摘要 識別和定位是用于室內(nèi)服務(wù)的關(guān)鍵信息，常見方法是估計RFID標(biāo)簽的位置。而在室內(nèi)環(huán)境下，信號遭受嚴(yán)重的損耗，標(biāo)簽的性能也會受到一定的限制。針對這些問題，文中對現(xiàn)存的RFID定位技術(shù)和定位原理加以總結(jié)，在對RFID定位技術(shù)進行闡釋和分類分析的基礎(chǔ)上，討論了在此領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 RFID；定位；定位算法

    隨著環(huán)境感知在室內(nèi)導(dǎo)航、物流管理、控制接入、實時監(jiān)控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。室內(nèi)定位感知系統(tǒng)以及無線網(wǎng)絡(luò)的定位研究備受關(guān)注，關(guān)于RFID(Radio Frequency Identification，RFID)定位技術(shù)的研究課題開始出現(xiàn)?；赗FID標(biāo)簽的定位技術(shù)遵循無線定位的基本原理準(zhǔn)則，考慮到RFID技術(shù)的特殊性和限制性，未來定位方法要注重從射頻傳播模型、讀寫器的多樣性、可擴展性等方面進行研究。文中主要對目前存在的RFID定位技術(shù)加以總結(jié)，介紹現(xiàn)代室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的定位原理，并對主要的RFID定位方案進行了分類。

1 RFlD技術(shù)
    RFID是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)主要由：標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)庫管理單元3部分組成，如圖1所示。

    其工作原理是標(biāo)簽進入磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)出存儲在芯片上的信息；或者主動發(fā)送出某一頻率的信號。讀寫器讀取信息并解碼后，送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。
    RFID標(biāo)簽可分為兩種：有源電子標(biāo)簽，標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為電子標(biāo)簽與讀寫器通信所需的射頻能量。無源電子標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，在讀寫器的讀出范圍之外時，電子標(biāo)簽處于無源狀態(tài)，在讀寫器的讀出范圍之內(nèi)時，標(biāo)簽從讀寫器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無源電子標(biāo)簽體積小、成本低，但在讀寫距離及適應(yīng)物體運動方面比有源電子標(biāo)簽差。
    RFID讀寫器由天線、射頻收發(fā)模塊、信號處理單元、控制單元和接口電路組成。射頻收發(fā)模塊完成射頻信號接收、發(fā)射、調(diào)制解調(diào)和功率控制；信號處理單元的主要功能為防沖突算法的實現(xiàn)和信息加密、解密、校驗和糾錯；控制單元協(xié)調(diào)整個讀寫器的工作；接口電路完成讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
    數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的存儲和管理，它通過各種接口和分布于各處的RFID讀卡器通信，實時獲取RFID讀寫器捕獲的標(biāo)簽信息。

2 室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)定位原理
    室內(nèi)環(huán)境無線信號的傳播往往受到多徑、非視距、衍射和反射的影響，使得目前已提出的室內(nèi)定位算法并不能精確地測量信號。定位算法可以歸類為距離估計法、場景分析法和鄰近法。
2．1 距離估計法
    距離估計法是利用三角形的特點來估計待定位體的位置的算法。如圖2所示，三角測量法通過測量不少于兩個參考點所接收信號的到達(dá)角度，形成角度的兩條直線的交點即是所估計的位置。如圖3所示，三邊測量法通過測量待定位點到至少3個參考點的距離來估計待定位點的位置。這種測量技術(shù)利用接收信號接度(Received Signal Strength，RSS)、信號到達(dá)時間(Time Of Arrival，TOA)、信號到達(dá)時間差(Time-Difference Of Arrival，TDOA)和接收信號相位(Received Signal Phase，RSP)等方法。

