线工作原理
，
或多边形 但它们的方向图函数均可看作是多个均匀
．
线性阵列方向图的乘积 如以水平和竖直方向上的两
相控阵天线是由多个天线阵元所组成的天线阵
， ，
列 它利用电子调制的方式 在不同阵元之间形成一定
，
个线性阵列为例 则它们所组成的二维相控阵方向图
， ，
规律的相位差 使天线阵列形成特定的辐射方向 并通
: | F( ， ) | = | F ( ， ) | · | F ( ) | ，
θ φ θ φ θ 其
2
函数可表示为
1
F ( ，)
θ φ 用来表示水平方向上的均匀线阵方向图函
1
过不断调整相位差使得天线能够对空间平面进行扫
中
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