臺灣博碩士論文加值系統

摘要
近年來隨著半導體製程和微波元件技術的進步，室內無線射頻（RF）定位系統的技術與應用越來越受到重視。目前無線射頻系統在室內環境的定位系統以訊號的接收強度（RSS）或抵達時間（TOA）為主，而後者比前者提供較佳的定位精確度。然而這些系統至少需要兩個以上的接收器才能估測出訊號源位置，如此對以低成本為考量的無線射頻辨識系統將是一大問題。此外以定位環境而言，這些系統只適用於平面環境，對於訊號源的高度一無所知，而且由於無線射頻辨識系統應用在室內環境中，除了多路徑與非直射路徑效應外，還有同頻道的干擾，因此要如何精準的定位乃是ㄧ大挑戰。
本論文提出一個適用於三維室內環境通道的TOA-AEOA定位演算法，只以一個接收器就能精準估測訊號源的延遲時間、方位角與俯角。接收器使用均勻角度排列成圓形狀的天線陣列，而以正交偽雜訊作為訊號源的識別碼。本方法使用匹配濾波器抑制同頻道干擾，T-MUSIC演算法估測期望訊號源直射波的時間延遲，時域濾波器將其直射路徑的成分取出，和2-D MUSIC演算法估測期望發送源直射波的方位角與俯角。電腦模擬結果顯示所提的方法對於室內目標物的定位效能，相當良好。

關鍵詞: 無線射頻辨識、室內定位、方位估測、俯角估測、時間延遲估測

Abstract
In recent years, due to rapid progress of semiconductor fabrication and microwave device technologies, techniques and applications of RF-based indoor positioning systems have received much attention. At present, RF-based indoor positioning systems use, received signal strength（RSS）or time of arrival（TOA）of received signals as metric for indoor geolocation, wherein TOA provides more accurate positioning than RSS. These systems require at least two receivers to locate the signal source of interest, thus cost becomes a big concern for systems based on RFID. Moreover, these systems are only suitable for 2-D （plane） environment, namely target’s height is not available. When applied to indoor environment, RFID system will incur co-channel interference （CCI）except for multipath and no line-of-sight （NLOS） effects, therefore, facing great challenge to accurate positioning.
In the thesis, we propose an indoor positioning algorithm, known as TOA-AEOA, for 3-D indoor environment. Using only one receiver, the proposed algorithm can accurately estimate TOA、azimuth and elevation angles of arrival（AEOA） of the desired source. In this method, a single of uniform circular array of multiple antennas is used in the receiver and an orthogonal pseudo noise sequence is assigned as the identification code for each source. The method uses a matched filter bank to suppress CCI, the T-MUSIC algorithm to estimate TOA of the desired source, a temporal filter to extract LOS component, and the 2-D MUSIC algorithm to estimate the azimuth and elevation angles of the desired source. Computer simulation results show that the proposed method is very effective for target positioning in indoor environment.
Keywords : RFID、Indoor Positioning、azimuth-of-arrival estimation、elevation-of-arrival estimation、time-of-arrival estimation

目 錄
第一章 導論 1
1.1. 前言………………………………………………… 1
1.2. 研究動機與方法……………………………………… 3
1.3. 論文架構介紹……………………………………… 6
1.4 符號定義……………………………………… 7

第二章 無線射頻辨識系統與室內通道特性 8
2.1 無線射頻辨識系統…………………………………… 8
2.2. 無線射頻辨識系統現階段所要克服的題………... 17
2.3. 室內通道性………………………………………... 18
2.3.1 2D統計模型…...………………...…………… 20
2.3.2 3D統計模型..………………………………… 20

第三章 無線室內定位方法與室內定位系統介紹 22
3.1. 基本室內定位方法………….………………………. 22
3.1.1. 接收訊號強度定位方法………..……………. 22
3.1.2. 訊號抵達時間定位方法……….…………….. 23
3.1.3. 訊號抵達時間差定位方法……..……………. 25
3.1.4. 訊號抵達角度定位方法..……………………. 26
3.2 室內定位系統………………………………………… 26
3.2.1 Active Badge……………………….…………. 27
3.2.2 ActiveBat……………………………………. 28
3.2.3 RADAR……………………………………….. 30
3.2.4 SpotON…….……………………….…………. 31
3.2.5 各種定位系統的相關性討論..…….…………. 32

