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Bibliographic Metadata

Title
Phase-of-arrival-based localization with passive UHF RFID transponders / eingereicht von Dipl.-Ing. (FH) Martin Scherhäufl
Additional Titles
Phasenbasierte Lokalisierung mit passiven UHF RFID Transpondern
AuthorScherhäufl, Martin
CensorStelzer, Andreas ; Vossiek, Martin
PublishedLinz, Januar 2017
DescriptionX, 175 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Linz, Dissertation, 2017
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Lokalisierung / Positionsschätzung / RFID / passive Transponder / UHF Technologie
Keywords (EN)Localization / position estimation / radiofrequency identification / passive transponders / ultrahigh frequency technology
Keywords (GND)Transponder / Dezimeterwelle / RFID / Lagemessung / Lokalisation
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-13896 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Phase-of-arrival-based localization with passive UHF RFID transponders [3.21 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

In unzähligen Anwendungen, insbesondere in den Bereichen der Logistik, des Handels und der Sicherheit, sind kontaktlose Systeme zur automatischen Identifikation und Datenerfassung von großer Bedeutung. Transponder, welche berührungslos von einem Lesegerät erkannt werden, ermöglichen die eindeutige Identifikation ihrer Träger, welche beispielsweise Personen, Tiere und Waren im Transport sein können. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität spielt dabei die Identifizierung mittels elektromagnetischer Wellen (RFID, engl. radio frequency identification) eine entscheidende Rolle. In RFID-Systemen sendet ein Lesegerät ein Abfragesignal, worauf ein RFID-Transponder nach einem definierten Protokoll antwortet, welches unter anderem eine eindeutige Identifikationsnummer des Transponders beinhaltet und somit eine Identifikation dessen Trägers ermöglicht. Insbesondere bei Verwendung passiver Transponder, welche ihre Energieversorgung aus den Funksignalen des Lesegerätes beziehen und daher ohne eigene Energiequelle ausgeführt werden, führt dies zu geringem Wartungsaufwand, einer langen Lebensdauer und geringen Kosten. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung eins zweidimensionalen Lokalisierungssystems für passive RFID-Transponder im UHF-Bereich von 865 MHz bis 868 MHz (UHF, engl. ultrahigh frequency), wobei die Lokalisierung stationärer Objekte im Vordergrund steht. Zu diesem Zweck wurde ein mehrkanaliger Systemdemonstrator entwickelt, bei dem jeweils ein Frontend als Sender konfiguriert wird, während die restlichen Frontends als Empfänger arbeiten. In Kombination mit handelsüblichen RFID-Komponenten wird dadurch eine Aufzeichnung der mittels modulierter Rückstreuung gesendeten Funksignale der passiven Transponder ermöglicht. Durch die Verwendung mehrerer Frontends wird die Lesereichweite des RFID-Systems erhöht, wobei die grundlegende Funktion, also die Identifikation der Transponder, nicht gestört wird. Basierend auf den mittels des Systemdemonstrators aufgezeichneten Signalen werden verschiedene Methoden zur Lokalisierung der passiven UHF RFID-Transponder vorgestellt und auf ihre Genauigkeit hin analysiert, wobei zur Überprüfung der Konzepte Messungen durchgeführt wurden. Beim ersten entwickelten Ansatz werden die Antennen mehrerer Frontends zu linearen Arrays angeordnet. Durch Auswertung der Einfallsrichtung der vom RFID-Transponder gesendeten Funksignale auf die Arrays kann die Transponderposition ermittelt werden. Eine Analyse dieser Methode zeigt, dass dadurch Ausreißer der Positionsschätzung vermieden werden, jedoch nur eine mäßige Genauigkeit erzielt wird. Der zweite Ansatz beruht auf einer Anordnung der Antennen am Rand des Messbereiches, wobei die Lokalisierung des RFID-Transponders durch Auswertung der Phasenlage sowie der Amplitude der aufgezeichneten Signale durchgeführt werden kann. Eine Analyse zeigt, dass sich durch die Kombination dieser beiden Parameter eine hohe Genauigkeit erzielen lässt, wobei Ausreißer größtenteils vermieden werden. Besteht die Möglichkeit, mehrere passive RFID-Transponder in einem linearen Array anzuordnen, so können Ausreißer der Positionsschätzungen durch Auswertung der Phasenlagendifferenzen der Antwortsignale benachbarter Transponder vermieden werden. In Kombination mit einer Evaluierung der Phasenlagen sowie der Amplituden der Transpondersignale lässt sich dadurch eine Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zur Lokalisierung einzelner Transponder erreichen. Basierend auf dem Messprinzip des FSCW-Radars (engl. frequency-stepped continuous-wave) lässt sich durch schrittweise Änderung der Frequenz des Sendesignals die Pfadlänge des Funksignals von der Sendeantenne über den RFID-Transponder zur Empfangsantenne bestimmen. Durch diesen Ansatz wird, auf Kosten einer erhöhten Messdauer, die höchste Genauigkeit der in dieser Arbeit untersuchten Lokalisierungsmethoden erreicht.

