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Realistic chipless RFID : identification and localization

Megahed, Abdelfattah Fawky Soliman

For mass deployment of RFID systems, cheap and accurate item level identification and tracking are profoundly needed. Fortunately, unlike conventional chip-based RFID, chipless RFID systems offers low-cost printable tags holding a better chance to enter the era of penny-cost tags. This dissertation concentrated on solving three challenges in the detection of the chipless tag inside an indoor environment. The first aspect discussed in the thesis are the chipless RFID clutter removal techniques. In chipless RFID the environmental clutter response is defined as the signal reflected from the environment, that does not interact with the tag. This signal has higher power than the backscattered signal from the tag, rendering the tag signature undetectable. Two algorithms to overcome this problem was used, the first is empty room calibration. The first algorithm is based on subtracting the measurement with the tag from the one without. The second algorithm is Rake receiver using PN sequence; this algorithm requires no pre-measurement calibration. The second aspect is notch detection and identification which is a critical part of the chipless system. This part is responsible for converting the notches into bits. For effective detection, a windowing operation is proposed, where each window may contain a notch or not. Three novel techniques are implemented to detect the notch. The first is matched filter were a reference notch is compared with the incoming signal. The second is window based singular value decomposition, where a constellation is created to detect not only the existence of a notch but also the bandwidth of the notch. The third notch detection technique is dynamic frequency warping. This technique utilizes non-linear warping to detect the notch and the frequency shifts that occurs on the notch. The third aspect discussed in the thesis is tag localization. In this aspect, two algorithms are implemented and explained. The first is trilateration which requires three different readers. The second localization algorithm exploits received signal strength and angle of arrival to detect the location of the tag accurately. All the algorithms were tested using a real testbed to validate the reliability of the techniques. The measurements were done using fabricated tags in an indoor environment using Software Defines Radio (SDR).

Für die weitere Massenverbreitung von RFID Systemen ist ein günstiges und genaues Verfahren zur Objektlokalisierung und –verfolgung zwingend erforderlich. Chiplose RFID Systeme erlauben im Gegensatz zu herkömmlichen chipbehafteten RFID Systemen den Einsatz von einfachen, druckbaren RFID Tags, eine Möglichkeit zum Einstieg in die Ära von extrem billigen RFID Tags. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Lösung von drei Herausforderungen bei der Erkennung von chiplosen RFID Tags innerhalb geschlossener Räume. Der erste in der vorliegenden Arbeit diskutierte Aspekt beschäftigt sich mit Methoden zum Eliminieren des Störechos der Umgebung (clutter removal techniques). Im chiplosen RFID System ist das Umgebungsstörecho definiert durch das von der Umgebung reflektierte Signal, das nicht mit dem RFID Tag interagiert. Die Stärke dieses Signals ist in jedem Fall größer als die des vom RFID Tag zurückgestrahlten (backscattered) Signals, was die Signaturerkennung des RFID Tags unmöglich macht. Zur Lösung dieses Problems schlage ich zwei Algorithmen vor. Der erste ist die Leerraum-Kalibrierung (empty room calibration). Bei diesem Algorithmus werden die Messungen mit RFID Tag von denen ohne RFID Tags abgezogen. Der zweite Algorithmus basiert auf dem Rake-Receiver unter Nutzung einer Zufallsfolge (PN sequence), er erfordert keine zusätzliche Kalibrierung. Der zweite Aspekt betrifft die Notch Erkennung und Identifikation, ein sehr wichtiger Bereich des chiplosen RFID Systems. Er ist dafür verantwortlich, die Notchs in Bits umzuwandeln. Für eine effektive Detektion werden Windowing (Fenster) Verfahren vorgeschlagen, wobei jedes Fenster einen oder auch keinen Notch beinhalten kann. Insgesamt drei neue Verfahren zur Notch Erkennung wurden implementiert. Als erstes ein Matched Filter (MF), in dem der einkommende Notch mit einem Referenz Notch verglichen wird. Das zweite Verfahren basiert auf einer gefensterten Singulärwertzerlegung, damit kann sowohl der Notch erkannt werden, als auch seine Bandbreite bestimmt werden. Als drittes Verfahren wird das dynamische Frequency Warping vorgestellt. Diese Technik nutzt nichtlineare um die Notche unddie Frequenzverschiebungen, die an den Notches auftreten, zu erkennen. Als dritter Aspekt wird die Lokalisierung der RFID Tags in dieser Dissertation diskutiert. Dazu werden zwei Algorithmen erklärt und implementiert. Der erste Algorithmus beruht auf der Triangulation durch drei getrennte RFID Lesegeräte, während sich der zweite die Position des RFID Tags aus der Signalstärke und dem Winkel des vom RFID Tag kommenden Signals berechnet. Alle genannten Algorithmen und Verfahren wurden in einer realen Innenraum Testumgebung mit RFID Tags und einer Software Defined Radio (SDR) Plattform vermessen, um die Zuverlässigkeit der Algorithmen unter normalen Bedingungen zu überprüfen.

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Megahed, Abdelfattah Fawky Soliman: Realistic chipless RFID. identification and localization. 2017.

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