基于RFID的室内定位技术简介

宋其龙,杜 军

( 山东师范大学物理与电子科学学院，山东 济南 250014 )

基于RFID的室内定位技术简介

宋其龙,杜 军*

( 山东师范大学物理与电子科学学院，山东 济南 250014 )

从RFID角度分别介绍了三种室内定位技术的工作原理、优缺点及发展趋势，使读者对当前基于RFID的室内定位技术有一个全面的了解。

室内定位；RFID；定位算法

1 引言

近年来，随着综合类商场、地下停车场、会展中心等大型室内场所如雨后春笋般的涌现，人们对室内目标位置信息的需求也与日俱增，使室内定位技术得到了越来越多的关注。针对室内环境较强的封闭性和非视距噪声，造成GPS无法定位的问题，国内外的研究机构提出了几种解决方案[1]，主要包括超声波、无线传感器网络、蓝牙以及射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术等。其中，RFID技术以其非视距、非接触、成本低、精度高、环境适应能力强等优点成为室内定位技术领域的优先选择。总体来说，典型的室内定位技术大致可以分为三种基本类型，分别是三角测量法、场景分析法和邻近法。

2 三角测量法

三角测量法根据三角形的几何特性来计算待测目标的位置坐标。该方法主要包含两个方面，即基于距离的测量[2]和基于角度的测量。其中，基于距离的测量是通过测量定位目标到位置检测设备之间的距离来计算目标位置的。

如图1所示，A、B、C分别是三个位置坐标已知的读写器，待测目标P上携带电子标签，当P进入读写器的读取范围内时，只需测量读写器到电子标签的距离r1、r2、r3，便可计算出P的位置坐标。该方法可以通过信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)以及接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)等方法对r1、r2、r3进行测量。

TOA定位，是通过己知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算读写器到电子标签之间距离的，在理想情况下，由基本物理学公式r =v·t可以得出。通常来说，使用TOA定位对时间精度要求极高，在RFID 定位中，考虑到经济性和可行性，采用该方法来达到室内定位的高精度是不可取的。

TDOA定位，是对TOA定位的改进，其基本思想是基于定位目标发出的测量信号到达多个位置检测设备的时间差值来判断位置坐标的。TDOA定位无需保证每个测量装置之间的时间同步，从而降低了系统复杂性。同样的，由于RFID信号传播时延测量精度的原因，该方法同样无法满足室内精确定位的要求。

RSS定位，其基本原理是已知待测节点发出信号的强度，根据检测设备接收到的信号强度，通过计算传播损耗，利用如下理论和经验模型[3]将传播损耗转化为距离r，从而实现对待测节点的精确定位。

其中，RSS0是参考距离为r0时的接受信号强度，RSS为待测目标距离为r时的接受信号强度，ζ为环境因子，η是路径损耗指数。

图1 三角测距原理图

图2 AOA定位原理图

在基于RFID的室内定位中，由于电子标签本身就具备无线通信能力，所以RSS测距无需额外的硬件设备，是一种低功率、廉价的测距技术。但是，由于无线信号在空间传播中受室内复杂结构、随机流动人员等诸多不确定因素的影响，使得利用距离—损耗模型进行室内定位较为困难，是一种比较粗糙的测距技术，我们可以在对定位精度要求不高的场合采用RSS定位，并通过调整经验模型、修改定位算法，或者与其他定位技术信息融合等方法来减少定位误差。

基于角度的测量往往采用信号到达角度(Angle of Arrival，AOA)的方法。图2显示了AOA定位的原理，由一组检测设备的阵列天线接收待测目标发射的射频信号，来判断目标的所在方向，通过目标到测量装置之间方向线的交点来确定待测目标的位置。

该方法的优势在于仅需两个参考点即可实现二维空间定位，而且不需要系统的时间同步。但是在RFID室内定位中，AOA定位对阅读器天线的要求很高，且定位精度受多径效应影响很大，在相对狭小的室内环境中收效不大。

在应用到三角测量的RFID室内定位领域，SpotON[5]是最早使用的定位系统之一，该系统利用读写器与参考标签在室内构造一个无线感测环境，依据阅读器接收到的待测物体上电子标签发出的信号强度，通过聚合算法减少接受信号强度误差，并利用空间信号传播的距离—损耗模型，来判断他们之间的欧氏距离，最后利用三角定位算法对目标实现空间定位。SpotON 系统既能提供目标的绝对位置也能提供其相对位置，但是到目前为止，完整的 SpotON系统还没有建成。

3 场景分析法

基于射频信号的场景分析法一般又称为位置指纹定位法，这种定位方法需要先对室内环境进行调查，接收不同位置的指纹信息(在基于RFID技术的室内定位中，位置指纹信息一般为读写器接收到的电子标签的信号强度RSS)，并为收集的信息建立相应的数据库。在测量阶段，通过将即时收集的数据与数据库中的位置特征参数进行对比匹配，从而实现对目标的定位。显然，想要获得较为准确的定位结果，就需要尽量密集地采集样本位置信息，前期工作量大。