Abstract (English)

In many modern applications, particularly in the field of logistics, commerce and security, contactless automatic identification systems have become fundamental parts. Labels which are wirelessly detected by a reader allow unique identification of their carrier which may be, for example, people, animals, goods and products in transport. Due to its high flexibility, radio frequency identification (RFID) has become a key technology. In RFID systems, an RFID reader generates an interrogating signal, whereupon the RFID transponder transmits its information containing its unique identification number and thus enables the identification of its carrier. Since passive tags can be used which collect the required energy from the interrogating field created by the readers, the transponders require no local power sources such as batteries. This results in reduced need for maintenance while achieving long lifetime and low cost. This thesis focuses on the development of a two-dimensional position measurement system for passive RFID transponders in the ultrahigh frequency (UHF) range from 865 MHz to 868 MHz, and the main application is the localization of stationary objects tagged with RFID labels. To this end, a multiple channel system demonstrator has been designed, where sequentially each frontend is configured to work as transmitter while the remaining frontends serve as receivers. In combination with commercial off-the-shelf RFID components the acquisition of the backscattered signals modulated by the passive transponders is enabled. Since multiple frontends are used, the read range of the RFID system is improved, while the basic function of the RFID system, which is the identification of the labels, is not compromised. Based on the acquired transponder signals, several methods for localizing the passive UHF RFID tags are introduced and analyzed for their accuracy and robustness. For proof of concept, measurements have been carried out in an indoor office environment. The first approach uses multiple frontends, where the corresponding antennas are arranged to form linear arrays. By evaluating the angle of arrival of the impinging radio frequency signals on the antenna arrays, the passive UHF RFID transponders are localized. An analysis of this method shows that outliers in estimating the transponder positions are avoided, but the achievable accuracy is moderate. In the second approach, multiple antennas are distributed around the perimeter of the 2-D measurement zone. The localization of the RFID transponder is enabled by evaluating the phase of arrival as well as the amplitude of the backscattered tag signals. In the majority of cases accurate localization can be achieved by combining both parameters, while outliers of the position estimates are avoided. If several RFID transponders are arranged to form a linear tag array, outliers of the position estimates can be avoided by evaluating the phase differences of the backscattered signals of adjacent transponders. Thus, in combination with utilizing the other parameters of the backscattered tag signals, an improvement in accuracy is achieved compared to localizing individual RFID transponders. The absolute length of the signal propagation path from the transmitting antenna via the RFID transponder to the receiving antenna can be estimated using a frequency-stepped continuous-wave approach, which can be applied to existing RFID systems without influencing their basic function. This approach offers the highest accuracy of all investigated methods on the cost of a significantly increased measurement time, since consecutive communications with the RFID transponder using multiple transmit frequencies of the interrogator signal have to be performed.

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