[论文解读] A Handheld Fine-Grained RFID Localization System with Complex-Controlled Polarization

Laura Dodds, Isaac Perper+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

RFID technology advancements被引用 4

一句话总结

POLAR 是一种手持式、便携式 RFID 定位系统，通过使用复杂控制极化（CCP）在所有标签方向下保持一致的信号相位，并结合联合标签发现与定位（JTDL），实现实时、方向无关的 RFID 读取与定位。该系统在实际室内环境中实现了几厘米的中位定位精度。

ABSTRACT

There is much interest in fine-grained RFID localization systems. Existing systems for accurate localization typically require infrastructure, either in the form of extensive reference tags or many antennas (e.g., antenna arrays) to localize RFID tags within their radio range. Yet, there remains a need for fine-grained RFID localization solutions that are in a compact, portable, mobile form, that can be held by users as they walk around areas to map them, such as in retail stores, warehouses, or manufacturing plants. We present the design, implementation, and evaluation of POLAR, a portable handheld system for fine-grained RFID localization. Our design introduces two key innovations that enable robust, accurate, and real-time localization of RFID tags. The first is complex-controlled polarization (CCP), a mechanism for localizing RFIDs at all orientations through software-controlled polarization of two linearly polarized antennas. The second is joint tag discovery and localization (JTDL), a method for simultaneously localizing and reading tags with zero-overhead regardless of tag orientation. Building on these two techniques, we develop an end-to-end handheld system that addresses a number of practical challenges in self-interference, efficient inventorying, and self-localization. Our evaluation demonstrates that POLAR achieves a median accuracy of a few centimeters in each of the x/y/z dimensions in practical indoor environments.

研究动机与目标

• 开发一种便携式、手持式 RFID 系统，实现实时、细粒度的 3D 定位，适用于零售、仓库和制造环境。
• 克服现有手持系统中因标签旋转导致的依赖方向的相位失真问题，该问题会损害定位精度。
• 在无需天线阵列或参考标签等基础设施的前提下实现高精度定位，使系统具备可扩展性和成本效益。
• 设计一种支持自定位、高效盘点，并在多径丰富的室内环境中具备鲁棒性的系统。
• 证明细粒度 RFID 定位可在紧凑、用户携带的设备形态下实现，且不牺牲精度或实时性能。

提出的方法

• 实现复杂控制极化（CCP），一种基于软件的技术，通过相干组合两个可调相位和幅度的线极化天线，生成任意线极化和圆极化。
• 采用联合标签发现与定位（JTDL），通过利用不同极化状态之间的相位相干性，实现零开销的实时标签识别与定位，且不受标签方向影响。
• 集成软件定义无线电与自干扰消除技术，实现全双工操作和实时高精度相位测量。
• 为手持设备配备摄像头以实现自定位，使系统能够跟踪自身位置，并在移动过程中构建环境的 3D 数字孪生。
• 应用校准与信号处理技术，消除由方向引起的相位偏移，并在各种标签方向下保持高信噪比（SNR）。
• 利用现有自干扰消除和双频激励技术，针对多径环境中的便携式、实时 RFID 定位进行定制化改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖固定基础设施（如天线阵列或参考标签）的前提下，在手持式、便携式设备中实现细粒度 RFID 定位？
• RQ2 如何减轻由任意标签方向引起的信号相位失真，以仅使用一个移动读取器实现准确的 3D 定位？
• RQ3 系统是否能够以零额外开销实现实时联合发现与定位 RFID 标签，且不受标签方向影响？
• RQ4 与传统圆极化天线相比，复杂控制极化（CCP）在多径丰富的室内环境中能在多大程度上提升定位精度和鲁棒性？
• RQ5 是否可行构建一个完全自定位的手持式 RFID 系统，实现在厘米级精度下构建环境的 3D 数字孪生？

主要发现

• POLAR 在实际室内环境中，x、y 和 z 三个维度的中位定位精度均达到几厘米，证明了其具备厘米级精度。
• 该系统通过复杂控制极化（CCP）在所有方向上成功定位 RFID 标签，消除了传统圆极化系统中因方向依赖引起的相位误差。
• 联合标签发现与定位（JTDL）实现了零开销的实时、方向无关定位，显著提升了系统效率。
• 手持原型在多径丰富的环境中保持了高信噪比（SNR）和鲁棒性，优于在非视 Line-of-Sight 条件下失效的 RSS 方法。
• POLAR 在 3 米范围内有效运行，与商用手持 RFID 读取器相当，同时提供其他设备仅能检测标签存在的功能之外的细粒度定位能力。
• 系统通过机载摄像头实现的自定位能力，使设备能够在导航过程中跟踪自身位置，并构建环境的 3D 数字孪生。