LANDMARC系统[6]是在RFID室内定位技术中，借鉴到场景分析法的一种较为优秀的系统。它的基本原理是在室内环境中(图3)布置若干位置坐标已知的主动式参考标签，并在周围布置RFID读写器。

当有待测标签进入到室内环境中时，由读写器接收到参考标签和待测标签的RSS矢量值，通过对比二者间信号的欧氏距离的大小，近而找到距待测标签位置较近的几个参考标签，并通过分配权重来估计出待测标签的位置坐标。

在实际应用中，LANDMARC系统使用廉价的电子标签，并得益于RFID环境适应能力强等优势，使得定位结果比较准确，在产业技术进步和生产成本降低上，该系统也具有较大的价值与商机。

图3 LANDMARC定位系统

图4 VIRE定位算法虚拟标签

容易看出，在精确度要求很高的条件下，LANDMARC系统需要安排大量的参考标签，这不仅增加了消耗，提高了成本，参考标签之间还容易产生干扰。考虑到这些问题，人们在LANDMARC的基础上提出了一种新的算法——VIRE算法[7、8]。VIRE算法的核心思想是在LANDMARC系统中相邻的参考标签之间构造若干个虚拟参考标签(图4)，并采用线性插值法估计出虚拟参考标签的RSS值，最终对待测目标进行定位。此方法既弥补了标签数量不足的问题，又没有增加系统的成本，通过对比，VIRE算法的定位精度得到了有效的改善(图5)。

图5 VIRE算法的定位精度

由图5可以看出，两种算法在边界处的定位误差仍然较大，针对这一问题，又有人提出了BVIRE[9]算法。BVIRE算法的核心思想是在VIRE算法的基础上，引入边界虚拟标签，以弥补边界处由于标签数量分布不足导致定位误差较大的缺点。该方法中边界虚拟标签的RSS值通过线性回归方程求得。

除此之外，目前很多学者都致力于对LANDMARC算法、VIRE算法以及BVIRE算法的改进，例如在调整信号接收方式[10]、改良虚拟标签插值方法[11、12]、引入邻近地图概念排除小概率事件[10]等方面的改进，以期在不增加额外成本的同时获得更高的定位精度。

4 邻近法

邻近法的作用原理很容易理解，它首先需要在室内布置密集的天线网格，网格中每个天线的位置坐标都是已知的，当待测目标移动到天线附近时，被会网格里的天线检测到，便可知道物体的大致位置。如果移动目标发出的信号被多个天线所接收，则可通过天线接收的信号强度来确定目标的位置。

邻近法对硬件要求不高，实现起来较为简单，但是该方法的定位精度整体较低，而且一般只能提供目标的相对位置信息。通常适用于对定位精度要求不高的场合，或是与其他方法相结合以提高定位精度。在RFID定位领域运用到邻近法的定位系统并不多见。

5 结束语

随着RFID技术的不断成熟，室内定位领域也逐渐开始倾向于使用这种新技术来提高定位效果，降低定位成本。然而我们要清醒地认识到，RFID技术在室内定位领域的应用仍处于起步阶段，而且由于应用环境和用户需求的不同，有很多问题和技术还需要深入的探究和创新。可以预计，随着RFID技术在室内定位中展现出极大的应用前景，这一课题也将受到科研人员越来越多的关注和重视，其研究必定会成为近几年的重点和热点。

[1]阮卫华.常见的室内无线定位技术简介[J].科技信息，2009，33.

[2]李魏峰.基于 RFID 的室内定位技术研究[D].上海交通大学，2010.

[3]徐日明.基于 RSSI 的室内无线定位方案研究[D].南京航空航天大学，2010.

[4]魏纵横.射频识别室内定位技术及应用研究[D].华南理工大学，2010.

[5]王一乐.基于RFID的室内定位方法研究与应用[D].西安理工大学，2010.

[6]解迎刚，王志良，郑珊山.基于LANDMARC及其算法改进的RFID室内定位研究[C]. 第二十九届中国控制会议，2010.

[7]俱莹.基于 RFID 的室内定位算法研究.[D].天津大学，2010.

[8]陈冰.无源RFID定位系统搭建与VIRE算法优化.天津大学，2011.

[9]俱莹，刘开华，史伟光，闫格.基于RFID的边界虚拟参考标签定位算法[J].计算机工程，2011，37(6).

[10]李鹏，马宁，杨拥军，文光俊.基于RFID的边界虚拟参考标签改进算法[J].计算机应用研究，2013，30(1).

[11]陈家琪，严梓乘.一种Newton插值的RFID室内定位改进算法[J].计算机系统应用，2012，21(1).

[12]朱娟，周尚伟，马启平.基于RFID的室内定位算法[J].微计算机信息，2009，25(8-2).

(责任编辑：孙强)

Introduction of Indoor Positioning System Based on RFID

SONG Qi-long，DU Jun

( Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China )

Based on RFID, three types of indoor positioning system are introduced in this paper. It introduces the technology of RFID，and analyzes the characteristics of the indoor wireless environment.

indoor positioning system; RFID; location algorithm

2014-08-01

宋其龙(1988-)，男，山东济南人，硕士研究生。

TN925

A

1671-4385(2014)05-0127-03

*通讯作者：杜军(1973-)，副教授、博士。