Localization of passive UHF RFID tags

Abstract

In der automatisierten Industrie und Logistik ist die Identifizierung von Gegenständen ein wichtiger Aspekt. Electronic Product Code Ultra-High Frequency Radio Frequency Identification (EPC UHF RFID) Systeme werden vermehrt für die berührungslose Identifikation eingesetzt. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ist die Identifizierung ausreichend, jedoch würden einige Anwendungen zusätzlich auch eine Positionsinformation benötigen. Man denke hier zum Beispiel an die Erkennung der Reihenfolge von Gütern auf einem Förderband oder an die Begrenzung von Lesezonen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema der Anwendbarkeit eines breitbandigen Entfernungsmessverfahren auf kommerziell erhältliche EPC Standard konforme RFID Tags, welche schon milliardenfach im Einsatz sind. Ein RFID Lesegerät wurde entwickelt, welches neben der standardkonformen EPC Kommunikation zusätzlich ein breitbandiges Lokalisierungsverfahren unterstützt. Dieser Prototyp wurde auf Basis eines kommerziell erhältlichen Software Defined Radio (SDR) entwickelt. Eine Field Programmable Gate Array Entwicklung wurde durchgeführt, um die Hardware des SDRs optimal zu nutzen. Die Anwendbarkeit des breitbandigen Entfernungsmessverfahrens wurde anschließend in einem Büroraum untersucht. Die Messungen zeigten, dass die Mehrwegeausbreitung einer der limitierenden Faktoren in Innenraumszenarien ist. Weiters wurde der Einfluss eines nichtidealen Delta Radarquerschnittes des RFID Tags auf die Genauigkeit der Distanzmessung untersucht. Dazu wurde ein Ansatz entwickelt, der ausgehend von einer Antennengewinn Simulation und der Impedanz des RFID Chips die Berechnung des Delta Radarquerschnitt ermöglicht. Unter Zuhilfenahme dieser Methode wurden verschiedene Vergleichssimulationen durchgeführt. Besonders hervorzuheben ist die Änderung der Gruppenlaufzeit wenn die dielektrischen Eigenschaften des Materials geändert werden auf welchem der Tag aufgebracht ist. Die Änderung der Gruppenlaufzeit beeinflusst die Genauigkeit des Entfernungsmessverfahren und sollte daher kompensiert werden. Außerdem wurde ein Zweifrequenz Tag in Kooperation mit NXP Semiconductor N.V. entwickelt. Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Frequenzbändern für Lokalisierung und Identifikation, kann jeder Teil separat optimiert werden und so zum Beispiel die Sensitivität der Gruppenlaufzeit des Tags auf Änderungen des umgebenden Materials verringert werden.

Identification of items is one of the key ingredients for automation of work flows and logistics. Ultra high frequency (UHF) radio frequency identification (RFID) systems are a commonly used solution for contactless identification with read ranges of about 10 m. While identification is sufficient for a lot of use-cases, several applications require localization of the tag as well, e.g. sequence detection on conveyor belts or range gating. This thesis focuses on a broadband ranging method which can be applied to backscatter based RFID systems. As no changes to the tags are required, this localization method can potentially be applied to billions of already deployed commercial-off-the-shelf (COTS) electronic product code (EPC) UHF RFID tags. A ranging enabled RFID reader testbed, based on a COTS software defined radio (SDR), will be presented. To utilize the full available performance of the SDR, a custom field programmable gate array (FPGA) implementation was developed. The developed ranging testbed was used to conduct measurements in an empty office environment. These measurements showed that multipath propagation is a limiting factor for the application of the broadband ranging method in typical indoor environments. The influence of the non-ideal delta radar cross section (DeltaRCS) of RFID tags onto the ranging method is discussed. Therefore, a systematically approach to derive the DeltaRCS from the knowledge of the complex valued gain pattern and the impedance of the RFID chip is presented. By utilization of various simulations, critical environmental factors were identified. The results show that the additional group delay of the resonant RFID antennas has to be considered if precise ranging measurements are required. A dual frequency tag was developed and built in a close cooperation with NXP Semiconductor N.V. to further enhance the ranging performance. With this tag it is possible to separate the identification from the ranging process in frequency domain. Thus, each part can be optimized separately. The sensitivity of the group delay on the dielectric properties of the material surrounding the tag was significantly reduced by using a broadband design.