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

1. 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

2. 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

3. 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。

4. RFID System • Interrogator(Reader) • Transponder(Tag) • Application Software

5. 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

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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

11. 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

12. 位置估測演算法—資訊收集 • 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) • 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)。

15. 位置估測演算法—位置計算 • (Tag ID，Reader Power) Tag位於零個SRefTag傳輸範圍內 • (Tag ID，Reader Power，SRefTagX) Tag位於一個SRefTag傳輸範圍內 • (Tag ID，Reader Power，SRefTagX1，SRefTagX2) Tag位於兩個SRefTag傳輸範圍內 • (Tag ID，Reader Power，SRefTagX1，SRefTagX2，SRefTagX3…) Tag位於三個以上SRefTag傳輸範圍內

16. 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 )

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 佈局方式造成的影響探討—不同Power Level分類

22. 定位系統主要使用參數

24. 佈局方式造成的影響探討

25. 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

26. 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

27. 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

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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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％)

33. 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

34. 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

35. 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

36. 基本演算法直接擴大至適用範圍

37. 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

38. 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？

39. 細胞組合式擴充

40. 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

41. 與LANDMARC系統比較

42. 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。

43. 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