UHF RFID到底能不能做高精度定位？

新一版的《2024中國(guó)RFID無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》調(diào)研正在進(jìn)行中，目前已經(jīng)參與調(diào)研的企業(yè)有：

深圳市國(guó)芯物聯(lián)科技有限公司

保點(diǎn)貿(mào)易(上海)有限公司

先訊美資(上海)科技有限公司

四川凱路威科技有限公司

深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司

深圳市先施科技股份有限公司

上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司

智匯芯聯(lián)微電子有限公司

ST意法半導(dǎo)體

無(wú)錫旗連電子科技有限公司

上海坤銳電子科技有限公司

江蘇安智博電子科技有限公司

深圳市博緯智能識(shí)別科技有限公司

星沿科技(杭州)有限責(zé)任公司

平頭哥半導(dǎo)體有限公司

杭州美思特智能科技股份有限公司

深圳市思感物聯(lián)科技有限公司

威健國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司

深圳市銘琪智能卡技術(shù)有限公司

深圳市優(yōu)博訊科技股份有限公司

巨心物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室（深圳）有限公司

新大陸數(shù)字技術(shù)股份有限公司

廣東中世發(fā)智能科技股份有限公司

珠海晶通科技有限公司

東集技術(shù)股份有限公司

柯諾醫(yī)療供應(yīng)鏈管理有限公司

上海世麥智能科技有限公司

立芯科技股份有限公司

廣州制聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司

江蘇富勤電子材料有限公司

深圳源明杰科技股份有限公司

深圳特新界面科技有限公司

澳普物聯(lián)（福建）有限公司

廈門信達(dá)物聯(lián)科技有限公司

廈門碩道物聯(lián)科技有限公司

廈門英諾爾電子科技股份有限公司

廈門銘標(biāo)電子科技有限公司

科邁瑞(廈門)智能科技有限公司

創(chuàng)聯(lián)芯(廈門)科技有限公司

廈門佳聯(lián)捷信息科技有限公司

深圳市斯科信息技術(shù)有限公司

深圳市畢昇科技有限公司

深圳市斯科信息技術(shù)有限公司

深圳市勤業(yè)物聯(lián)科技有限公司

深圳市華信天線技術(shù)有限公司

南京中科微電子有限公司

南寧新歌山電子科技有限公司

珠海眾能科技發(fā)展有限公司

深圳市萬(wàn)全智能技術(shù)有限公司

深圳遨游通訊設(shè)備有限公司

深圳市哈德勝精密科技股份有限公司

Xerafy (賽斐）

北京芯聯(lián)創(chuàng)展電子技術(shù)股份有限公司

上海飛聚微電子有限公司

美國(guó)意聯(lián)科技有限公司

Pragmatic Semiconductor

前段時(shí)間，我們RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)發(fā)布過(guò)一篇文章上海交大用RFID實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，最便宜的高精度定位技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)？，該文章發(fā)布后，在圈內(nèi)引起了較大的反響討論。

筆者也在長(zhǎng)期關(guān)注高精度定位這個(gè)市場(chǎng)，而就UHF RFID做高精度定位這個(gè)方案，筆者近日與包括上海交大的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的幾位專業(yè)人士進(jìn)行了詳細(xì)的交流，所以，今天，我們就重點(diǎn)討論一下這個(gè)事。

1、UHF RFID到底可不可以做高精度定位

先說(shuō)答案，UHF RFID是可以做高精度定位的，但是精度在1米左右。

用UHF RFID做定位方案，核心的設(shè)備就是讀寫器采用相位陣列天線。關(guān)于相陣控天線的原理，甘泉老師的書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)產(chǎn)品及應(yīng)用》中有詳細(xì)描述，我們對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行引用。

相位列陣天線原理

相位列陣天線又叫相控陣天線，指的是通過(guò)控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來(lái)改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向，以達(dá)到波束掃描的目的?？梢院?jiǎn)單地理解為，傳統(tǒng)的天線只有一個(gè)固定的輻射圖，而列陣天線可以有多個(gè)不同方向的輻射圖。當(dāng)超高頻RFID系統(tǒng)中使用了相位列陣天線后，可以將一個(gè)天線變成多個(gè)不同方向的天線，如下圖所示，為一個(gè)帶有相位列陣天線的網(wǎng)關(guān)輻射圖，原有的天線主瓣輻射軸θ=0°，對(duì)列陣天線中指定輻射單元進(jìn)行相位調(diào)整后，其主瓣輻射軸會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大可以偏轉(zhuǎn)45°。采用下圖方案的相位列陣網(wǎng)關(guān)，對(duì)比傳統(tǒng)方案，覆蓋范圍大幅增加，原有的3dB輻射角度為30°，現(xiàn)在變?yōu)?20°。

