Estimation de distance et localisation indoor par technologies hétérogènes RFID LF/UHF et UWB

par Vighnesh Gharat

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Geneviève Baudoin.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de MSTIC : Mathématiques et Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes (laboratoire) depuis le 05-10-2016 .


  • Résumé

    La technologie RFID développée par ELA Innovation est réalisée à partir d'une transmission en bande étroite. Ceci permet une optimisation du ratio énergie nécessaire / portée d'identification. Mais le principal inconvénient de l'usage de ce type de modulation est qu'il est très sensible aux ondes stationnaires. En bref, l'évaluation de la distance entre le tag et le lecteur est peu précise à cause des réflexions parasites sur les éléments métalliques environnant (mur, palettes, etc..). En pratique, la variation du signal reçu est bien liée à l'inverse du carré de la distance, mais cette variation moyenne est modulée par des ondes stationnaires de type sinusoïdales dont l'amplitude peut prendre des proportions très importantes. Sur le terrain, il est possible de constater une variation de puissance entre un minimum et un maximum équivalent à une variation de distance de plus de 50% ! Pour l'utilisateur, ceci signifie qu'un signal de détection d'un objet peut apparaitre à 10m comme à 15m, sans modification apparente. De plus, un élément important à prendre en compte dans le phénomène d'onde stationnaire est la longueur d'onde. Elle correspond à la distance à parcourir pour passer d'un maximum au suivant. A la fréquence standard de nos tags RFID elle est de 70 cm, ce qui signifie également que la distance entre un maximum de puissance et un minimum est uniquement de 35 cm, soit la demi-longueur d'onde … Fort de ce constat, la solution « DOT » que ELA Innovation développe consiste à minimiser les réflexions parasites, par un changement de la longueur d'onde. La solution proposée consiste à travailler en fréquence basse et donc avec une longueur d'onde très grande devant la taille des éléments environnement. Par exemple à la fréquence de 125 KHZ la longueur d'onde est de l'ordre de 2,5 km. Cela permet de travailler à des longueurs d'onde très grandes devant la dimension de l'environnement. Le fait de travailler en champ proche permet d'obtenir une variation entre niveau du signal reçu et distance entre émetteur et récepteur qui est bijective. Cela permet d'envisager des perspectives de précision très bonnes et une répétabilité de détection performante. Néanmoins, le choix technologique proposé amène une difficulté supplémentaire : pour pouvoir émettre un signal basse fréquence à une distance importante la puissance à mettre en jeu doit être très importante si on souhaite utiliser des antennes de taille réduite. Ceci n'est pas envisageable dans un concept de tag RFID, c'est-à-dire dans un encombrement réduit et une autonomie souhaitée élevée. Aussi l'architecture que nous avons développée s'appuie sur un concept d'émetteur basse fréquence (BF) alimenté par le secteur et de récepteur BF intégré dans le tag RFID. Cet émetteur BF est communément appelé « Activateur ». La puissance du signal BF reçu par le tag est mesurée directement dans le tag RFID et est transmise par le tag avec un étage émetteur HF similaire à nos tags habituels. Enfin, l'architecture développée permet de créer un lien bidirectionnel entre le tag, via le réseau de passerelle et activateur RFID. (433 MHz entre le tag et la passerelle RFID et 125 KHz entre l'activateur et le tag RFID). Ce lien sera exploité dans la prochaine période de travaux afin de permettre à l'utilisateur d'envoyer des ordres au tag RFID, par exemple demander au tag de se signaler par un signal visuel et / ou sonore pendant la phase de recherche. Actuellement le dispositif de mesure de distance s'appuie exclusivement sur la technologie RFID 125kHz et utilise un principe de mesure de champ, pour des distances typiquement inférieures à la vingtaine de mètres. La précision actuellement obtenue reste encore à améliorer pour les scenarios indoor envisagés. Un premier objectif de la thèse est de valider scientifiquement et expérimentalement le principe de la mesure de distance par RFID à 125kHz. Un deuxième objectif est de quantifier les performances du système actuel en termes de couverture et de précision et de proposer des pistes d'amélioration. Un troisième objectif est d'évaluer et de comparer les performances, intérêts et inconvénients respectifs des technologies RFID et UWB en fonction de quelques scenarios d'application. Un quatrième objectif est de concevoir des algorithmes de fusion des technologies RFID LF et UHF et UWB pour l'estimation de distance et la localisation. Un cinquième objectif est de contribuer au développement d'une bibliothèque de briques logicielles correspondant aux différents algorithmes pouvant servir de base aux développements d'applications RTLS. Les caractères originaux et novateurs du projet de recherche proposé résident dans les points suivants : • Utilisation de la technologie RFID 125kHz pour la mesure de distances • analyse théorique de l'utilisation des mesures de champ pour l'estimation dedistance • étude de la reproductibilité et de la fiabilité du principe de l'estimation dedistance dans différents environnements • Fusion de technologies RFID en champ proche (125kHz) et champ lointain (UHF) pour des applications d'estimation de distance et de localisation. Il existe aujourd'hui très peu de systèmes bi-bandes à 125kHz et UHF. • Fusion de technologies RFID et UWB