    (1)RSS：發(fā)射信號強度的衰減與發(fā)射機和接收機之間的距離成函數(shù)關(guān)系。依據(jù)相應(yīng)的傳播信號路徑損耗，把信號強度轉(zhuǎn)化為距離進行定位，待定位點最少需要3個參考點參與計算?；赗SS的系統(tǒng)通常需要自適應(yīng)機制以減少室內(nèi)環(huán)境下多徑衰落及陰影效應(yīng)的影響。
    (2)TOA：參考點與待定位點的距離與信號的傳播時間成比例關(guān)系?；诘竭_(dá)時間的系統(tǒng)最少需要3個不同的測量裝置來完成二維定位。  TOA系統(tǒng)要求所有的發(fā)射機和接收機之間保持時間同步。如果有多個參考點，采用最小平方算法以減少定位誤差。
    (3)TDOA：TDOA依據(jù)待定位點發(fā)射信號到達(dá)多個測量裝置的時間不同，把時間差轉(zhuǎn)化為距離差，以確定待定位點的相對位置。TDOA方法至少需要3個測量裝置參與距離差的測量，要求測量裝置之間保持時間同步。由于室內(nèi)環(huán)境非視距和多徑效應(yīng)的特點，影響了信號的傳播時間，降低了定位精度。
    (4)RSP：采用信號波長分式表示時延來估計距離。這種方法要求發(fā)射機放在特定位置并且假設(shè)發(fā)射機發(fā)射完全正弦信號。利用和TOA相同的算法測量相位值估計位置，也可以利用和TDOA相同的算法測量相位差值實現(xiàn)定位。RSP方法的缺點是應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境時，要求滿足視距傳播路徑來減少定位誤差。
    (5)AOA：主要利用方向天線或陣列天線測量待定位點信號直線到達(dá)接收機的角度信息來確定待定位點的位置。這項技術(shù)要求的設(shè)備復(fù)雜，并且無法克服陰影效應(yīng)和多徑的影響。
2．2 場景分析法
    場景分析法由兩個步驟組成：(1)收集相關(guān)的環(huán)境信息。(2)通過把實時測量值與指紋集相匹配來估計待定位點的位置。常用的有基于信號強度的指紋識別技術(shù)。指紋識別技術(shù)主要分為K-近鄰法和概率統(tǒng)計法。
    K-鄰居法：首先，測量已知位置的接收信號強度值，并且建立RSS數(shù)據(jù)庫。然后，在實時測量階段，用待定位點的RSS值與之前建立的信號空間相匹配，利用均方根法尋找K個最近值，確定出待定位點的位置。
    概率統(tǒng)計法：依據(jù)后驗概率和貝葉斯準(zhǔn)則，假設(shè)有Ⅳ個位置作為測量參考點，測量待定位點移動時的信號強度矢量，選擇概率最高的作為待定位點的位置。一般來說，概率統(tǒng)計方法涉及4個階段：校準(zhǔn)、動態(tài)學(xué)習(xí)、誤差估計和歷史追蹤。
2．3 鄰近法
    這種方法主要依賴天線的排列密度。當(dāng)待定位點進入到一個接收機天線輻射區(qū)域時，它的位置假定為此接收機位置。當(dāng)有多個天線檢測到待定位點時，待定位點的位置假定為接收信號最強的接收機位置。這種方法簡單且較易實現(xiàn)，但是，準(zhǔn)確性與天線相關(guān)。

3 射頻識別定位方法
    目前已提出有多種不同的RFID方法，這些方法把室內(nèi)定位原理與RFID技術(shù)自身的特性相結(jié)合。
RFID定位方法可以分為：距離估計法、場景分析法、約束法。
3．1 距離估計法
    (1)SpotON：SpotON系統(tǒng)采用可調(diào)整的長距離主動RFID標(biāo)簽，多個讀寫器收集標(biāo)簽的信號強度測量值，通過定義的函數(shù)來估計標(biāo)簽與讀寫器之間的距離，使用最小二乘法進行計算。
    (2)SAW ID—tags：表面聲波識別標(biāo)簽全部是無源標(biāo)簽，標(biāo)簽采用脈沖壓縮和編碼技術(shù)。測定每個標(biāo)簽脈沖反應(yīng)的頻率，接著標(biāo)簽重新傳送相關(guān)信號。重傳信號有一個自相關(guān)峰值，產(chǎn)生幅度值最高的脈沖響應(yīng)標(biāo)簽就是待定位點的標(biāo)簽?；谛盘柕竭_(dá)時間的方法測量每個讀寫器i與標(biāo)簽之間的距離如式(1)所示。
   
