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無線射頻辨識系統二維平面定位演算法之研究The Research of two-dimensional positioning algorithm for RFID systems

Student : 吳宜軒 Yi-Shyuan Wu

Adviser : 柯開維 Kai-Wei Ke

Date : 2007.07.24

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Overview

研究動機與相關技術 本定位機制概念 本定位系統組成與演算法 佈局方式造成的影響探討 各項參數設定造成的影響 提高定位機制所涵蓋的範圍方法 結論與未來展望

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研究動機

室外方面已有 GPS 等相關技術，而室內方面因環境與實際上的應用方面，並尚未有一套廣泛使用的技術。

現有的 RFID 定位機制必須利用多個 RFID 讀取器 (Reader) 與多個參考點 (Reference tags) 做定位，而 RFID 最大優點為 RFID 標籤 (Tag) 的價錢低廉，因此大部分功能皆加諸在讀取器 (Reader) 上面，其價錢也隨著功能跟著提高，因此希望能提出一套需要較少讀取器的數量，或利用標籤代替部分功能，能做同樣的功能及準確度的演算法。

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RFID System

Interrogator(Reader) Transponder(Tag) Application Software

Application

Timing

Data

Energy

Contactless data carriar

transponderRFID Reader

Coupling element(coil, microwave antenna)

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Indoor Propagation Model

其中 表示在距離 d 會接收到的 power 強度 為在參考距離 時所接收到的 power強度

n 值表示 power 的指數衰減大小關係，它跟周圍物品與建物有關

為標準差為 σ 、平均值為 0 的 Gaussian random variable

(dBm) Xd

dlogn10dP(d)P σ

00LL

LP

0L dP 0d

σX

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本定位機制概念

表達或呈現位置的方式 : 座標 或 方向與距離 距離—控制 Reader 的讀取範圍

當功率較小時，其讀取範圍也較小，在此收到的 Tag 與 Reader的距離較近。

當功率較大時，其讀取範圍也較大，在此收到的 Tag 與 Reader的距離可能較遠。

方向— SRefTag建置一種特殊的參考 Tag ，可以轉發 Reader 的指令，透過轉發的動作，使位於此特殊參考 Tag 傳輸範圍內的 Tag 與 Reader進行互動，藉此判斷 Tag 所在方向。

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定位系統主要組成要件 — Reader

Reader ：具有兩種 Power Level Full Power [ 傳輸最遠距離為 N 公尺 ] Half Power [ 傳輸最遠距離為 N/2 公尺 ]

Reader ：具有三種 Power Level Full Power [ 傳輸最遠距離為 N 公尺 ] Two-third Power [ 傳輸最遠距離為 2N/3

公尺 ] One-third Power [ 傳輸最遠距離為 N/3 公尺 ]

除一般功能之外，外加一種指令為轉送指令可指定 SRefTag ID ，命令此 SRefTag 進行轉發的動作 命令 SRefTagA 轉發 REQUEST 指令或命令 SRefTagA 轉發

REQUEST TagB 的動作，接著進行接收 Tag 回應的動作。

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定位系統主要組成 — SRefTag & Tag

SRefTag ：其功率和位置固定，定義其功率為 SRefTagPW ，傳輸距離最遠可達 N 公尺，除了跟一般 Tag 的功能相同外，並可對 Reader 的轉送指令作轉發動作。

Tag ：功率固定並定義為 TagPW ，傳輸距離最遠可達 N 公尺，其位置可移動。

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定位要件之佈局方式

Reader放置平面中央處，定其座標為 ( Reader_x , Reader_y )( 已知 )

SRefTag將數個 SRefTag 均勻佈於距 Reader 固定 N 公尺處，在平面上記住座標( 此做法分為三種，分別為佈置三個、四個或六個 ) ，座標定為 ( SRefTagX_x , SRefTagX_y )( 已知 )

Tag假設待測 Tag 實際位置是位在以 SRefTag 為頂點相連接而形成的範圍內、以 Reader 使用 Full Power 時的最遠傳輸距離為半徑的區域內

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Y軸

X軸

Reader(0,0)

SRefTag1(0,5)

SRefTag2(4.33013,-2.5)