第四章 基於TOA 與二維AOA室內定位演算法 33
4.1. MUSIC演算法應用於二維AOA與TOA的估測….... 33
4.1.1 AEOA估測的接收訊號模式………………… 34
4.1.2 TOA估測的接收訊號模式………….....…….. 39
4.1.3 2-D MUSIC演算法..….………………...……. 40
4.1.4 T-MUSIC演算法……………………………... 41
4.1.5 電腦模擬結果與分析………………………… 43
4.2 TOA-AEOA定位系統………………………………... 47
4.2.1 資料模式……………………………………… 48
4.2.2 仿雜訊碼的選用……………………………… 49
4.2.3 TOA-AEOA估測演算法…………………….. 52
4.3 電腦模擬結果與分析………………………………… 55

第五章 結論與未來展望 78

參考獻……………………………………………………………... 80


圖表目錄
圖 1.1 無線定位系統方塊圖..……………………………... 2
圖 2.1 動物晶片的外觀……………………………………… 9
圖 2.2 利用注射方式將晶片殖入動物體內……….………… 9
圖 2.3 主動與被動讀取機……….………………………….. 10
圖 2.4 主動籤……………………………………………... 10
圖 2.5 被動標……………………………………………... 11
圖 2.6 無線射頻辨識系統基本架構…………..…………. 12
圖 2.7 以電磁方式產生電流的RFID..…………………... 13
圖 2.8 以共振方式產生電流的RFID…..………………... 13
圖 2.9 RFID晶…………………………………………….. 14
圖 2.10 ASK調……………………………………………... 15
圖 2.11 FSK調變…………………..….…………………… 16
圖 2.12 PSK調變……………………………………….….. 16
圖 2.13 室內射頻傳播通道多路徑效應………………….. 19
圖 3.1 接收強度定位法示意圖………..………………... 23
圖 3.2 訊號抵達時間定位法示意圖……….….....…… 24
圖 3.3 訊號抵達時間差定位法意…………………...... 25
圖 3.4 訊號抵達角度定位法示意圖.………………..…… 26
圖 3.5 紅外線系統基地台（左）、Active Badge（右） 27
圖 3.6 Active Bat的標籤…………………………………. 29
圖 3.7 Active Bat系統接收器…………………...…... 29
圖 4.1 各種幾何陣列…..………...…….……………… 34
圖 4.2 第k個訊號源入射至UCA………………………... 36
圖 4.3 平面波入射至UCA時，對各感測器的延遲情形…… 36
圖 4.4 2-D MUSIC的二維頻譜圖………………………….. 44
圖 4.5 2-D MUSIC二維頻譜的俯視圖…..………………… 44
圖 4.6 2-D MUSIC剖面之方位角頻譜圖…………..……… 44
圖 4.7 2-D MUSIC剖面之俯角頻譜圖………..…………… 44
圖 4.8 T-MUSIC延遲時間頻譜圖………………………….. 46
圖 4.9 MU-SIMO多路徑通道和系統架構…………………. 48
圖 4.10 PN碼產生…………………………………………. 49
圖 4.11 PN 碼產生示意…………………………………… 50
圖 4.12 三組PN碼的交相關函數…………………………… 51
圖 4.13 三組PN碼的交相關函數…………………………… 51
圖 4.14 直射波TOA-AEDOA估測流程…………………….. 52
圖 4.15 室內三維立體空間示意圖……………...…….. 55
圖 4.16(a) T-MUSIC頻譜（第二組PN碼為參考訊號……… 57
圖 4.16(b) T-MUSIC頻譜（第三組PN碼為參考訊………... 57
圖 4.17(a) 期望訊號源T-MUSIC頻圖……………........ 57
圖 4.17(b) 期望訊號源之直射路徑2-D MUSIC頻......... 58
