Delta-RCS characterization of RFID tags and implications on localization accuracy

Abstract

Radio-frequency identification (RFID) ist eine heute bereits weit verbreitete Technik, die in ihrer ursprünglichen Anwendung zur Identifikation von Objekten dient. Das Lokalisieren von RFID Tags ist hingegen ein neues Anwendungsfeld, das sich derzeit noch weitgehend in Entwicklung befindet. Ein solches neuartiges Lokalisierungsverfahren basiert auf breitbandigen Signalen mit kleiner Amplitude, welche einem stärkeren Continuous-Wave Träger überlagert werden. Dies ermöglicht Laufzeitmessungen und damit eine Lokalisierung der Tags. In diesem Zusammenhang ist der sogenannte Delta-Radarquerschnitt eines Tags ein essenzieller Parameter. Er beschreibt die im Allgemeinen komplexwertige Differenz zwischen den zwei möglichen Radarquerschnitten, die ein Tag für die Kommunikation mit einem RFID-Reader verwendet. Dafür ist eine Erweiterung des skalaren Radarquerschnitts auf eine komplexe Größe notwendig. Ein umfassendes Messsystem, welches das Erfassen des Delta-Radarquerschnitts für verschiedene Frequenzen, Leistungspegel und Einfallswinkel der elektromagnetischen Wellen ermöglicht, ist kommerziell nicht verfügbar. Die Entwicklung und der Aufbau eines solchen Messsystems stehen daher im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Dieses Messsystem wird anschließend dafür genutzt, verschiedene passive Tags bei UHF Frequenzen um 900 MHz und im ISM Band bei 2.45 GHz zu charakterisieren. Außerdem wird ein batteriebetriebenes, sogenanntes Electronic Shelf Label dahingehend modifiziert, dass es auf Basis von Radarquerschnittsmodulation bei 2.45 GHz ebenfalls als Testobjekt für das Lokalisierungsverfahren dienen kann. Neben diesen Messungen wird auch der Einfluss von Störquellen in ISM Bändern in großräumigen Elektrofachmärkten analysiert. Dies geschieht in Hinblick auf die potenzielle Anwendung des erwähnten Lokalisierungsverfahrens in einer solchen Umgebung.

Radio-frequency identification (RFID) is widely deployed nowadays. Intentionally used for identification purposes, the extension to the localization of RFID tags is a rather new topic, which is still under development. One novel technique uses small amplitude wideband signals superimposed on a continuous wave carrier for time-of-flight based localization. In this context, the so-called delta radar cross-section of tags is an essential parameter. It describes the generally complex-valued difference between the two possible states of reflection which a tag can show during tag-to-interrogator communication. For this, an extension of the scalar radar cross-section to a complex value is necessary. A comprehensive measurement system capable of determining the delta radar cross-section in different frequency bands, for different power levels, and for different incident angles of the electromagnetic waves is not commercially available so far. The development and assembly of such a system is in the main focus of this thesis. The developed system is used to examine several different passive tags in the UHF frequency range around 900 MHz and in the ISM band around 2.45 GHz. Furthermore, a 2.45 GHz electronic shelf label is modified to allow for battery assisted backscatter modulation. The delta radar cross-section values of the tags are analyzed and compared regarding their behavior over frequency, power, and spatial angle. Besides that, the interferences situation in a typical electronics retail store is analyzed with regard to the possible use of the introduced wideband signal based localization technique in the ISM bands in such an environment.