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【NSDI 2023】阿里与北大联合研发RFID高精度定位系统，登上国际顶会NSDI2023

NSDI
2022-11-29
2123
更新：2023-01-04 21:45:02

> 本文作者为阿里巴巴达摩院XG实验室
> 梁博（为论文一作）

**编者按：**

阿里巴巴达摩院XG实验室与北京大学SOAR实验室共同研发了RF-CHORD系统，相关论文「RF-CHORD: Towards Deployable RFID Localization System for Logistics Network」已经被顶级学术会议NSDI 2023（录取率18.4%）正式接收。RF-CHORD是首款面向物流网络的RFID定位系统，可以支撑物流、新零售、数据中心等场景的自动化与智能化管理。

**<font color=red>01 扫描二维码，物流中的效率瓶颈</font>**

在新零售的物流环节中，货物入库、出库和分拣时的扫描会消耗大量的人力和时间成本。当货车带着一箱箱商品到达仓库时，工人需要用扫码枪扫描二维码完成货物入库；当有客户下单时，工人需要分拣、扫描二维码出库装箱。尽管每一次扫描只要几秒钟时间，但这样的出入库会在全物流过程中会出现若干次，考虑到阿里巴巴每年千亿级的包裹流通量，扫描二维码成了限制高效物流的瓶颈之一。

是否有可能让扫描二维码变得自动化？大家可能在快递网点见过自动扫描二维码的设备，它其实是半自动的——需要人手动调整包裹的位置和姿态，让摄像头能够清晰完好地拍下二维码。在物流仓库大量包裹出入库时，手动完成供包是很困难的。使用机械臂或者增加摄像头和补光灯可以部分解决这个问题，但每一个包裹出入库的耗时并没有减少很多。效率提升有限。这让我们反思：是不是二维码技术方案本身的缺陷，造成了自动化流程的困难？

**<font color=red>02 RFID，另一种选择</font>**

二维码确实不是包裹“标签”的唯一选择。二维码成为出入库瓶颈的内生原因是：1. 二维码是基于视觉的方案，必须确保良好的直视路径和光照条件，所以对包裹姿态要求较高；2. 受相机分辨率、焦距的限制，二维码必须离相机足够近才能被扫描，不同位置多个包裹上的二维码难以被同时扫描。

相比之下，RFID（射频识别标签）是一种潜在的替代方案。RFID使用电磁波来探测电子标签，和刷门禁卡、刷工牌类似。在物流场景使用的RFID是UHF RFID，工作在840-960MHz频段。相比于二维码标签几乎为零的成本，UHF RFID的标签成本约为几毛钱，但UHF RFID 可以有效实现快速、远距离、非视觉范围内的扫描，对全物流流程的运转效率有极大提升。很多公司都在推广RFID电子标签，如沃尔玛要求用RFID管理药品和食品、优衣库的每一件衣服都有RFID标签。

**<font color=red>03 窜读和漏读，RFID最大的敌人</font>**

RFID部署面临的最大难题是漏读和窜读。漏读是指没有扫描到目标RFID，窜读是扫描到了其它不在目标范围内的RFID。

想弄明白漏读和窜读，需要了解RFID的工作原理。RFID的标签是一种无源器件，本身并没有电池，而是依靠电容捕捉读写器发射到空中电磁波的能量来工作的。同时，RFID通过反射读写器发出的电磁波完成通信。标签内部的芯片可以改变自身的反射系数，高反射系数代表“1”，低反射系数代表“0”，如此就可以发送二进制序列。这种后向散射（backscatter）机制既让RFID的制造成本变得很低（相比于其它电子标签，如蓝牙标签、Zigbee标签），又降低了电量维护和管理的负担。

但也正是后向散射机制让漏读和窜读成为了“两难困境”。由于RFID标签天线的朝向不佳、反射信号微弱等原因，读写器有时候会无法扫描到目标标签，这就是漏读。在物流仓库，漏读往往意味着丢件，需要人工复核。通过提高读写器的发射功率和接收的敏感度，可以减少漏读。但此时又会发生窜读。因为整个系统的读取能力提升了，部分响应能力很强但不在目标区域的标签也会被读到，此时又只能降低发射功率和接收敏感度来减少窜读。读写器的发射功率和敏感度高则窜读多，低则漏读多，难以同时实现低漏读和低窜读。

**<font color=red>04 定位打破两难困境</font>**

XG实验室的研发团队选择跳出这个两难困境，利用位置信息降维打击RFID扫描。假如我们知道了每一个标签的具体位置，就不需要担心窜读，把不在目标区域的标签排除掉即可。

实际上，RFID标签有定位的潜力。电磁波在传播时相位会发生变化，这种变化记录了传播的路径长度。读写器可以比对发射信号和接收到的RFID反射信号以相位变化，进而推算出RFID标签的距离。

RFID定位在近年来的工业界和学术界广受关注，但是为什么没有在物流场景得到广泛应用呢？XG实验室的研发团队认为这是由于物流场景的特殊性造成的。物流场景下的RFID定位需要满足可靠、快速、大范围这三个要求：

