基于RFID的区域无线定位技术综述
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摘 要 叙述了RFID定位技术的发展现状和必要性，并对现有主要定位算法的实现原理和误差来源进行了分析，总结出RFID定位技术未来发展完善的攻关热点，最后提出了两种基于空分技术的多阅读器定位算法，能有效避免传统算法中的问题。
关键词 rfid；定位发展现状；传统算法；算法创新
中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）116-0221-02
0 引言
无线定位是指利用无线电波的特征参数估计特定物体在某种参考系中的坐标位置，最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的[1]。20世纪70年代全球定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度精度可达到数十米范围[1]，但在城市隧道、矿井等信号较弱或无线电干扰较强等地方，往往容易造成GPS 信号的接收困难或丢失，不能准确导航定位；20世纪80年代，随着人们对智能交通运输系统的需要及蜂窝移动系统的出现，对无线定位技术有了新的要求，基于蜂窝网络的定位技术应运而生，并逐渐广泛应用于公共安全服务，紧急报警服务，车辆交通管理以及导航的各个方面。但是，受移动通信信道噪声和多径传播干扰等不良因素的影响，蜂窝无线定位系统很难达到较高的定位精度，定位覆盖范围也受到蜂窝移动通信系统场强覆盖范围的影响[1]。因此，区域性较高精度，抗干扰能力较强的定位技术的发展变得十分必要.而RFID技术因其具有非视距、非接触、成本低、技术成熟和定位精度高等优点而成为了区域定位技术发展的热点[2]。
1 RFID定位技术发展现状
现有的射频标签包括有源和无源两种，故现有的RFID定位方式也有两种.一是对于无源标签的定位，当标签进入阅读器识别区间时，其接收到阅读器发出的电磁波信号，线圈产生感应电流，产生与之对应的射频信号反馈到阅读器，阅读器把采集到的信号传输给数据处理服务器，通过相应的定位算法计算出标签的位置.二是对于有源标签，与前者不同的是，有源标签在进入阅读器识别区间后无需感应阅读器发送的电磁波，而是直接发出射频信号到阅读器，进而实现定位.
传统的的定位算法主要包括基于到达时间（TOA），到达时差（TDOA），信号强度（RSSI），方向角度（AOA）以及指纹识别技术的场景分析法等。后面将对其定位算法进行详细阐述。而在现有的定位算法基础上，RFID定位也面临许多问题，如对时间精度的高要求，碰撞现象引起的延时误差，噪声影响和多径效应等，对算法的优化创新也渐渐成为RFID定位技术发展的关键和研究的热点。
2 RFID的主要定位算法
2.1 传统定位方法
2.1.1 TOA（到达时间）
参考点与待定位点的距离与信号的传播时间成比例关系，因为电磁波的传播速度已知，测得信号传播时间，便可求出距离.基于到达时间的系统最少需要3个不同的测量装置来完成二维定位，即三圆相交的方法。参考点与三个不同参考点之间的距离分别为R1，R2，R3.以参考点为圆心，距离为半径作圆，待定为你点则在三个圆的交点处。
2.1.2 RSS（信号强度）
该定位技术利用发射信号强度的衰减与发射机和接收机之间的距离成函数关系。无线信号接收功率PR 和发射功率PT 之间的关系可以用公式PR=PT/（r^n）表示，式中r为发射器和接收器之间的距离，n为传播因子[3]，其大小由无线信号的传播环境决定，在实际测距前需要对n值进行标定，其准确性将直接影响测距精度。分析可知，此算法至少需要3个阅读器才能实现带定位点的二维定位.
2.1.3 TDOA（基于信号到达不同参考点的时间差）
TDOA 是在TOA的基础上，依据待定位点发射信号到达不同位置的多个测量装置的时间不同，根据时间差求出距离差以确定待定位点的相对位置。在此基础上可建立数学模型，待定位点在以任意两参考点为焦点的双曲线上，多条双曲线的交点便是待定位点的具置。
2.1.4 AOA（基于信号到达两不同参考点的角度）
AOA定位算法主要利用方向天线或阵列天线，通过测量待定位点信号直线到达接收机的角度信息来确定待定位点的位置[4]。理论上讲，只需两个参考点接收机便可确定待定位点位置（待定位点不在两参考点的连线上），即两条射线的交点.
