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

編者按：

阿里巴巴達(dá)摩院XG實(shí)驗(yàn)室與北京大學(xué)SOAR實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)了RF-CHORD系統(tǒng)，相關(guān)論文「RF-CHORD: Towards Deployable RFID Localization System for Logistics Network」已經(jīng)被頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議NSDI 2023（錄取率18.4%）正式接收。RF-CHORD是首款面向物流網(wǎng)絡(luò)的RFID定位系統(tǒng)，可以支撐物流、新零售、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景的自動(dòng)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(kù)、出庫(kù)和分揀時(shí)的掃描會(huì)消耗大量的人力和時(shí)間成本。當(dāng)貨車(chē)帶著一箱箱商品到達(dá)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，工人需要用掃碼槍掃描二維碼完成貨物入庫(kù)；當(dāng)有客戶(hù)下單時(shí)，工人需要分揀、掃描二維碼出庫(kù)裝箱。盡管每一次掃描只要幾秒鐘時(shí)間，但這樣的出入庫(kù)會(huì)在全物流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)若干次，考慮到阿里巴巴每年千億級(jí)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(dòng)化？大家可能在快遞網(wǎng)點(diǎn)見(jiàn)過(guò)自動(dòng)掃描二維碼的設(shè)備，它其實(shí)是半自動(dòng)的——需要人手動(dòng)調(diào)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(cāng)庫(kù)大量包裹出入庫(kù)時(shí)，手動(dòng)完成供包是很困難的。使用機(jī)械臂或者增加攝像頭和補(bǔ)光燈可以部分解決這個(gè)問(wèn)題，但每一個(gè)包裹出入庫(kù)的耗時(shí)并沒(méi)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(shù)方案本身的缺陷，造成了自動(dòng)化流程的困難？

RFID，另一種選擇

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

相比之下，RFID（射頻識(shí)別標(biāo)簽）是一種潛在的替代方案。RFID使用電磁波來(lái)探測(cè)電子標(biāo)簽，和刷門(mén)禁卡、刷工牌類(lèi)似。在物流場(chǎng)景使用的RFID是UHF RFID，工作在840-960MHz頻段。相比于二維碼標(biāo)簽幾乎為零的成本，UHF RFID的標(biāo)簽成本約為幾毛錢(qián)，但UHF RFID 可以有效實(shí)現(xiàn)快速、遠(yuǎn)距離、非視覺(jué)范圍內(nèi)的掃描，對(duì)全物流流程的運(yùn)轉(zhuǎn)效率有極大提升。很多公司都在推廣RFID電子標(biāo)簽，如沃爾瑪要求用RFID管理藥品和食品、優(yōu)衣庫(kù)的每一件衣服都有RFID標(biāo)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(méi)有掃描到目標(biāo)RFID，竄讀是掃描到了其它不在目標(biāo)范圍內(nèi)的RFID。

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

但也正是后向散射機(jī)制讓漏讀和竄讀成為了“兩難困境”。由于RFID標(biāo)簽天線的朝向不佳、反射信號(hào)微弱等原因，讀寫(xiě)器有時(shí)候會(huì)無(wú)法掃描到目標(biāo)標(biāo)簽，這就是漏讀。在物流倉(cāng)庫(kù)，漏讀往往意味著丟件，需要人工復(fù)核。通過(guò)提高讀寫(xiě)器的發(fā)射功率和接收的敏感度，可以減少漏讀。但此時(shí)又會(huì)發(fā)生竄讀。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的讀取能力提升了，部分響應(yīng)能力很強(qiáng)但不在目標(biāo)區(qū)域的標(biāo)簽也會(huì)被讀到，此時(shí)又只能降低發(fā)射功率和接收敏感度來(lái)減少竄讀。讀寫(xiě)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(shí)實(shí)現(xiàn)低漏讀和低竄讀。

定位打破兩難困境

XG實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇跳出這個(gè)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(gè)標(biāo)簽的具體位置，就不需要擔(dān)心竄讀，把不在目標(biāo)區(qū)域的標(biāo)簽排除掉即可。

實(shí)際上，RFID標(biāo)簽有定位的潛力。電磁波在傳播時(shí)相位會(huì)發(fā)生變化，這種變化記錄了傳播的路徑長(zhǎng)度。讀寫(xiě)器可以比對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收到的RFID反射信號(hào)以相位變化，進(jìn)而推算出RFID標(biāo)簽的距離。

RFID定位在近年來(lái)的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣受關(guān)注，但是為什么沒(méi)有在物流場(chǎng)景得到廣泛應(yīng)用呢？XG實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這是由于物流場(chǎng)景的特殊性造成的。物流場(chǎng)景下的RFID定位需要滿(mǎn)足可靠、快速、大范圍這三個(gè)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(jié)合設(shè)置安全區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的可靠分類(lèi)。
2. 快速。定位的吞吐速度達(dá)到每秒上百個(gè)，確保載貨拖車(chē)入庫(kù)過(guò)程中無(wú)需停頓。
3. 較大范圍。工作范圍足夠覆蓋倉(cāng)庫(kù)通道門(mén)（例如3m以上）。

可是，已有工作從根本上難以同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)要求。具體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的技術(shù)路線可以分為三類(lèi)：