相位列陣天線的網(wǎng)關(guān)輻射圖

相位列陣網(wǎng)關(guān)具體工作時(shí)可以理解為一個(gè)單端口閱讀器變成一個(gè)多端口閱讀器（相位存在多少種組合對(duì)應(yīng)多少端口），原來(lái)單端口的閱讀器只能接一個(gè)天線，輻射范圍固定，而多端口閱讀器可以接許多個(gè)天線，且每個(gè)天線輻射的范圍不同，這個(gè)多端口閱讀器可以根據(jù)需求選擇需要掃描的區(qū)域啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的端口發(fā)射信號(hào)通過(guò)對(duì)應(yīng)的天線覆蓋指定的區(qū)域。

相位列陣天線定位功能

關(guān)于UHF RFID讀寫器的定位功能，以市場(chǎng)上常見(jiàn)兩款相位列陣網(wǎng)關(guān)：Impinj的xSpan和xArray為例。

xArray為一個(gè)正方形的相位列陣網(wǎng)關(guān)。當(dāng) xArray懸掛在屋頂時(shí)，其覆蓋區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)圓形，共8個(gè)扇區(qū)52個(gè)輻射區(qū)域，可以簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)52端口的閱讀器連接著52個(gè)不同輻射區(qū)域的天線。

 xArray的波束方向圖

xSpan為一個(gè)長(zhǎng)方形的相位列陣網(wǎng)關(guān)。xSpan網(wǎng)關(guān)可以看做xArray的簡(jiǎn)化版，當(dāng)xSpan懸掛在屋頂時(shí)，其覆蓋的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方形，共13個(gè)輻射區(qū)域，可以簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)13端口的閱讀器連接著13個(gè)不同輻射區(qū)域的天線。

  xSpan的波束方向圖

實(shí)際環(huán)境中相鄰編號(hào)的輻射區(qū)之間是相互重疊的，當(dāng)多個(gè)編號(hào)的輻射區(qū)內(nèi)都識(shí)別到同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，可以通過(guò)RSSI大小計(jì)算出標(biāo)簽的具體位置，計(jì)算過(guò)程為RSSI差轉(zhuǎn)化為距離差，再通過(guò)多點(diǎn)定位算法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然標(biāo)簽大概率落在RSSI值最大的輻射區(qū)內(nèi)。

相位列陣網(wǎng)關(guān)最大的作用是定位，判斷物品的位置和運(yùn)動(dòng)情況。如下圖所示為xSpan和xArray可追蹤的標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)方式。其中xSpan只能追蹤一個(gè)軸方向的標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)，而xArray可以追蹤多個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)的標(biāo)簽。

 相位列陣網(wǎng)關(guān)方向追蹤

為了保證追蹤物體的實(shí)時(shí)性，就需要保證天線切換的速度足夠快，即使每次切換50ms，xArray所有輻射區(qū)掃描一遍也需要2.5s的時(shí)間。因此在物品追蹤的應(yīng)用中，應(yīng)保證場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量。如果需要高精度追蹤，最好標(biāo)簽數(shù)量不超過(guò)20個(gè)；如果要實(shí)現(xiàn)高速追蹤，標(biāo)簽數(shù)量也要不超過(guò)50個(gè)。

在實(shí)際測(cè)試中由于多種原因，存在一定的誤差，在沒(méi)有遮擋和反射的理想環(huán)境中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：有85%的概率誤差在1.5米之內(nèi)。在復(fù)雜環(huán)境中該誤差會(huì)更大，尤其是零售商店等具有貨架、墻壁反射影響以及標(biāo)簽的堆疊和擺放高度都會(huì)對(duì)測(cè)試精度產(chǎn)生很大影響。不過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的技術(shù)，采用相位列陣網(wǎng)關(guān)對(duì)于物品定位和尋找大大提高了精度和便利性。

除了Impinj的讀寫器設(shè)備之外，Zebra的 “ATR7000”也是一款主打?qū)崟r(shí)高精度定位能力的UHF RFID讀寫器，且目前已經(jīng)在海外很多項(xiàng)目有大規(guī)模的落地應(yīng)用，不過(guò)筆者了解到，該方案的定位精度也是在1m左右。

而上海交大的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)于定位精度的優(yōu)化主要體現(xiàn)在算法層面，在他們的方案中，首先需要通過(guò)Impinj這些廠商的讀寫器陣列天線讀取到標(biāo)簽反射信號(hào)的相位信息，然后再基于相位信息，對(duì)定位算法優(yōu)化。

此前新聞報(bào)道的厘米級(jí)定位精度是其比較理想環(huán)境下達(dá)到的效果，要達(dá)到這樣的精度，需要很多特定的條件，而如果在一般環(huán)境中，基于算法的優(yōu)化，將UHF RFID定位方案的定位精度從1米左右提升到分米級(jí)就是較大的突破。