SRefTag3(-4.33013,-2.5)

N=5

Y軸

X軸

Reader

SRefTag2( 3.5355 ¸ -3.5355 )

SRefTag3( -3.5355 ¸ -3.5355 )

N=5

(0,0)

SRefTag1( 3.5355 ¸ 3.5355 )

SRefTag4( -3.5355 ¸ 3.5355 )

Y軸

X軸SRefTag2

( 5 ¸ 0 )

SRefTag3( 2.5 ¸ -4.3301 )

N=5

SRefTag1( 2.5 ¸ 4.3301))

SRefTag4( -2.5 ¸ -4.3301 )

Reader

(0,0)SRefTag5 ( -5 ¸ 0 )

SRefTag6( -2.5 ¸ 4.3301 )

Reader RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

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未知 Tag 之位置估測演算法

資訊收集將透過 Reader 、 SRefTag 與 Tag 之間設計過的訊號交換動作所得到的資訊，有規律的收集下來

位置計算 計算估測出 Tag 的位置

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位置估測演算法—資訊收集

1) Reader 分別以不同的發射功率做讀取 Tag 的動作( 記錄使用各不同發射功率時會接收到哪些 Tags)

2) Reader 再透過各個 SRefTag 轉發 Reader 指令讀取 Tag( 記錄 Reader 經各 SRefTag 轉發時接收到哪些 Tags) 。

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RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

Half Power 傳輸最遠範圍

Full Power 傳輸最遠範圍

SRefTag1

SRefTag2SRefTag3

RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

Half Power 傳輸最遠範圍

Full Power 傳輸最遠範圍

SRefTag1

SRefTag2SRefTag3

Tag01 Tag02

Tag03Tag04

Tag05

Tag06

(Half Power，Tag04)(Full Power，Tag04)(Full Power，Tag01)(Full Power，Tag02)(Full Power，Tag05)(Full Power，Tag03)(Full Power，Tag06)

(SRefTag1，Tag04)(SRefTag1，Tag01)(SRefTag1，Tag02)(SRefTag2，Tag05)(SRefTag2，Tag02)(SRefTag3，Tag04)(SRefTag3，Tag03)(SRefTag3，Tag06)

(Tag01，Full Power，SRefTag1)

(Tag02，Full Power，SRefTag1，SRefTag2)

(Tag03，Full Power，SRefTag3)

(Tag04，Half Power，SRefTag1，SRefTag3)

(Tag05，Full Power，SRefTag2)

Tag01 Tag02

Tag03Tag04

Tag05

Tag06

(Tag06，Full Power，SRefTag3)

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RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

SReftag 傳輸最遠範圍

Full Power 傳輸最遠範圍

SRefTag1

SRefTag2SRefTag3

Half Power 傳輸最遠範圍

(Tag1，Half Power，SRefTag2，SRefTag3)

(Tag3，Full Power，SRefTag1) (Tag2，Hal f Power，SRefTag1，SRefTag2，SRefTag3)

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位置估測演算法—位置計算 1) (Tag ID ， Reader Power)

Tag 位於零個 SRefTag 傳輸範圍內

2) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX)

Tag 位於一個 SRefTag 傳輸範圍內

3) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2)

Tag 位於兩個 SRefTag 傳輸範圍內

4) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2 ， SRefTagX3…)

Tag 位於三個以上 SRefTag 傳輸範圍內

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Tag 位於零個 SRefTag 傳輸範圍內

(Tag ID ， Reader Power)

雖然可以得知其遠近 ( 由 Reader Power 得知 ) ，但無方向相關資訊 ( 零個 SRefTag 的傳輸範圍內 ) ，所以將此情況下 Tag 位置估測為 Reader 的位置

( Tag_x ﹐Tag_y ) ＝ ( Reader_x ﹐Reader_y )

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Tag 位於一個 SRefTag 傳輸範圍內

(Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX)

估測其位置位於 Reader 與此 SRefTag 之間，而與 Reader的距離則靠 Reader Power 的資訊作計算

ReaderSReftag最遠傳輸範圍

ReaderFull Power

最遠傳輸範圍

ReaderHalf Power

最遠傳輸範圍

x

(Tag ，Full Power，SRefTagX1)