    其中，Tsys是系統(tǒng)的時間延時；Tcable,i是預(yù)校準(zhǔn)脈沖期間接收天線和解調(diào)器之間電纜傳輸延時；TSAW是所有標(biāo)簽的時間延時。有3個估計距離時，系統(tǒng)用三邊測量法定位標(biāo)簽。
    (3)LPM：本地位置測量系統(tǒng)采用有源標(biāo)簽，讀寫器與已知固定位置的參考標(biāo)簽(RT)同步運行。在收到激活指令后，選定的測量標(biāo)簽(MT)在時刻TMT響應(yīng)。每個讀寫器Ri相應(yīng)的時間差值通過式(2)計算
   
    計算至少3個讀寫器的時間差值，用加權(quán)平均法估計標(biāo)簽的位置。
    (4)RSP：RSP也稱為波達(dá)方向(Direction of Arrival，DOA)，利用接收機處的陣列天線和波達(dá)方向估計技術(shù)，確定接收機到信源的波達(dá)方向，利用多個接收機估計的DOA進行三角測量，方向線的交點就是信源的估計位置。
3．2 場景分析法
    (1)LANDMARC：LANDMARC系統(tǒng)主要采用K-近鄰法。已知位置的參考標(biāo)簽規(guī)則地分布在室內(nèi)，讀寫器有8個不同的能量等級，通過比較讀寫器接收到待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽信號強度值的大小來找出離待定位標(biāo)簽最近的幾個參考標(biāo)簽。
   
    式(4)表示了參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽的關(guān)系，n表示讀寫器的數(shù)量；Si表示讀寫器i接收到待定位標(biāo)簽的RSS值；θj,i表示讀寫器i接收到參考標(biāo)簽j的RSS值。根據(jù)這幾個參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重用經(jīng)驗公式計算標(biāo)簽的位置。LANDMARC系統(tǒng)具有很高的定位精度，可擴展性好，能處理比較復(fù)雜的環(huán)境，但由于信號的多路徑效應(yīng)，定位精度不高；為了定位更加準(zhǔn)確，往往要放置更多的參考標(biāo)簽，需要增加成本，并且可能產(chǎn)生射頻干擾現(xiàn)象。
    (2)VIRE：核心思想是在不增加額外參考標(biāo)簽的情況下，通過去掉不可能的位置以得到待定位物體更精確的位置。與LANDMARC不同的是，VIRE引入了近似圖的概念，近似圖覆蓋整個定位區(qū)域，并且劃分為多個小區(qū)域，其中每個區(qū)域的中心對應(yīng)著一個虛擬參考標(biāo)簽。每一個閱讀器都有一幅對應(yīng)的近似圖，如果閱讀器讀到的近似圖中某些區(qū)域的RSS值與讀到的待定位標(biāo)簽RSS值差的絕對值在某個閾值之內(nèi)，則將這些區(qū)域標(biāo)記。假設(shè)有k個閱讀器，則在獲得k幅近似圖之后，通過取交集可以得到待定位標(biāo)簽最可能在的區(qū)域。若最后得到的區(qū)域數(shù)為n，則可以通過式(5)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。
   
