论文解析

论文名Tagoram: Real-Time Tracking of Mobile RFID Tags to High Precision Using COTS Devices

论文DOI:“10.1145/2639108.2639111”

一、摘要

方法：

利用COTS RFID阅读器提供后向散射信号的相位值来估计目标的初始位置。提出了基于全息图的方法，称为Tagoram。它利用不同阅读器天线和不同扫描时间的观测，建立射频相位全息图。

挑战：

这篇论文实现了对移动标签的实时高精度定位。挑战是解决标签热噪声问题（不可避免），不同设备带来的相位偏移，以及实时性。

二、背景

1、后向散射交流

标签与天线的后向散射交流

公式可以写为：

其中c即为设备多样性带来的相位偏移。

2、热噪声

论文对100多个标签进行了实证研究，环境温度从0◦到40◦C，各种频率(920 ~ 926 MHz)包括16个通道，RSS从-70到-30dbm(不同方向)。在第5通道测量的一组结果如图所示。

热噪声带来的误差是不可避免的，测得的值服从正态分布。

3、设备多样性

论文验证tag’s diversity on RF phase存在性。将70个标签依次放置在相同的位置。每个标签被询问100次，其平均值如图(b)所示。

三、定义问题

天线M的实际位置AM

阅读器进行了N轮天线扫描，到目前为止总共有M × N次相位测量。形式上，我们使用一个矩阵Θ来表示这些度量值：

测量每一个相位值的时间：

其中t0为初始时间。f（t）表示标签在t时刻的实际位置。

A、θ、T为已知条件。

情况一：

标签以恒定的速度沿着已知的轨道移动。这种情况通常发生在传送带或装配线上，其中的对象是由一个预定义的轨道输送。则轨迹函数可以表示为：

所以只需要知道标签在t0时刻的位置就能知道它所有时刻的位置。

情况二：

不知道标签的运动轨迹。利用连续相位值之间的差值，运行时预测轨迹。选择最优轨迹。

四、已知运动的轨迹和速度

1、定义

定义一个虚拟天线阵：

其中：

意思就是把标签看作静止时天线的位置。

举个例子：

将检测平面划分为毫米水平的W × L网格 。对于每个网格，我们使用其质心作为坐标。网格位置用𝑋(𝑤,𝐿) 表示。

2、朴素全息图

理论距离h（X,A）：

射频全息图I表示如下图:

矩阵I中的元素x表示X为初始位置的概率。其中：

若网格X为初始位置，则理论相位值与实测相位值相等。即：ℎ(𝑋,𝐴)−𝜃=0。可得x=1。

下图为朴素全息图，测得的初始位置（图中红色区域）与实际的初始位置（图中红色加号位置）有一定差距，原因是没有排除热噪声和设备多样性带来的相位偏移。

3、增强全息图

增强全息图解决了热噪声的问题

公式如下图：

添加了||S||项。当X为初始位置时，||S||项接近于1；否则会很小。以此来增强初始位置。值0.1是根据第二章中图（a）测得的。

全息图如下，误差减小。

4、差分增强全息图

解决热噪声的基础上解决了设备多样性带来的相位偏移。公式如下：

通过相减来去除设备多样性带来的相位偏移，即去掉c项（2.1中的公式）。

5、总结

看到这里你可能有点迷糊，所以我总结一下。

五、实时性

这篇论文对实现实时性的方法是较少计算量。它后选出可能是初始位置的格子X加入到哈希表中，只计算哈希表中的X。这样就把计算量从计算W*L个格子的计算量减少了很大一部分。

思想是这样的，初始位置X满足下面公式：

考虑到热噪声，公式演变为：

再减小计算量，可得公式如下：

Cm，n即为候选位置。

下面是例子：

黄色的位置即为候选网格。

但是论文里没有考虑多样性带来的相位偏移。

六、未知运动的轨迹和速度

在COTS RFID系统中，一个标签可以每秒询问约30次，而最先进的自动分拣系统支持最大的输送速度为274 .8毫米/秒。标签移动约274 .8 * 1/30 = 9.16 mm，远小于可用通道波长的一半(≈160 mm)。这促使我们通过两个相邻读取的相位差来估计标签的基本速度。

Vm,n是Vn的映射

知道两个速度的大小和方向，必定能求出Vn的大小和方向。

知道了某时刻的速度大小和方向，则有：

如此，可以得到运动轨迹。这样问题就可以转换成已知运动的轨迹问题上去。