圖 4.17(c) 期望訊號源之直射路徑2-D MUSIC俯視頻譜圖 58
圖 4.17(d) 期望訊號源之射路徑方位角頻譜圖………... 58
圖 4.17(e) 期望訊號源之直射路徑俯角頻譜圖………... 58
圖 4.18(a) 第一組訊號源之T-MUSIC頻譜圖……......... 61
圖 4.18(b) 第一組期望訊號源之直射路徑2-D MUSIC頻譜圖.. 61
圖 4.18(c) 第一組期望訊號源直射路徑2-D MUSIC俯視頻譜圖 62
圖 4.18(d) 第一組期望訊號源之直射路徑方位角頻譜圖………62
圖 4.18(e) 第一組期望訊號源之直射路徑俯角頻譜圖…………62
圖 4.19(a) 第二組訊號源之T-MUSIC頻譜圖…………………….63
圖 4.19(b) 第二組期望訊號源之直射路徑2-D MUSIC頻譜圖….64
圖 4.19(c) 第二組期望訊號源直射路徑2-D MUSIC俯視頻譜圖.64
圖 4.19(d) 第二組期望訊號源之直射路徑方位角頻譜圖………64
圖 4.19(e) 第二組期望訊號源之直射路徑俯角頻譜圖…………64
圖 4.20(a) 第三組訊號源之T-MUSIC頻譜圖…………………… 65
圖 4.20(b) 第三組期望訊號源之直射路徑2-D MUSIC頻譜圖….66
圖 4.20(c) 第三組期望訊號源直射路徑2-D MUSIC俯視頻譜圖.66
圖 4.20(d) 第三組期望訊號源之直射路徑方位角頻譜圖………66
圖 4.20(e) 第三組期望訊號源之直射路徑俯角頻譜圖…………66
圖 4.21(a) 第一組訊號源直射路徑時間延遲的解析機率………69
圖 4.21(b) 第一組訊號源直射路徑時間延遲的均方根誤差……69
圖 4.21(c) 第一組訊號源直射路徑方位角的解析機率…………70
圖 4.21(d) 第一組訊號源直射路徑方位角的均方根誤差………70
圖 4.21(e) 第一組訊號源直射路徑俯角的解析機率……………71
圖 4.21(f) 第一組訊號源直射路徑俯角的均方根誤差…………71
圖 4.22(a) 第二組訊號源直射路徑時間延遲的解析機率………72
圖 4.22(b) 第二組訊號源直射路徑時間延遲的均方根誤差……72
圖 4.22(c) 第二組訊號源直射路徑方位角的解析機率…………73
圖 4.22(d) 第二組訊號源直射路徑方位角的均方根誤差………73
圖 4.22(e) 第二組訊號源直射路徑俯角的解析機率……………74
圖 4.22(f) 第二組訊號源直射路徑俯角的均方根誤差…………74
圖 4.23(a) 第三組訊號源直射路徑時間延遲的解析機率………75
圖 4.23(b) 第三組訊號源直射路徑時間延遲的均方根誤差……75
圖 4.23(c) 第三組訊號源直射路徑方位角的解析機率…………76
圖 4.23(d) 第三組訊號源直射路徑方位角的均方根誤差………76
圖 4.23(e) 第三組訊號源直射路徑俯角的解析機率……………77
圖 4.23(f) 第三組訊號源直射路徑俯角的均方根誤差…………77

表 3.1 定位系統比較表………………………………………32
表 4.1 使用2-D MUSIC估測方位角與俯角之模擬條件…….. 43
表 4.2 使用T-MUSIC估測時間延遲之模擬條件………… 45
表 4.3 TOA-AEOA定位系統模擬條件……………………… 58
表 4.4 TOA-AEOA估測之模擬條件（三個使用者）…. 60
表 4.5.1 第一組訊號源估測直射路徑的TOA…………………. 69
表 4.5.2 第一組訊號源估測直射路徑的方位角……………….70
表 4.5.3 第一組訊號源估測直射路徑的俯角………………….71
表 4.6.1 第二組訊號源估測直射路徑的TOA…………………..72
表 4.6.2 第二組號源估測直射路徑的方位角………………...73
表 4.6.3 第二組訊號源估測直射路徑的俯角………………….74
表 4.7.1 第三組訊號源估測直射路徑的TOA…………………..75
表 4.7.2 第三組訊號源估測直射路徑的方位角……………….76
表 4.7.3 第三組訊號源估測直射路徑的俯角………………….77

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