2.1.5 场景分析法
由两个阶段组成：1）选取参考点，收集参考点到各接收机的数据信息并建立数据库，如：信号强度，到达角度等，通常称为离线阶段；2）把实时测量的待定位点的数据信号与数据库中参考点的数据信息进行对比计算，通常称为在线阶段。该定位方法又包括K-近邻法和概率统计法。
K-邻居法：此方法依据信号的强度衰减（RSS），首先测量参考点位置的接收信号强度值，并且建立RSS 数据库。然后实时测量待定位点的RSS 值并与之前建立的信号空间相匹配，利用均方根法寻找K 个最近值，确定出待定位点的位置[4]。
概率统计法：依据后验概率和贝叶斯准则，假设有N 个位置作为测量参考点，测量待定位点移动时的信号强度矢量，选择概率最高的作为待定位点的位置[4]。一般来说，概率统计方法涉及4个阶段：校准、动态学习、误差估计和历史追踪[4]。
如今，传统的定位算法虽也得到了广泛应用，其较大的误差使得RFID定位技术难有进一步的发展。如RSS算法受环境因素和多径效应影响较大；TOA算法对时钟同步要求很高，难以满足；TDOA算法对时钟精度要求极高，受应答器延时干扰很大；AOA算法也难以克服多径和阴影效应的影响。而随着需求和制作工艺的发展，RFID定位技术也在不断地改进完善。2007年茅建华[5]等人设计出一种多天线空分定位RFID阅读器，将空分技术应用于RFID定位系统，用于战备药品的管理。
2.2 定位算法的完善建议
空分技术可以理解为将空间分为若干小块（称为识别分区）后在小块内重新利用确定资源[3]。阅读器对每一识别分区的待定位标签进行独立的识别与信息处理，以下便是两种基于空分技术的RFID定位算法完善建议。
2.2.1 固定式
采用多个阅读器定位对某待定位点进行定位，此处以3个为例，分别记为A，B，C。阅读器A，B，C的阅读空间相互重合，利用空分技术的特点，每个阅读器又将其阅读空间分为长条状的若干小块，称其为识别分区，此处每个阅读器划分为3个识别分区，分别a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3。如此便把识别区域划分为（a1，b1，c1），（a1，b1，c2）等27个小区域，处于阅读空间的待定位点必定在每个阅读器某一识别分区内，而这些识别分区交汇的地方便是待定位点所处的位置，如（a2，b1，c3），由此便实现了定位，如图。
2.2.2 旋转式
与固定式不同的是，旋转式是利用每个阅读器识别分区的边界角度进行定位，首先测定阅读器之间以及阅读器每一识别分区边界射线与阅读器的角度.当待定位点进入识别区域时，每个阅读器接收到相应信号，确定待定位点所在分区，然后控制阅读器旋转，当待定位点刚好离开分区时停止，此时，相应识别分区的对应边界的交点即为待定位点所在点。再通过其所成的角度关系计算位置，如图。
以上两种基于空分技术的RFID定位算法，能在一定程度上避免传统算法的弊端，就固定式而言，阅读器越多，每个阅读器的识别分区越多，定位越精确，但随之而来的是硬件的复杂化，软件处理的困难化，因此建议使用3到4个阅读器，每个阅读器划分3到4个识别分区。而旋转式与固定式相比，需要的阅读器个数更少，也不需要划分很多识别分区，而且定位更加精确，但软硬件都相对复杂。要进一步完善提高还需更加深入的实验研究。
3 结论
RFID定位技术已经被广泛应用到物流管理、生产制造和港口码头集装箱管理及门禁控制等各个方面。随着定位技术的不断发展和定位服务需求的不断增加，定位技术必须满足高精度、多目标、小体积、高速响应、高抗干扰能力和高信息安全性等要求[2]。因此，基于RFID 的定位技术需要在智能天线的设计与阵列的部署，各类定位算法的研究与改进，大规模RFID网络架构构建以及适用于特定环境的RFID方案制定等方面做更多的工作。而定位算法作为RFID定位技术的关键，对其完善改进已成为研究的热点。
参考文献
[1]梁久祯.无线定位系统[M].北京：电子工业出版社，2013.
[2]宋远峰，刘新.基于RFID的定位系统综述[J].数字通信，2013，40（4）：9-13，33.
[3]孟强，徐慧.基于RFID的定位技术[J].电脑知识与技术，2013（1）：158-161.
[4]韩晶.基于RFID标签的定位原理和技术[J].电子科技，2011，24（7）：64-67.
[5]茅建华，张鑫，张国强，等.多天线空分定位REID阅读器的设计与应用[J].医疗卫生装备，2007，28（12）：12-15.