阿里與北大聯合研發(fā)RFID高精度定位系統(tǒng)，登上國際頂會NSDI2023

編者按：

阿里巴巴達摩院XG實驗室與北京大學SOAR實驗室共同研發(fā)了RF-CHORD系統(tǒng)，相關論文「RF-CHORD: Towards Deployable RFID Localization System for Logistics Network」已經被頂級學術會議NSDI 2023（錄取率18.4%）正式接收。RF-CHORD是首款面向物流網絡的RFID定位系統(tǒng)，可以支撐物流、新零售、數據中心等場景的自動化與智能化管理。

掃描二維碼，物流中的效率瓶頸

在新零售的物流環(huán)節(jié)中，貨物入庫、出庫和分揀時的掃描會消耗大量的人力和時間成本。當貨車帶著一箱箱商品到達倉庫時，工人需要用掃碼槍掃描二維碼完成貨物入庫；當有客戶下單時，工人需要分揀、掃描二維碼出庫裝箱。盡管每一次掃描只要幾秒鐘時間，但這樣的出入庫會在全物流過程中會出現若干次，考慮到阿里巴巴每年千億級的包裹流通量，掃描二維碼成了限制高效物流的瓶頸之一。

是否有可能讓掃描二維碼變得自動化？大家可能在快遞網點見過自動掃描二維碼的設備，它其實是半自動的——需要人手動調整包裹的位置和姿態(tài)，讓攝像頭能夠清晰完好地拍下二維碼。在物流倉庫大量包裹出入庫時，手動完成供包是很困難的。使用機械臂或者增加攝像頭和補光燈可以部分解決這個問題，但每一個包裹出入庫的耗時并沒有減少很多。效率提升有限。這讓我們反思：是不是二維碼技術方案本身的缺陷，造成了自動化流程的困難？

RFID，另一種選擇

二維碼確實不是包裹“標簽”的唯一選擇。二維碼成為出入庫瓶頸的內生原因是：1. 二維碼是基于視覺的方案，必須確保良好的直視路徑和光照條件，所以對包裹姿態(tài)要求較高；2. 受相機分辨率、焦距的限制，二維碼必須離相機足夠近才能被掃描，不同位置多個包裹上的二維碼難以被同時掃描。

相比之下，RFID（射頻識別標簽）是一種潛在的替代方案。RFID使用電磁波來探測電子標簽，和刷門禁卡、刷工牌類似。在物流場景使用的RFID是UHF RFID，工作在840-960MHz頻段。相比于二維碼標簽幾乎為零的成本，UHF RFID的標簽成本約為幾毛錢，但UHF RFID 可以有效實現快速、遠距離、非視覺范圍內的掃描，對全物流流程的運轉效率有極大提升。很多公司都在推廣RFID電子標簽，如沃爾瑪要求用RFID管理藥品和食品、優(yōu)衣庫的每一件衣服都有RFID標簽。

竄讀和漏讀，RFID最大的敵人

RFID部署面臨的最大難題是漏讀和竄讀。漏讀是指沒有掃描到目標RFID，竄讀是掃描到了其它不在目標范圍內的RFID。

想弄明白漏讀和竄讀，需要了解RFID的工作原理。RFID的標簽是一種無源器件，本身并沒有電池，而是依靠電容捕捉讀寫器發(fā)射到空中電磁波的能量來工作的。同時，RFID通過反射讀寫器發(fā)出的電磁波完成通信。標簽內部的芯片可以改變自身的反射系數，高反射系數代表“1”，低反射系數代表“0”，如此就可以發(fā)送二進制序列。這種后向散射（backscatter）機制既讓RFID的制造成本變得很低（相比于其它電子標簽，如藍牙標簽、Zigbee標簽），又降低了電量維護和管理的負擔。

但也正是后向散射機制讓漏讀和竄讀成為了“兩難困境”。由于RFID標簽天線的朝向不佳、反射信號微弱等原因，讀寫器有時候會無法掃描到目標標簽，這就是漏讀。在物流倉庫，漏讀往往意味著丟件，需要人工復核。通過提高讀寫器的發(fā)射功率和接收的敏感度，可以減少漏讀。但此時又會發(fā)生竄讀。因為整個系統(tǒng)的讀取能力提升了，部分響應能力很強但不在目標區(qū)域的標簽也會被讀到，此時又只能降低發(fā)射功率和接收敏感度來減少竄讀。讀寫器的發(fā)射功率和敏感度高則竄讀多，低則漏讀多，難以同時實現低漏讀和低竄讀。

定位打破兩難困境

XG實驗室的研發(fā)團隊選擇跳出這個兩難困境，利用位置信息降維打擊RFID掃描。假如我們知道了每一個標簽的具體位置，就不需要擔心竄讀，把不在目標區(qū)域的標簽排除掉即可。

實際上，RFID標簽有定位的潛力。電磁波在傳播時相位會發(fā)生變化，這種變化記錄了傳播的路徑長度。讀寫器可以比對發(fā)射信號和接收到的RFID反射信號以相位變化，進而推算出RFID標簽的距離。

RFID定位在近年來的工業(yè)界和學術界廣受關注，但是為什么沒有在物流場景得到廣泛應用呢？XG實驗室的研發(fā)團隊認為這是由于物流場景的特殊性造成的。物流場景下的RFID定位需要滿足可靠、快速、大范圍這三個要求：

1. 可靠。在最差情況下，定位誤差依然較低，例如在99%情況下定位誤差小于1m，結合設置安全區(qū)域即可實現對標簽的可靠分類。
2. 快速。定位的吞吐速度達到每秒上百個，確保載貨拖車入庫過程中無需停頓。
3. 較大范圍。工作范圍足夠覆蓋倉庫通道門（例如3m以上）。

