Ray tracing and measurement based evaluation of RFID localization methods

Abstract

Die Lokalisierung von Radio Frequency Identification (RFID) Tags öffnet die Tür zu unzähligen Anwendungen im Gebiet der Objektverfolgung. Indem passive Tags ihre Versorgungsleistung dem Trägersignal des RFID Readers entnehmen, verzichten sie auf den Gebrauch von Batterien. Damit erweist sich ihr Einsatz in vielen Anwendungsfällen als vorteilhaft. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem passiven RFID-System, das in zwei Frequenzbereichen, bei 860960 MHz und bei 2.45 GHz, arbeitet. Eine neue Methode überlagert dem kontinuierlichen Trägersignal ein leistungsschwaches Breitbandsignal, um eine Time-of-Flight-basierte Abstandsschätzung in handelsüblichen RFID-Systemen zu ermöglichen. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Bewertung moderner Lokalisierungsverfahren, basierend auf dieser Methode. Zu diesem Zweck wird ein dreidimensionaler Raytracer implementiert, um den Backscatterkanal eines RFID-Systems zu simulieren. Zusätzlich werden die Resultate einer umfassenden Messkampagne ausgewertet. Die Abstandsschätzung erfolgt mittels einem einfachen Korrelationsfilter und einem erweiterten Maximum-Likelihood-Schätzer. Durch einen Vergleich der Lokalisierungsmethoden, basierend auf den synthetischen und den gemessenen Daten, kann eine Aussage über die Limitierungen eines praktischen RFID-Systems getroffen werden. Es wird gezeigt, dass das simulierte Modell eine gute Näherung des tatsächlichen Kanals darstellt. Weiters wird offengelegt, dass die positionsspezifische Kanalschätzung und die Berücksichtigung der Impulsantwort des Tags entscheidend für die Genauigkeit der Abstandsschätzung sind.

The localization of radio frequency identification (RFID) tags opens the door to countless applications in the field of object tracking. Harvesting their operating power from the continuous wave signal transmitted by the RFID reader, passive tags forego the use of batteries. This property renders their utilization very beneficial in many applications. The present thesis deals with a passive RFID system, operating in two frequency regimes, at 860960 MHz and at 2.45 GHz. A novel method, that superimposes a low power wideband signal onto the continuous wave signal, enables accurate time of flight range estimation within off-the-shelf RFID systems. The focus of this thesis is to evaluate state of the art localization techniques based on this method. To this end, a three dimensional wideband ray tracer is implemented in order to simulate the backscatter channel of an indoor RFID system. In addition, the results of a comprehensive measurement campaign are used. The range estimation is performed by a simple matched filter approach and a more sophisticated maximum likelihood estimator. A comparison of the ranging based on the synthetic and the measured data allows for a statement about the limitations of a practical RFID system. It is shown, that the simulated channel model provides a good approximation of the true channel. Further, it is observed, that a location specific channel estimation and knowledge about the tags impulse response are crucial for the accuracy of the range estimation.