引言
RFID可以部署用于室内定位，普适计算时代即将到来，其成功的关键是定位的普及。室外环境的物体定位经过研究产生了GPS，室内的无线电定位问题，则由于存在严重的多径衰落，而更具挑战性。RFID的关键特性促进了基于RFID的定位方案的研究，定位原则是将标签ID与其位置坐标相关联。
虽然RFID提供了精度和快速追踪的承诺，有一些技术挑战需要解决和克服，以充分发挥其潜力。RFID最主要的弱点是组件之间的干扰，主要是由于无源标签的性能限制，以及读卡器之间无法通信。
RFID主要有三种干扰：多个标签对单个读卡器查询的响应；多个读卡器对单个标签的查询；与邻近读卡器强信号相比标签的信号功率很低。第一种干扰影响系统响应速度，后两种降低定位精度。
背景和相关工作
室内定位
定位问题被定义为确定人员或物体当前位置的过程，位置以应用需求或定位系统定义来表示。电信和导航领域相当关注无线电定位，名气最大的是GPS，用于室外定位非常成功，但是卫星信号无法穿透建筑物，导致GPS在室内环境中完全失效。室内无线电传播信道具有特定的场所特征，发射机和接受机之间视距较少，有严重的多径效应，挑战室内定位的精度。
在室内无线定位问题上已经提出一系列技术，如红外线、超声波、WiFi、超宽带、以及最近的RFID、LANDMARC。
定位技术通常利用接收信号指标，最传统的接收信号指参数于到达角度（AOA）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）测量，或不同点的接收信号强度（RSS）。用定位算法处理这些参数，估算接收机的位置，提供给应用程序。信号参数的精度和定位算法的复杂性决定了定位精度。根据定位算法对信号参数的用法，定位技术主要分为三类：三角法、场景分析和接近法。
三角法
基于三角形的集合属性估算接收器的位置，根据无线电信号测量类型，三角法分为多点和角度两种。多点技术中，根据无线电传播模式，多重TOA、TDOA或RSS测量转换为位置。角度技术，利用特殊设计的天线设计或硬件设备测量AOA来推测位置。
场景分析/指纹
场景分析或指纹法需要离线积累特定场所的RRS特征，信号信息存储在名为无线电地图的数据库里，实时定位的时候，接收器的位置由无线电地图与实时RSS测量拟合得到。容易受无法控制和频繁的环境变化影响，导致无线电地图与实际位置检测矛盾，这是场景分析的主要弱点。
接近法
接近法用已知位置检测物体，可以通过传感器、基于拓扑和连接信息、自动识别系统辅助等。
RFID定位系统
取决于目标组件类型，RFID定位系统大致分为两类：标签和阅读器定位。对于标签定位，在需要的区域内部署阅读器和可能的标签作为参考点，定位技术据此估算标签的位置。LANDMARK系统使用固定的不同功率阅读器和参考标签作场景分析，阅读器可以改变读取范围，对参考标签和目标标签做RSS测量，选择最近的参考标签，将它们的平均位置作为目标标签的定位。如果定位目标是RFID阅读器，那么将已知坐标的主动式或被动式标签作为参考点，它们的ID关联位置信息。
显然，最好的方案取决于几个因素：部署成本、处理需求、时间和能源限制、扩展能力等等。第二种形式引人注意之处在于，大多数室内环境大范围部署廉价的被动式标签很容易，还有，移动终端装备RFID阅读器可以支持广泛的应用。不过对于干扰问题、稳定性、定位性能的研究还比较缺乏。
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RFID的不足
主要RFID部件之间的通信链路，阅读器到标签和标签到阅读器，是半双工的。下行链路中，阅读器的发射天线（发射器）给标签发射一个调制载波给它们供电，上行链路中，每个标签接收到供电载波，通过改变天线的反射系数来反向散射。用这种方法将ID传给阅读器的接收天线（接收器）。在没有干扰的情况下，阅读器可以解码的最大接收范围是：
Rmax = argmax RSS(d) ≥ TH，TH是成功解码的阈值。
部署RFID定位系统之前应该考虑到，多标签环境同时跟踪的限制比较突出。RFID技术在标签和阅读器之间使用电磁波作信息交换，电磁波在不同条件下的特点影响RFID系统的性能。电磁波在源和接收器之间传播，旅程中会经过不同的材料、遇到自身反射和其它信号干扰、被路径上的物体吸收或阻断，标签附着的物体材料可能改变标签的特性，甚至导致不能被阅读器识别。不过，最有害的干扰形式是RFID碰撞问题，包括标签碰撞、多重阅读器-标签碰撞和阅读器碰撞。
当多个标签同时收到同一个阅读器激励，同时向阅读器发回响应信号，信号混杂，阅读器无法识别单个ID。称为多重标签-阅读器干扰或标签识别问题。
RFID定位系统架构
从架构视角看，定位检测方法可以基于人员或基于网络，前者每个人员负责收集和处理信息来检测他的位置，后者由专用服务器负责收集所有数据，推算出每个人员的位置。选择时考虑的主要因素有处理能力、隐私和可扩展性、链路质量，RFID系统包括标签、阅读器和服务器，我们提出一种混合体系架构作为折衷，比如人员和专用定位服务器同时参与定位处理。
每个用户的嵌入式阅读器查询覆盖范围内的参考标签，检索它们的ID，然后将检索到的标签ID和RSS一起传送到保存着标签列表信息的定位服务器，根据接收到的标签列表信息和参考标签坐标的存储库，定位服务器用RFID定位算法计算出位置数据，返回给用户。阅读器和标签之间的通信通过阅读器的RF界面实现，阅读器和服务器之间的通信则可能通过阅读器的通信接口，对于多模式设备，标签列表和位置估算消息可以在用户设备无线接口上交换。
这种架构并非总是最佳，例如，如果用户和定位服务器之间的无线媒体不够健壮，不能成功交换信息，此时基于用户的方式会更有效。这种情况下，新用户进入室内区域，可以自动接收到标签的部署信息，根据定位算法估算出自己的位置。移动终端的资源比服务器少得多，要注意算法复杂性。
定位算法
处理有用信息估算目标位置的方法由定位算法定义，主要的性能指标包括精度、内存需求和复杂度。有三种算法不需要专用硬件，但内存需求和复杂度不同。
简单平均：该算法基于阅读器辐射图是完美圆形的假设，用户的位置由所有标签坐标的简单平均值估算。
加权平均：因为检测到一些标签比较其它的标签近，提出将简单平均法偏置作为替代，权重基于阅读器信号强度。
多点定位：考虑到阅读器辐射模式的缺陷，引入基于多点定位的方式。先预估每个检测到标签的距离，以用户离每个标签的距离列出一组等式，组成矩阵，至少需要三个标签可以解出用户位置。需要的内存与简单平均相当，但涉及到复杂的矩阵运算。
结语
RFID技术的日益普及以及室内空间对智能位置感知服务的需求日益增长，激发了低部署成本下提供准确和省时定位的潜力。然而，除了优势以外，RFID主要受限于部件和某些材料的串扰。因此在部署RFID辅助定位系统之前应该研究感染问题对定位性能的影响。
基于RFID的定位方案开始之前，我们对位置感知和主要设计以及环境因素中的RFID技术应该详加考虑。从区域中部署的无源标签提供的信息，计算多个可读终端位置，我们关注这样的场景。我们为所有影响精度的相关因素，包括材质的干扰和临时因素，提出数学模型。总之，RFID技术适合于定位，但在人群密集的地方性能会下降，需要更密集的标签，以及阅读器传输控制机制。
论文作者:刘建波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
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