  • Titre traduit

    Distance Estimation and Indoor Localization by Heterogeneous Technologies LF/UHF RFID and UWB


  • Résumé

    RFID technology developed by ELA Innovation is based on narrow band transmission. This allows an optimization of energy ratio required for range identification. But the main drawback of the use of this type of modulation is that it is very sensitive to standing waves. In short, the evaluation of the distance between the tag and the reader is imprecise because of the parasitic reflections of the surrounding metallic elements (walls, pallets, etc.). In practice, the variation of the received signal is related to the inverse square of the distance, but this average variation is modulated by sinusoidal type of standing wave whose amplitude can take very large proportions. In the field, it is possible to establish a power variation between a minimum and a maximum equivalent to a distance variation of more than 50 percent. For the user, this means that a detection signal of an object can appear as 10m to 15m, without visible change. In addition, an important factor to be considered in the standing wave phenomenon is the wavelength. A standard frequency of our RFID tags corresponds to the wavelength of 70 cm, which also means that the distance between the points with maximum and minimum power is only 35 cm, the half-wavelength. With this in mind, the solution that ELA Innovation develops is to minimize unwanted reflections, by changing the wavelength. The proposed solution is to work in low frequency and therefore with very high wavelength to the size of the environmental elements. For example at a frequency of 125 kHz the wavelength is about 2.5 km. This allows working at very long wavelengths to the size of the environment. The fact of working in near field allows a variation between the received signal level and distance between transmitter and receiver that is bijective. This allows to consider very good accuracy prospects and performance detection repeatability. Nevertheless, the proposed technology choice brings an additional challenge: to be able to emit a low frequency signal at a significant distance. The power required to emit such low frequency signal, plays very important role if one wishes to use smaller antennas. This is not possible in the concept of RFID tag that is to say in a small footprint and high desired autonomy. Also architecture that we have developed is based on a concept of low frequency transmitter (BF) powered on the AC and BF receiver integrated into the RFID tag. This low frequency transmitter is commonly called ‘Activator'. The power of the low frequency signal received by the tag is measured directly in the RFID tag and is transmitted by the tag with a HF transmitter stage similar to our usual tags. Finally, the expanded architecture to create a two-way link between the tag via the gateway network and RFID activator (433 MHz between the RFID tag and the bridge and 125 KHz between the activator and the RFID tag). This link will operate in the next period of work to allow the user to send commands to the RFID tag, such as asking the tag to signal a visual and/or audible response during the research phase. Currently the distance measuring device relies exclusively on RFID technology 125 kHz and uses a principle of measurement field, typically for distances less than the twenty meters. The accuracy currently achieved yet to improve for indoor scenarios envisaged. The first objective of the thesis is scientifically and experimentally validate the principle of RFID distance measurement to 125 kHz. The second objective is to quantify the performance of the current system in terms of coverage and accuracy and suggest areas for improvement. The third objective is to evaluate and compare the performance, interests and disadvantages of RFID and UWB technologies based on some application scenarios. The fourth objective is to design fusion algorithms RFID LF and UHF technology and UWB for the distance estimation and localization. The fifth objective is to contribute to the development of software components library for the different algorithms that can be the basis for development of RTLS applications. The original and innovative characteristics of the proposed research project lies in the following: • Use of RFID 125KHz technology for measuring distances. • Theoretical analysis of the use of field measurements for the distance estimation • Study of the reproducibility and reliability of the principle of distance estimation in different environments • Fusion of RFID technology in the near field (125 kHz) and far field (UHF) for distance estimation and positioning applications. Today there are very few dual-band and systems with 125 kHz and UHF. • Fusion of RFID and UWB technologies.