UHF RFID到底能不能做高精度定位？

新一版的《2024中國RFID無源物聯網產業白皮書》調研正在進行中，目前已經參與調研的企業有：

深圳市國芯物聯科技有限公司

保點貿易(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

深圳市遠望谷信息技術股份有限公司

深圳市先施科技股份有限公司

上海復旦微電子集團股份有限公司

智匯芯聯微電子有限公司

ST意法半導體

無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

深圳市博緯智能識別科技有限公司

星沿科技(杭州)有限責任公司

平頭哥半導體有限公司

杭州美思特智能科技股份有限公司

深圳市思感物聯科技有限公司

威健國際貿易(上海)有限公司

深圳市銘琪智能卡技術有限公司

深圳市優博訊科技股份有限公司

巨心物聯網實驗室（深圳）有限公司

新大陸數字技術股份有限公司

廣東中世發智能科技股份有限公司

珠海晶通科技有限公司

東集技術股份有限公司

柯諾醫療供應鏈管理有限公司

上海世麥智能科技有限公司

立芯科技股份有限公司

廣州制聯物聯網科技有限公司

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（福建）有限公司

廈門信達物聯科技有限公司

廈門碩道物聯科技有限公司

廈門英諾爾電子科技股份有限公司

廈門銘標電子科技有限公司

科邁瑞(廈門)智能科技有限公司

創聯芯(廈門)科技有限公司

廈門佳聯捷信息科技有限公司

深圳市斯科信息技術有限公司

深圳市畢昇科技有限公司

深圳市斯科信息技術有限公司

深圳市勤業物聯科技有限公司

深圳市華信天線技術有限公司

南京中科微電子有限公司

南寧新歌山電子科技有限公司

珠海眾能科技發展有限公司

深圳市萬全智能技術有限公司

深圳遨游通訊設備有限公司

深圳市哈德勝精密科技股份有限公司

Xerafy (賽斐）

北京芯聯創展電子技術股份有限公司

上海飛聚微電子有限公司

美國意聯科技有限公司

Pragmatic Semiconductor

前段時間，我們RFID世界網公眾號發布過一篇文章上海交大用RFID實現厘米級定位，最便宜的高精度定位技術已經出現？，該文章發布后，在圈內引起了較大的反響討論。

筆者也在長期關注高精度定位這個市場，而就UHF RFID做高精度定位這個方案，筆者近日與包括上海交大的技術團隊在內的幾位專業人士進行了詳細的交流，所以，今天，我們就重點討論一下這個事。

1、UHF RFID到底可不可以做高精度定位

先說答案，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，核心的設備就是讀寫器采用相位陣列天線。關于相陣控天線的原理，甘泉老師的書《物聯網UHF RFID技術產品及應用》中有詳細描述，我們對相關內容進行引用。

相位列陣天線原理

相位列陣天線又叫相控陣天線，指的是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線。控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，以達到波束掃描的目的。可以簡單地理解為，傳統的天線只有一個固定的輻射圖，而列陣天線可以有多個不同方向的輻射圖。當超高頻RFID系統中使用了相位列陣天線后，可以將一個天線變成多個不同方向的天線，如下圖所示，為一個帶有相位列陣天線的網關輻射圖，原有的天線主瓣輻射軸θ=0°，對列陣天線中指定輻射單元進行相位調整后，其主瓣輻射軸會發生偏轉，最大可以偏轉45°。采用下圖方案的相位列陣網關，對比傳統方案，覆蓋范圍大幅增加，原有的3dB輻射角度為30°，現在變為120°。

相位列陣天線的網關輻射圖

相位列陣網關具體工作時可以理解為一個單端口閱讀器變成一個多端口閱讀器（相位存在多少種組合對應多少端口），原來單端口的閱讀器只能接一個天線，輻射范圍固定，而多端口閱讀器可以接許多個天線，且每個天線輻射的范圍不同，這個多端口閱讀器可以根據需求選擇需要掃描的區域啟動對應的端口發射信號通過對應的天線覆蓋指定的區域。

相位列陣天線定位功能

關于UHF RFID讀寫器的定位功能，以市場上常見兩款相位列陣網關：Impinj的xSpan和xArray為例。

xArray為一個正方形的相位列陣網關。當 xArray懸掛在屋頂時，其覆蓋區域為一個圓形，共8個扇區52個輻射區域，可以簡單地理解為一個52端口的閱讀器連接著52個不同輻射區域的天線。

 xArray的波束方向圖

xSpan為一個長方形的相位列陣網關。xSpan網關可以看做xArray的簡化版，當xSpan懸掛在屋頂時，其覆蓋的區域為一個長方形，共13個輻射區域，可以簡單的理解為一個13端口的閱讀器連接著13個不同輻射區域的天線。

  xSpan的波束方向圖

實際環境中相鄰編號的輻射區之間是相互重疊的，當多個編號的輻射區內都識別到同一個標簽時，可以通過RSSI大小計算出標簽的具體位置，計算過程為RSSI差轉化為距離差，再通過多點定位算法實現。當然標簽大概率落在RSSI值最大的輻射區內。