可是，已有工作從根本上難以同時滿足這三點要求。具體來說，現在的技術路線可以分為三類：

1. 單次掃描單信道估計。利用單次標簽掃描獲得的信號強度或者相位進行定位，其定位速度和標簽掃描速度持平，可以達到每秒100次以上，覆蓋范圍可以達到10m。但是由于只有一個信道進行位置估計，準確度差，無法實現可靠定位。
2. 基于合成孔徑雷達定位。通過天線或者標簽的移動來虛擬出多個天線，從而增強對位置估計的角度分辨率，代表工作有Tagoram和Mobitagbot。由于標簽或天線的移動需要時間，這種方法并不能立即提供位置估計，無法滿足快速的要求。
3. 基于寬帶跳頻定位。距離估計的分辨率和頻譜的帶寬成正比，以MIT的RFind，TurboTrack等工作為代表，使用跳頻、多OFDM等寬帶方案可以提高定位的精度和可靠度。但是這一類工作的并行度不夠，掃描并定位單個標簽常常需要幾秒，無法滿足物流場景快速的需求。同時，由于寬帶信號功率低，工作距離只能局限在1m左右。

研發(fā)團隊認為，想要從根本上克服現有技術路線的種種缺陷，同時滿足可靠、快速、大范圍的需求，需要全新的軟硬件協同方案和面向場景的針對性優(yōu)化。換言之，相比于現有RFID定位工作依賴商用讀寫器或軟件定義無線電，只有重新“造輪子”，才有可能實現全方位的性能提升。

RF-CHORD的技術路線和性能表現

一句話總結：RF-CHOR使用了并行多正弦載波的寬帶嗅探技術，利用多徑消除全息定位算法，實現可靠、快速和較大范圍的RFID定位。

并行多正弦載波的寬帶嗅探技術

并行多正弦載波的寬帶嗅探技術是RF-CHORD的核心技術。

寬帶是指RF-CHORD使用了比傳統(tǒng)UHF RFID寬得多的頻帶，頻帶的寬度和定位的距離分辨率成正比。UHF RFID被分配使用特定的頻帶，約10-20MHz（中國無線電管理委員會標準為840-845MHz和920-925MHz，美國FCC標準為902-928MHz）。RF-CHORD除了在法定頻帶的較窄頻帶進行通信外，還在800MHz-1GHz內的200MHz上發(fā)射極低功率信號（符合法規(guī)雜散發(fā)射功率要求）。

嗅探是指RF-CHORD同時使用兩個讀寫器，一個是常規(guī)的商用RFID讀寫器（窄帶讀寫器），另一個是特制的寬帶讀寫器。寬帶上的發(fā)射功率太低，無法激活標簽，也無法和標簽建立常規(guī)的鏈接。所以RF-CHORD使用一個傳統(tǒng)的窄帶讀寫器和標簽通信，同時寬帶讀寫器“暗搓搓”地發(fā)射自己的信號，并監(jiān)聽/嗅探反射回來的信號以估計標簽在寬帶上的響應。在這個過程中，RFID標簽是完全不知道自己被寬帶讀寫器“嗅探”的，相當于分離把通信與定位在物理層進行了分割。

并行多正弦載波是RF-CHORD使用的寬帶波形。RF-CHORD發(fā)射的寬帶信號是由并行發(fā)射的多個（論文中為16個）不同頻率的正弦波在頻譜上拼接而成的。這些正弦子載波本身的展寬很小，可以有效減少噪聲帶寬；它們分布在200MHz的頻譜上，可以還原出標簽在寬帶上的響應。正弦子載波設計使得系統(tǒng)同時具備窄帶和寬帶的優(yōu)點。為了實現這個設計目標，RF-CHORD利用高動態(tài)范圍ADC和大帶寬基帶芯片搭建了定制化射頻硬件，在盡可能前端的部分實現了信號的數字化，并還原出對應正弦波上的信號。

為了處理寬帶上微弱的信號，獲得相位信息，RF-CHORD設計了基于自適應波束成形、全包匹配、鎖相環(huán)時間對齊等一系列解調算法，成功實現了在低信噪比情況下的實時準確解調，為后端的定位、追蹤算法實時提供信道相位信息。

多徑消除全息定位算法

多徑效應是定位面臨的最大挑戰(zhàn)，即電磁波在傳播過程中可能會被環(huán)境物體反射、散射，污染接收信號的相位，干擾定位結果。RF-CHORD寬帶提供的距離分辨率有利于分辨出多條不同的傳播路徑，結合物流場景中對空間利用的約束（例如通道門設置的位置和方向），算法可以分辨出多條傳播路徑中正確的路徑。更進一步地，定位算法會對正確路徑進行特定距離的波束成形，增強正確路徑，消除其它路徑的影響，從多徑信號中提純正確路徑信號，實現高精度、高可靠的定位。

最終，多重增益加持的RF-CHORD實現了以下性能指標，可以完成物流場景的任務需求：

1. 可靠性。在99%情況下，RF-CHORD的定位誤差為1.07m。利用定位區(qū)分包裹是否在目標區(qū)域的部署實驗中，竄讀率為0.0025%~0.0154%（當前商用的impinj xSpan系統(tǒng)竄讀率約為2%）
2. 快速。RF-CHORD可以在單次掃描后完成高精度定位，從而實時輸出定位結果。寬帶掃描速度和窄帶商用讀寫器掃描速度基本持平，每秒可以定位100-200個標簽。
3. 較大范圍。盡管RF-CHORD的發(fā)射功率只有-35dBm，遠低于商用RFID超過20dBm的發(fā)射功率，但依然可以覆蓋約6m范圍，足以滿足通道門場景的需求。