計算出的Tag位置

離Reader

公尺2

Power) ce(HalfDBtoDistanPower) ce(FullDBtoDistan

SRefTagX1

的距離與ReaderSRefTag

)/2Powerce(Reader DBtoDistanPower)ce(Reader DBtoDistanω

) Reader_y)- SRefTagX_yω(Reader_y ,

Reader_x)- SRefTagX_xω(Reader_x (

)Tag_y ,Tag_x (

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Tag 位於兩個 SRefTag 傳輸範圍內

(Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2) 位於通過兩個 SRefTag 的中點

SRefTag 間相連而成的線的垂直線上 與 Reader 座標距離為 dis

`

SRefTagX1SReftag

最遠傳輸範圍

ReaderFull Power

最遠傳輸範圍

ReaderHalf Power

最遠傳輸範圍

離Reader dis公尺

(Tag ，Ful l Power，SRefTagX1，SRefTagX2)

計算出的Tag位置

Reader

RefTagX2SRefTagX1S

SRefTagX2 /2] )Powerce(Reader DBtoDistan

Power)ce(Reader DBtoDistan [ dis

222 Reader_y)(yReader_xx(dis)

)2

xSRefTagX2_xSRefTagX1_(x

ySRefTagX2_ySRefTagX1_

xSRefTagX1_xSRefTagX2_

)2

ySRefTagX2_ySRefTagX1_(y

{

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Tag 位於三個 SRefTag 以上傳輸範圍內

(Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2 ， SRefTagX3…)

先求出這些 SRefTags 所形成的中點，在此定義此點為SRefTagS

`

SReftag最遠傳輸範圍

ReaderFull Power

最遠傳輸範圍

ReaderHalf Power

最遠傳輸範圍

(Tag ，Ful l Power，SRefTagX1，SRefTagX2,SRefTagX3)

計算出的Tag位置

Reader

SRefTagX1SRefTagX2

SRefTagX3

SRefTagS

離Reader

公尺2

Power) ce(HalfDBtoDistanPower) ce(FullDBtoDistan

的距離與ReaderSRefTagS

)/2Powerce(Reader DBtoDistanPower)ce(Reader DBtoDistanω

) SRefTag...]/ ySRefTagX3_ySRefTagX2__y[SRefTagX1

, SRefTag...]/ xSRefTagX3_xSRefTagX2__x[SRefTagX1 (

)SRefTagS_y , SRefTagS_x (

個數個數

) Reader_y)- SRefTagS_yω(Reader_y ,

Reader_x)- SRefTagS_xω(Reader_x (

)Tag_y ,Tag_x (

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佈局方式造成的影響探討

SRefTag 均勻佈於距 Reader 固定 N 公尺處( 分別使用三個、四個與六個 )

兩種區域 SRefTag 為頂點相連接而形成的區域 以 Reader 使用 Full Power 時的最遠傳輸距離為半徑的區域

不同 Power Level 分類 兩種 Power Level 三種 Power Level

22 Tag_y)(RealTag_yTag_x)-(RealTag_xError(Tag)

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佈局方式造成的影響探討—不同 Power Level 分類

RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

區域定位點

Full Power傳輸最遠距離

Half Power傳輸最遠距離

SRefTag傳輸最遠距離

ABC

D

E

F

G

RFID Reader

Tracking Tag

SpecialReference Tag

區域定位點

Full Power傳輸最遠距離

Two-third Power傳輸最遠距離

One-third Power傳輸最遠距離

SRefTag傳輸最遠距離

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定位系統主要使用參數

包含兩種功率的 Reader

Reader Full Power 傳輸使用功率 18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

Reader Half Power 傳輸使用功率 11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 )

包含三種功率的 Reader

Reader Full Power 傳輸使用功率 18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

Reader Two-third Power 傳輸使用功率 14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 )

Reader One-third Power 傳輸使用功率 7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

Reader 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

SRefTag 與 Reader 的距離 5 公尺SRefTag 傳輸使用功率 (SRefTagPW) 18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

SRefTag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

Tag 傳輸使用功率 (TagPW) 18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

Tag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

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佈局方式造成的影響探討Reader 為兩種 Power Level 時 Reader 為三種 Power Level 時