相位列陣網關最大的作用是定位，判斷物品的位置和運動情況。如下圖所示為xSpan和xArray可追蹤的標簽運動方式。其中xSpan只能追蹤一個軸方向的標簽運動，而xArray可以追蹤多個不同方向運動的標簽。

 相位列陣網關方向追蹤

為了保證追蹤物體的實時性，就需要保證天線切換的速度足夠快，即使每次切換50ms，xArray所有輻射區掃描一遍也需要2.5s的時間。因此在物品追蹤的應用中，應保證場內的標簽數量。如果需要高精度追蹤，最好標簽數量不超過20個；如果要實現高速追蹤，標簽數量也要不超過50個。

在實際測試中由于多種原因，存在一定的誤差，在沒有遮擋和反射的理想環境中實測數據為：有85%的概率誤差在1.5米之內。在復雜環境中該誤差會更大，尤其是零售商店等具有貨架、墻壁反射影響以及標簽的堆疊和擺放高度都會對測試精度產生很大影響。不過對比傳統的技術，采用相位列陣網關對于物品定位和尋找大大提高了精度和便利性。

除了Impinj的讀寫器設備之外，Zebra的 “ATR7000”也是一款主打實時高精度定位能力的UHF RFID讀寫器，且目前已經在海外很多項目有大規模的落地應用，不過筆者了解到，該方案的定位精度也是在1m左右。

而上海交大的科研團隊對于定位精度的優化主要體現在算法層面，在他們的方案中，首先需要通過Impinj這些廠商的讀寫器陣列天線讀取到標簽反射信號的相位信息，然后再基于相位信息，對定位算法優化。

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

2、UHF RFID高精度定位適用于哪些場景

UHF RFID的定位方案精度就按1m左右來算，也屬于高精度定位技術的范疇，目前市場上定位精度最好的無線定位技術就是UWB，其定位精度在理想環境可以做到厘米級，但是實際應用中，大概率也是分米級；而藍牙AoA定位精度也只是米級，藍牙下一代的定位技術“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。

那為何市場上目前主流的定位技術方案就是UWB與藍牙呢，筆者總結有以下幾個方面的原因：

第一、UHF RFID定位的讀寫器設備很貴，目前已知的幾款可以做高精度定位的UHF RFID讀寫器產品其單價換算成RMB在1W以上，這比藍牙的基站與UWB的基站價格都貴，如果要實現定位網絡的覆蓋，比如10m的距離布置一個，其成本可想而知。

第二，是受限于RFID標簽的場景，因為RFID標簽是無源的，如果要實現對這些標簽進行定位追蹤，首先就要讀到這些標簽，在實際應用中，有各種各樣的問題，比如標簽被遮擋、標簽處于金屬環境、標簽貼的位置與角度不當等多種問題，都有可能造成讀寫器讀取不到標簽，這樣定位也無可談起。

所以，雖然RFID Tag非常便宜，比藍牙Tag與UWB Tag便宜的多，但是其應用場景還是比較受限。筆者了解到，目前UHF RFID高精度定位方案的適用場景主要集中在倉儲物流場景。

第一是倉儲物流環境空曠，遮擋少，RFID標簽容易讀取。

第二是該場景的業務邏輯需要極低的Tag成本，因為倉儲物流的上一個環節與下一個環節大概率也是需要對這個物品進行追蹤的，比如從倉庫運輸到門店，這樣的Tag會跟著物品一直轉移，在下一個環節用手持機或者其他的固定式讀寫器讀取就行。

如果用UWB或者藍牙這樣的方案，雖然在倉儲環節可以用，但是該環節的上一個或者下一個流程在沒有UWB或者藍牙網絡環境就沒法用，帶來的結果就是整體的方案成本更高，這個業務邏輯就跟5G無源IoT要落地要找可以復用5G網絡的場景一樣。

3、UHF RFID高精度定位的未來暢想

最后，筆者聊聊關于UHF RFID高精度定位方案的個人想法。

關于UHF RFID高精度定位讀寫器很貴的問題，這個主要是產業鏈的原因，因為量少，所以從芯片到讀寫器成品的研發成本都很高，而一旦有量，筆者相信它的價格不會比UWB的基站貴。

而關于標簽的讀取問題，筆者認為這個點是限制UHF RFID高精度定位方案應用落地的最大障礙。

根據我們的了解，目前華為與運營商主推的5G蜂窩無源IoT方案或許在這個層面進行優化，當然5G蜂窩無源IoT目前標準還沒凍結，目前第一步還是實現它連接的能力，而未來的版本演進中，高精度定位可能就是重要的賣點了，因為從我們看到的市場需求來看，除了存在性的管理之外，位置信息的監測也是很多場景的核心業務流程。

產業的演進就是如此：不怕沒產品，就怕沒需求，只要有需求，相信市場上就會出現與之匹配的產品。