**可靠**。在最差情况下，定位误差依然较低，例如在99%情况下定位误差小于1m，结合设置安全区域即可实现对标签的可靠分类。

**快速**。定位的吞吐速度达到每秒上百个，确保载货拖车入库过程中无需停顿。

**较大范围**。工作范围足够覆盖仓库通道门（例如3m以上）。

可是，已有工作从根本上难以同时满足这三点要求。具体来说，现在的技术路线可以分为三类：

单次扫描单信道估计。利用单次标签扫描获得的信号强度或者相位进行定位，其定位速度和标签扫描速度持平，可以达到每秒100次以上，覆盖范围可以达到10m。但是由于只有一个信道进行位置估计，准确度差，无法实现可靠定位。

基于合成孔径雷达定位。通过天线或者标签的移动来虚拟出多个天线，从而增强对位置估计的角度分辨率，代表工作有Tagoram和Mobitagbot。由于标签或天线的移动需要时间，这种方法并不能立即提供位置估计，无法满足快速的要求。

基于宽带跳频定位。距离估计的分辨率和频谱的带宽成正比，以MIT的RFind，TurboTrack等工作为代表，使用跳频、多OFDM等宽带方案可以提高定位的精度和可靠度。但是这一类工作的并行度不够，扫描并定位单个标签常常需要几秒，无法满足物流场景快速的需求。同时，由于宽带信号功率低，工作距离只能局限在1m左右。

研发团队认为，想要从根本上克服现有技术路线的种种缺陷，同时满足可靠、快速、大范围的需求，需要全新的软硬件协同方案和面向场景的针对性优化。换言之，相比于现有RFID定位工作依赖商用读写器或软件定义无线电，只有重新“造轮子”，才有可能实现全方位的性能提升。

**<font color=red>05 RF-CHORD的技术路线和性能表现</font>**

一句话总结：RF-CHOR使用了并行多正弦载波的宽带嗅探技术，利用多径消除全息定位算法，实现可靠、快速和较大范围的RFID定位。

**<font color=red>06 并行多正弦载波的宽带嗅探技术</font>**

并行多正弦载波的宽带嗅探技术是RF-CHORD的核心技术。

宽带是指RF-CHORD使用了比传统UHF RFID宽得多的频带，频带的宽度和定位的距离分辨率成正比。UHF RFID被分配使用特定的频带，约10-20MHz（中国无线电管理委员会标准为840-845MHz和920-925MHz，美国FCC标准为902-928MHz）。RF-CHORD除了在法定频带的较窄频带进行通信外，还在800MHz-1GHz内的200MHz上发射极低功率信号（符合法规杂散发射功率要求）。

嗅探是指RF-CHORD同时使用两个读写器，一个是常规的商用RFID读写器（窄带读写器），另一个是特制的宽带读写器。宽带上的发射功率太低，无法激活标签，也无法和标签建立常规的链接。所以RF-CHORD使用一个传统的窄带读写器和标签通信，同时宽带读写器“暗搓搓”地发射自己的信号，并监听/嗅探反射回来的信号以估计标签在宽带上的响应。在这个过程中，RFID标签是完全不知道自己被宽带读写器“嗅探”的，相当于分离把通信与定位在物理层进行了分割。

并行多正弦载波是RF-CHORD使用的宽带波形。RF-CHORD发射的宽带信号是由并行发射的多个（论文中为16个）不同频率的正弦波在频谱上拼接而成的。这些正弦子载波本身的展宽很小，可以有效减少噪声带宽；它们分布在200MHz的频谱上，可以还原出标签在宽带上的响应。正弦子载波设计使得系统同时具备窄带和宽带的优点。为了实现这个设计目标，RF-CHORD利用高动态范围ADC和大带宽基带芯片搭建了定制化射频硬件，在尽可能前端的部分实现了信号的数字化，并还原出对应正弦波上的信号。

为了处理宽带上微弱的信号，获得相位信息，RF-CHORD设计了基于自适应波束成形、全包匹配、锁相环时间对齐等一系列解调算法，成功实现了在低信噪比情况下的实时准确解调，为后端的定位、追踪算法实时提供信道相位信息。

**<font color=red>07 多径消除全息定位算法</font>**

多径效应是定位面临的最大挑战，即电磁波在传播过程中可能会被环境物体反射、散射，污染接收信号的相位，干扰定位结果。RF-CHORD宽带提供的距离分辨率有利于分辨出多条不同的传播路径，结合物流场景中对空间利用的约束（例如通道门设置的位置和方向），算法可以分辨出多条传播路径中正确的路径。更进一步地，定位算法会对正确路径进行特定距离的波束成形，增强正确路径，消除其它路径的影响，从多径信号中提纯正确路径信号，实现高精度、高可靠的定位。

最终，多重增益加持的RF-CHORD实现了以下性能指标，可以完成物流场景的任务需求：

**可靠性**。在99%情况下，RF-CHORD的定位误差为1.07m。利用定位区分包裹是否在目标区域的部署实验中，窜读率为0.0025%~0.0154%（当前商用的impinj xSpan系统窜读率约为2%）

**快速**。RF-CHORD可以在单次扫描后完成高精度定位，从而实时输出定位结果。宽带扫描速度和窄带商用读写器扫描速度基本持平，每秒可以定位100-200个标签。

**较大范围**。尽管RF-CHORD的发射功率只有-35dBm，远低于商用RFID超过20dBm的发射功率，但依然可以覆盖约6m范围，足以满足通道门场景的需求。

> 文章来源：https://www.163.com/dy/article/HH9V30VF0552YI1V.html

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