三個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成

的三角形區域內

平均誤差 0.8797 公尺 0.7335 公尺

最大誤差 2.5855 公尺 1.8800 公尺

三個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power時的最遠傳輸距離為

半徑的區域內

平均誤差 1.5529 公尺 1.4697 公尺

最大誤差 4.4780 公尺 4.6117 公尺

四個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成

的正方形區域內

平均誤差 0.8848 公尺 0.7477 公尺

最大誤差 1.9602 公尺 1.7601 公尺

四個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power時的最遠傳輸距離為

半徑的區域內

平均誤差 0.9980 公尺 0.8648 公尺

最大誤差 2.4864 公尺 2.4140 公尺

六個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成

的六角形區域內

平均誤差 0.8463 公尺 0.7307 公尺

最大誤差 2.5376 公尺 2.4784 公尺

六個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power時的最遠傳輸距離為

半徑的區域內

平均誤差 0.9308 公尺 0.7923 公尺

最大誤差 2.5376 公尺 2.4784 公尺

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各項參數設定造成的影響

Reader Power Level 數值造成的影響探討 Reader 有兩種 Power Level Reader 有三種 Power Level

SRefTag 傳輸距離 & SRefTag 距 Reader 的遠近

四個 SRefTag擺設成正方形的佈局方式( 距 Reader 5 公尺 ) ，考慮 Tag 在四個 SRefTag 為頂點相連接而形成區域

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Reader Power Level 數值造成的影響

兩種 Power Level 的 Reader

Full Power 與 Half Power 兩種模式 三種 Power Level 的 Reader

Full Power 、 Two-third Power 與 One-third Power三種模式

先將 Reader 的 Power Level先定義成 Power Level no. 來說明， Power Level 1 為此 Reader 最大的 Power ， Power Level 2 為次大

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兩種 Power Level 的 Reader

四個 SRefTag擺設成正方形的佈局方式與 Reader 為兩種 Power Level 時，考慮 Tag 在四個 SRefTag 為頂點相連接而形成區域，不同組合的 Power Level 值對平均誤差造成的影響

18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 )

28

兩種 Power Level 的 Reader

Power Level 1 固定在 18.88dBm ，改變 Power Level 2 數值對平均誤差造成的影響

18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 )

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三種 Power Level 的 Reader

使用四個 SRefTag 與 Reader 為三種 Power Level 時，不同組合的 Power Level 值對平均誤差造成的影響

18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 )

7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

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三種 Power Level 的 Reader

Power Level 1 固定在 18.88 dBm ， Power Level 2 固定在 14.55 dBm ，改變 Power Level 3 數值對平均誤差造成的影響

18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 )

7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

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三種 Power Level 的 Reader

Power Level 1 固定在 18.88 dBm ， Power Level 3 固定在 7.32 dBm ，改變 Power Level 2 數值對平均誤差造成的影響

18.7753 dBm (d = 5 公尺 )

14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 )

7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

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SRefTag 傳輸距離與 SRefTag 距 Reader 的遠近造成的影響探討

假設參數條件在擺設五公尺環境為前提下若實際擺設 SRefTag 與 Reader 的距離為五公尺，

SRefTagPW 可以在 18.7753 dBm～ 21.1011 dBm(5 公尺～ 6.25 公尺 ) 之間 ( 也就是說在功率最遠傳輸距離五公尺的 100％ ~125％ )；

若實際的 SRefTagPW 為 18.7753 dBm ， SRefTag與 Reader 的距離可以在 4 公尺 ~5 公尺之間 ( 也就是說在擺設五公尺的 80％ ~100％ )

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SRefTag 傳輸距離與 SRefTag 距 Reader 的遠近造成的影響探討

變化 SRefTagDistance 對平均誤差所造成的影響( 不同 SRefTagPW)

若實際擺設 SRefTag與 Reader 的距離為五公尺， SRefTagPW 可以在 18.7753 dBm～ 21.1011 dBm

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SRefTag 傳輸距離與 SRefTag 距 Reader 的遠近造成的影響探討