2、UHF RFID高精度定位適用于哪些場(chǎng)景

UHF RFID的定位方案精度就按1m左右來(lái)算，也屬于高精度定位技術(shù)的范疇，目前市場(chǎng)上定位精度最好的無(wú)線定位技術(shù)就是UWB，其定位精度在理想環(huán)境可以做到厘米級(jí)，但是實(shí)際應(yīng)用中，大概率也是分米級(jí)；而藍(lán)牙AoA定位精度也只是米級(jí)，藍(lán)牙下一代的定位技術(shù)“Channel Sounding”其精度也大約是1m左右，所以，UHF RFID的定位精度已不算差。

那為何市場(chǎng)上目前主流的定位技術(shù)方案就是UWB與藍(lán)牙呢，筆者總結(jié)有以下幾個(gè)方面的原因：

第一、UHF RFID定位的讀寫器設(shè)備很貴，目前已知的幾款可以做高精度定位的UHF RFID讀寫器產(chǎn)品其單價(jià)換算成RMB在1W以上，這比藍(lán)牙的基站與UWB的基站價(jià)格都貴，如果要實(shí)現(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，比如10m的距離布置一個(gè)，其成本可想而知。

第二，是受限于RFID標(biāo)簽的場(chǎng)景，因?yàn)镽FID標(biāo)簽是無(wú)源的，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些標(biāo)簽進(jìn)行定位追蹤，首先就要讀到這些標(biāo)簽，在實(shí)際應(yīng)用中，有各種各樣的問(wèn)題，比如標(biāo)簽被遮擋、標(biāo)簽處于金屬環(huán)境、標(biāo)簽貼的位置與角度不當(dāng)?shù)榷喾N問(wèn)題，都有可能造成讀寫器讀取不到標(biāo)簽，這樣定位也無(wú)可談起。

所以，雖然RFID Tag非常便宜，比藍(lán)牙Tag與UWB Tag便宜的多，但是其應(yīng)用場(chǎng)景還是比較受限。筆者了解到，目前UHF RFID高精度定位方案的適用場(chǎng)景主要集中在倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景。

第一是倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境空曠，遮擋少，RFID標(biāo)簽容易讀取。

第二是該場(chǎng)景的業(yè)務(wù)邏輯需要極低的Tag成本，因?yàn)閭}(cāng)儲(chǔ)物流的上一個(gè)環(huán)節(jié)與下一個(gè)環(huán)節(jié)大概率也是需要對(duì)這個(gè)物品進(jìn)行追蹤的，比如從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸?shù)介T店，這樣的Tag會(huì)跟著物品一直轉(zhuǎn)移，在下一個(gè)環(huán)節(jié)用手持機(jī)或者其他的固定式讀寫器讀取就行。

如果用UWB或者藍(lán)牙這樣的方案，雖然在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)可以用，但是該環(huán)節(jié)的上一個(gè)或者下一個(gè)流程在沒(méi)有UWB或者藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)環(huán)境就沒(méi)法用，帶來(lái)的結(jié)果就是整體的方案成本更高，這個(gè)業(yè)務(wù)邏輯就跟5G無(wú)源IoT要落地要找可以復(fù)用5G網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景一樣。

3、UHF RFID高精度定位的未來(lái)暢想

最后，筆者聊聊關(guān)于UHF RFID高精度定位方案的個(gè)人想法。

關(guān)于UHF RFID高精度定位讀寫器很貴的問(wèn)題，這個(gè)主要是產(chǎn)業(yè)鏈的原因，因?yàn)榱可?，所以從芯片到讀寫器成品的研發(fā)成本都很高，而一旦有量，筆者相信它的價(jià)格不會(huì)比UWB的基站貴。

而關(guān)于標(biāo)簽的讀取問(wèn)題，筆者認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是限制UHF RFID高精度定位方案應(yīng)用落地的最大障礙。

根據(jù)我們的了解，目前華為與運(yùn)營(yíng)商主推的5G蜂窩無(wú)源IoT方案或許在這個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)然5G蜂窩無(wú)源IoT目前標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)凍結(jié)，目前第一步還是實(shí)現(xiàn)它連接的能力，而未來(lái)的版本演進(jìn)中，高精度定位可能就是重要的賣點(diǎn)了，因?yàn)閺奈覀兛吹降氖袌?chǎng)需求來(lái)看，除了存在性的管理之外，位置信息的監(jiān)測(cè)也是很多場(chǎng)景的核心業(yè)務(wù)流程。

產(chǎn)業(yè)的演進(jìn)就是如此：不怕沒(méi)產(chǎn)品，就怕沒(méi)需求，只要有需求，相信市場(chǎng)上就會(huì)出現(xiàn)與之匹配的產(chǎn)品。