1. 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. 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. 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. 4 RFID System  Interrogator(Reader)  Transponder(Tag)  Application Software

5. 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. 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. 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. 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. 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

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11. 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. 12 位置估測演算法 — 資訊收集 1) 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) 2) 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) 。

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15. 15 位置估測演算法 — 位置計算 1) (Tag ID ， Reader Power) Tag 位於零個 SRefTag 傳輸範圍內 2) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX) Tag 位於一個 SRefTag 傳輸範圍內 3) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2) Tag 位於兩個 SRefTag 傳輸範圍內 4) (Tag ID ， Reader Power ， SRefTagX1 ， SRefTagX2 ， SRefTagX3…) Tag 位於三個以上 SRefTag 傳輸範圍內

16. 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. 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. 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. 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. 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. 21 佈局方式造成的影響探討 — 不同 Power Level 分類

22. 22 定位系統主要使用參數 包含兩種功率的 Reader Reader Full Power 傳輸使用功率 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) Reader Half Power 傳輸使用功率 11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 ) 包含三種功率的 Reader Reader Full Power 傳輸使用功率 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) Reader Two-third Power 傳輸使用功率 14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 ) Reader One-third Power 傳輸使用功率 7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 ) Reader 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm SRefTag 與 Reader 的距離 5 公尺 SRefTag 傳輸使用功率 (SRefTagPW)18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) SRefTag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm Tag 傳輸使用功率 (TagPW)18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) Tag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

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24. 24 佈局方式造成的影響探討 Reader 為兩種 Power Level 時 Reader 為三種 Power Level 時 三個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成 的三角形區域內 平均誤差 0.8797 公尺 0.7335 公尺 最大誤差 2.5855 公尺 1.8800 公尺 三個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power 時的最遠傳輸距離為 半徑的區域內 平均誤差 1.5529 公尺 1.4697 公尺 最大誤差 4.4780 公尺 4.6117 公尺 四個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成 的正方形區域內 平均誤差 0.8848 公尺 0.7477 公尺 最大誤差 1.9602 公尺 1.7601 公尺 四個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power 時的最遠傳輸距離為 半徑的區域內 平均誤差 0.9980 公尺 0.8648 公尺 最大誤差 2.4864 公尺 2.4140 公尺 六個 SRefTag 時， Tag 在 SRefTag 為頂點所形成 的六角形區域內 平均誤差 0.8463 公尺 0.7307 公尺 最大誤差 2.5376 公尺 2.4784 公尺 六個 SRefTag 時， Tag 在 Reader 使用 Full Power 時的最遠傳輸距離為 半徑的區域內 平均誤差 0.9308 公尺 0.7923 公尺 最大誤差 2.5376 公尺 2.4784 公尺

25. 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. 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. 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 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) 11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 )

28. 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 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) 11.5506 dBm (d = 2.5 公尺 )

29. 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 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) 14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 ) 7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

30. 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 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) 14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 ) 7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

31. 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 18.7753 dBm (d = 5 公尺 ) 14.5491 dBm (d = 3.3333 公尺 ) 7.3244 dBm (d = 1.6667 公尺 )

32. 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. 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. 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. 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. 36 基本演算法直接擴大至 適用範圍 包含兩種功率的 Reader Reader Full Power 傳輸使用功率 (d = N 公尺 ) Reader Half Power 傳輸使用功率 (d = N/2 公尺 ) 包含三種功率的 Reader Reader Full Power 傳輸使用功率 (d = N 公尺 ) Reader two-third Power 傳輸使用功率 (d = (N*2)/3 公尺 ) Reader one-third Power 傳輸使用功率 (d = N/3 公尺 ) Reader 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm SRefTag 與 Reader 的距離 N 公尺 SRefTag 傳輸使用功率 (SRefTagPW) (d = N 公尺 ) SRefTag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm Tag 傳輸使用功率 (TagPW) (d = N 公尺 ) Tag 接收訊號的最小功率門檻 2 dBm

37. 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. 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. 39 細胞組合式擴充

40. 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 定位有效 範圍 14.1421m x 7.0711m Tag 在定 位有效範 圍內的平 均誤差值 0.7447 公 尺

41. 41 與 LANDMARC 系統比較 LANDMARC ( 文獻 [14]) LANDMARC ( 文獻 [17]) 本論文所提出 的定位機制 定位有效範圍約 10m x 5m 13m x 5.825m 14.1421m x 7.0711m Tag 在有效範圍內平 均誤差值 1.09 公尺 2.01 公尺 0.7447 公尺 定位使用元件數量 四個 Reader 八個 Reference Tag 四個 Reader 八個 Reference Tag 兩個 Reader 六個 SRefTag

42. 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. 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