變化 SRefTagPW 對平均誤差所造成的影響( 不同 SRefTagDistance)

若實際的 SRefTagPW為 18.7753 dBm ， SRefTag 與 Reader 的距離可以在 4 公尺 ~5 公尺之間

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提高定位機制所涵蓋的範圍方法

基本演算法直接擴大至適用範圍 藉著更改使用參數模擬傳輸範圍變大的情況，將 SRefTag與 Reader 的距離與 SRefTag 傳輸功率所用數值一起變大，以提高定位機制系統所涵蓋面積。

細胞組合式擴充 組合的方式使定位涵蓋面積變大

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基本演算法直接擴大至適用範圍

dBm 1

Nlog2.4102

dBm 1

N/2log2.4102

dBm 1

Nlog2.4102

dBm 1

2)/3*(Nlog2.4102

dBm 1

N/3log2.4102

dBm 1

Nlog2.4102

dBm 1

Nlog2.4102

包含兩種功率的Reader

Reader Full Power 傳輸使用功率 (d = N 公尺 ) 

Reader Half Power 傳輸使用功率 (d = N/2 公尺 ) 

包含三種功率的Reader

Reader Full Power 傳輸使用功率 (d = N 公尺 ) 

Reader two-third Power 傳輸使用功率 (d = (N*2)/3 公尺 ) 

Reader one-third Power 傳輸使用功率 (d = N/3 公尺 ) 

Reader 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

SRefTag 與 Reader 的距離 N 公尺

SRefTag 傳輸使用功率 (SRefTagPW) (d = N 公尺 )

SRefTag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

Tag 傳輸使用功率 (TagPW) (d = N 公尺 )

Tag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

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基本演算法直接擴大至適用範圍

拉大 SRefTagDistance增大涵蓋面積平均誤差上升圖

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細胞組合式擴充

將前面所說的一個 Reader配數個 SRefTag 的方式稱為一個『基本單位』，將基本單位的佈局組合而成大範圍，以基本單位面積作倍數擴充

兩個以上基本單位間都能定位到的 Tag ，因定位計算方式的關係會產生下述情況： Reader R1 所在的基本單位所定位到的 Tag T1 的位置，與 Reader R2 所在的基本單位所定位到的 Tag T1 的位置不一致 (Tag T1 實際位置可能在 Reader R1 與 Reader R2 傳輸範圍交集 ) 。

在大範圍下 ( 多個基本單位間 ) ，欲尋找某已知 ID 的 Tag ，其流程為何？

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細胞組合式擴充RFID Reader

Tracking Tag

Reference Tag

SpecialReference Tag

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細胞組合式擴充

四個 SRefTag 佈局為一個基本單位時， Tag 在兩個基本單位組合區域內的誤差分布圖

定位有效範圍

14.1421m x

7.0711m

Tag 在定位有效範圍內的平均誤差值

0.7447 公尺

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與 LANDMARC 系統比較

LANDMARC(文獻 [14])

LANDMARC(文獻 [17])

本論文所提出的定位機制

定位有效範圍 約 10m x 5m 13m x 5.825m14.1421m x

7.0711m

Tag 在有效範圍內平均誤差值 1.09 公尺 2.01 公尺 0.7447 公尺

定位使用元件數量四個 Reader八個 Reference Ta

g

四個 Reader八個 Reference Ta

g

兩個 Reader六個 SRefTag

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結論

本論文提出一套以 RFID 為基礎的室內定位機制，提出利用具有轉發 Reader信號功能的 SRefTag 及較便宜特殊設計的 Tag 達到知道待測位置 Tag 的方向，再加上 Reader使用各個不同的 Power Level 讀取達到知道未知位置 Tag距 Reader 的距離，接著利用各種資訊算出 Tag 的可能位置。

本定位機制能以較少的 Reader 數量達到接近的效能誤差值，另外對於各種可能發生的問題加以釐清評估與解決，使得本定位機制更加完整。

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未來展望

實際上利用儀器去量測觀察，將實際環境的傳播模型建立並與本定位機制配合，可以的話，可以建立一套完整的資料庫，自動評估現在的環境而有所調整位置計算的依據。

預測定位點的移動方向與軌跡紀錄