1. 單次掃描單信道估計(jì)。利用單次標(biāo)簽掃描獲得的信號(hào)強(qiáng)度或者相位進(jìn)行定位，其定位速度和標(biāo)簽掃描速度持平，可以達(dá)到每秒100次以上，覆蓋范圍可以達(dá)到10m。但是由于只有一個(gè)信道進(jìn)行位置估計(jì)，準(zhǔn)確度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠定位。
2. 基于合成孔徑雷達(dá)定位。通過(guò)天線或者標(biāo)簽的移動(dòng)來(lái)虛擬出多個(gè)天線，從而增強(qiáng)對(duì)位置估計(jì)的角度分辨率，代表工作有Tagoram和Mobitagbot。由于標(biāo)簽或天線的移動(dòng)需要時(shí)間，這種方法并不能立即提供位置估計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足快速的要求。
3. 基于寬帶跳頻定位。距離估計(jì)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(lèi)工作的并行度不夠，掃描并定位單個(gè)標(biāo)簽常常需要幾秒，無(wú)法滿(mǎn)足物流場(chǎng)景快速的需求。同時(shí)，由于寬帶信號(hào)功率低，工作距離只能局限在1m左右。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，想要從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)路線的種種缺陷，同時(shí)滿(mǎn)足可靠、快速、大范圍的需求，需要全新的軟硬件協(xié)同方案和面向場(chǎng)景的針對(duì)性?xún)?yōu)化。換言之，相比于現(xiàn)有RFID定位工作依賴(lài)商用讀寫(xiě)器或軟件定義無(wú)線電，只有重新“造輪子”，才有可能實(shí)現(xiàn)全方位的性能提升。

RF-CHORD的技術(shù)路線和性能表現(xiàn)

一句話總結(jié)：RF-CHOR使用了并行多正弦載波的寬帶嗅探技術(shù)，利用多徑消除全息定位算法，實(shí)現(xiàn)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(shù)

并行多正弦載波的寬帶嗅探技術(shù)是RF-CHORD的核心技術(shù)。

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(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)為840-845MHz和920-925MHz，美國(guó)FCC標(biāo)準(zhǔn)為902-928MHz）。RF-CHORD除了在法定頻帶的較窄頻帶進(jìn)行通信外，還在800MHz-1GHz內(nèi)的200MHz上發(fā)射極低功率信號(hào)（符合法規(guī)雜散發(fā)射功率要求）。

嗅探是指RF-CHORD同時(shí)使用兩個(gè)讀寫(xiě)器，一個(gè)是常規(guī)的商用RFID讀寫(xiě)器（窄帶讀寫(xiě)器），另一個(gè)是特制的寬帶讀寫(xiě)器。寬帶上的發(fā)射功率太低，無(wú)法激活標(biāo)簽，也無(wú)法和標(biāo)簽建立常規(guī)的鏈接。所以RF-CHORD使用一個(gè)傳統(tǒng)的窄帶讀寫(xiě)器和標(biāo)簽通信，同時(shí)寬帶讀寫(xiě)器“暗搓搓”地發(fā)射自己的信號(hào)，并監(jiān)聽(tīng)/嗅探反射回來(lái)的信號(hào)以估計(jì)標(biāo)簽在寬帶上的響應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，RFID標(biāo)簽是完全不知道自己被寬帶讀寫(xiě)器“嗅探”的，相當(dāng)于分離把通信與定位在物理層進(jìn)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(hào)是由并行發(fā)射的多個(gè)（論文中為16個(gè)）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(biāo)簽在寬帶上的響應(yīng)。正弦子載波設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)同時(shí)具備窄帶和寬帶的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，RF-CHORD利用高動(dòng)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字化，并還原出對(duì)應(yīng)正弦波上的信號(hào)。

為了處理寬帶上微弱的信號(hào)，獲得相位信息，RF-CHORD設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)波束成形、全包匹配、鎖相環(huán)時(shí)間對(duì)齊等一系列解調(diào)算法，成功實(shí)現(xiàn)了在低信噪比情況下的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確解調(diào)，為后端的定位、追蹤算法實(shí)時(shí)提供信道相位信息。

多徑消除全息定位算法

多徑效應(yīng)是定位面臨的最大挑戰(zhàn)，即電磁波在傳播過(guò)程中可能會(huì)被環(huán)境物體反射、散射，污染接收信號(hào)的相位，干擾定位結(jié)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(jié)合物流場(chǎng)景中對(duì)空間利用的約束（例如通道門(mén)設(shè)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(jìn)一步地，定位算法會(huì)對(duì)正確路徑進(jìn)行特定距離的波束成形，增強(qiáng)正確路徑，消除其它路徑的影響，從多徑信號(hào)中提純正確路徑信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠的定位。

最終，多重增益加持的RF-CHORD實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo)，可以完成物流場(chǎng)景的任務(wù)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(biāo)區(qū)域的部署實(shí)驗(yàn)中，竄讀率為0.0025%~0.0154%（當(dāng)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(shí)時(shí)輸出定位結(jié)果。寬帶掃描速度和窄帶商用讀寫(xiě)器掃描速度基本持平，每秒可以定位100-200個(gè)標(biāo)簽。
3. 較大范圍。盡管RF-CHORD的發(fā)射功率只有-35dBm，遠(yuǎn)低于商用RFID超過(guò)20dBm的發(fā)射功率，但依然可以覆蓋約6m范圍，足以滿(mǎn)足通道門(mén)場(chǎng)景的需求。