    其中，權(quán)重w=w1i×w2i；w1i表示虛擬參考標(biāo)簽和被定位標(biāo)簽偏差；w2i是最后所得區(qū)域密度的相關(guān)函數(shù)。VIRE方法引入了虛擬參考標(biāo)簽的概念，使得在不增加額外標(biāo)簽的前提下提高了定位精度，VIRE方法對環(huán)境也有較好的適應(yīng)性，在復(fù)雜和封閉的環(huán)境中也有較高的精度。
    (3)卡爾曼濾波：卡爾曼濾波法同樣利用參考標(biāo)簽。第一步，假定每個參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽距離為Di，計算兩個讀寫器所接收到待定位標(biāo)簽的RSS值，采用最小均方差算法，建立系統(tǒng)的非線性方程。
   
    第二步是建立一個讀寫器檢測區(qū)域的誤差測量概率圖。同樣地，用第一步的方法計算讀寫器收到參考標(biāo)簽的RSS值，依據(jù)估計位置和實際位置，推算出相應(yīng)的概率誤差分布函數(shù)?？柭鼮V波利用迭代實時圖來減少RSS誤差影響，從而提高了定位精度。
    (4)Scout：Scout技術(shù)屬于概率統(tǒng)計法定位技術(shù)，這種方法采用參考標(biāo)簽和多個讀寫器確定主動標(biāo)簽的位置有以下3個步驟：首先，校準(zhǔn)參考標(biāo)簽的傳播參數(shù)；其次，待定位標(biāo)與讀寫器之間的距離利用RSS概率模型計算出來；最后，應(yīng)用貝葉斯推論確定標(biāo)簽的位置。
3．3 約束法
    3-D constrains：首先，定義包含性約束條件，如果一個讀寫器檢測一個標(biāo)簽，就表明它們之間的距離在讀寫器范圍之內(nèi)。同樣定義非包含性約束條件，讀寫器不能檢測到標(biāo)簽。把所定義的空間離散化為點，從而減小讀寫器的檢測區(qū)域。最大約束條件下，點的集合的均值就是待定位標(biāo)簽的估值。

4 結(jié)束語
    概括介紹了目前存在的RFID定位技術(shù)，可以歸類為：距離估計法、場景分析法和約束法。RFID系統(tǒng)采用無源標(biāo)簽或有源標(biāo)簽，當(dāng)需要特定設(shè)備考慮環(huán)境的變化時，一些技術(shù)還要求布置參考標(biāo)簽。相比而言，有些技術(shù)成本低并適合不同環(huán)境的使用。在實際環(huán)境中，這些RFID定位方案都有各自重要的特點和優(yōu)勢。定位方法和標(biāo)簽的選擇很大程度上影響著定位信息的準(zhǔn)確性，并且關(guān)系到整個RFID系統(tǒng)的成本和效率。
    通過對RFID定位技術(shù)的總結(jié)和比較，結(jié)合自身的技術(shù)特點，未來的RFID定位技術(shù)應(yīng)該注重以下幾個方面的研究：(1)射頻傳播模型：目前大多數(shù)RFID定位采用的是測量RSS值，但這些方法使用的是無線網(wǎng)絡(luò)模型。由于RFID系統(tǒng)傳播的特殊性，應(yīng)考慮建立合適的射頻模型。(2)移動性：應(yīng)考慮擁有靜態(tài)和動態(tài)讀寫器的混合系統(tǒng)，以增加收集數(shù)據(jù)的數(shù)量和多樣性。(3)可擴展性：在給定時間內(nèi)確定讀寫器讀取標(biāo)簽的數(shù)量、成功讀取標(biāo)簽的速度、讀取速度對準(zhǔn)確性的影響以及定位計算所需時間等，這些都是RFID定位技術(shù)的可擴展性要研究的問題。(4)矩陣：由于對系統(tǒng)設(shè)計的要求，RFID定位方案不能直接進行比較。引入矩陣概念，就可以針對系統(tǒng)的成本，進行較準(zhǔn)確的比較。