市場(chǎng)技術(shù)綜述 | 5G室內(nèi)融合定位
5G 催生萬(wàn)物創(chuàng)新，帶來(lái)了豐富的業(yè)務(wù)模式，推開(kāi)了室內(nèi)定位的市場(chǎng)需求大門。室內(nèi)作為萬(wàn)物互聯(lián)的另一重要應(yīng)用場(chǎng)景，其網(wǎng)絡(luò)的完善成熟發(fā)展是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)決勝關(guān)鍵。室內(nèi)應(yīng)用多樣化，網(wǎng)絡(luò)需要滿足業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性、定位能力等多方面訴求。
目前室內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)展遇到種種挑戰(zhàn):?場(chǎng)景的復(fù)雜性，商業(yè)化室內(nèi)應(yīng)用的智能化需求，新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟(jì)對(duì)室內(nèi)數(shù)據(jù)的需求，室內(nèi)數(shù)據(jù)更新，室內(nèi)定位精度提升等等。只有各種不同定位技術(shù)方案相互融合，才能滿足垂直行業(yè)應(yīng)用各種定位精度的位置服務(wù)需求。
主要應(yīng)用場(chǎng)景
目前，無(wú)線蜂窩、藍(lán)牙、UWB、Wi-Fi、紅外等各種室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)慢慢滲透進(jìn)入到企業(yè)服務(wù)、政府與公共服務(wù)領(lǐng)域。在各種行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，主要分為對(duì)人的定位和對(duì)物的定位。
在To B場(chǎng)景下，如智能制造、倉(cāng)儲(chǔ)物理、電力能源、公檢法司等，主要面向物的定位，提供AGV導(dǎo)航、資產(chǎn)追蹤管理、電子圍欄等服務(wù)，定位終端通?？紤]為專用標(biāo)簽，這些場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需要為了特定客戶和場(chǎng)景部署不同定制應(yīng)用，建議定位業(yè)務(wù)主動(dòng)權(quán)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，同時(shí)定位終端考慮低成本、低功耗。
在To C場(chǎng)景下，如博物展覽、智慧商超、交通樞紐等，主要面向人的定位，提供室內(nèi)導(dǎo)航、導(dǎo)覽業(yè)務(wù)等服務(wù)，定位終端通?？紤]使用手機(jī)終端；同時(shí)這些場(chǎng)景下需要普適業(yè)務(wù)，定位業(yè)務(wù)考慮定位主動(dòng)權(quán)在用戶側(cè)，尊重和保護(hù)個(gè)人隱私。
需要根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)際需求、應(yīng)用范圍、定位精度、成本要求、終端功耗等具體實(shí)際分析使用適合的定位技術(shù)。
主要定位技術(shù)
定位系統(tǒng)分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層(定位網(wǎng)絡(luò)&通訊網(wǎng)絡(luò))、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)層。5G網(wǎng)絡(luò)浪潮的到來(lái)，為定位端到端產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)機(jī)遇，為了滿足各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的特性需求，對(duì)定位精度要求、靈活性、可復(fù)制性、維護(hù)性等方面提出新的要求。
GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等傳統(tǒng)GPS定位方式，在室內(nèi)環(huán)境存在較大局限，無(wú)法滿足各行各業(yè)室內(nèi)應(yīng)用的需求，各種室內(nèi)定位技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)。目前主流的幾種室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙定位、蜂窩定位、UWB定位、WIFI定位、SLAM定位等。
藍(lán)牙定位技術(shù)
藍(lán)牙定位技術(shù)主要包括三大類：
傳統(tǒng)藍(lán)牙iBeacon定位?iBeacon藍(lán)牙信標(biāo)周期廣播包含iBeacon的UUID等信息數(shù)據(jù)包，當(dāng)開(kāi)啟藍(lán)牙終端進(jìn)入藍(lán)牙信標(biāo)覆蓋的區(qū)域，藍(lán)牙終端接收到廣播包，根據(jù)RSSI算法計(jì)算出藍(lán)牙終端到iBeacon的粗略距離。
藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)定位?藍(lán)牙定位終端周期廣播包含藍(lán)牙終端的UUID等信息數(shù)據(jù)包，藍(lán)牙定位網(wǎng)關(guān)接收廣播包，并將數(shù)據(jù)回傳到定位服務(wù)器，定位服務(wù)器根據(jù)RSSI算法計(jì)算出藍(lán)牙終端到藍(lán)牙定位網(wǎng)關(guān)的粗略距離。
藍(lán)牙AoA定位?藍(lán)牙定位基站使用天線陣列接收藍(lán)牙信號(hào)，計(jì)算出藍(lán)牙信號(hào)到達(dá)角(AoA)。藍(lán)牙定位基站將數(shù)據(jù)回傳到服務(wù)器， 服務(wù)器可以利用已知的藍(lán)牙定位基站高度h、到達(dá)角AoA計(jì)算出藍(lán)牙終端的位置。
蜂窩定位技術(shù)
蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)主要有兩種:
基站估算定位法
NCGI粗定位 使用UE所在5G小區(qū)的位置信息來(lái)粗略估計(jì)UE的位置。
E-CID定位法 在Cell ID定位方法的基礎(chǔ)上使用UE和/或E- UTRAN測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。
NR E-CID定位 使用額外的UE測(cè)量、NR無(wú)線測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)UE位置估計(jì)精度的技術(shù)。
?時(shí)間測(cè)量定位法
OTDoA 觀察到達(dá)時(shí)間差
UL TDoA 上行到達(dá)時(shí)間差
DL TDoA 下行到達(dá)時(shí)間差
Multi-RTT 多小區(qū)往返時(shí)間定位法
?角度測(cè)量定位方法
DL AoD 下行角度定位法
UL AoA?到達(dá)角度定位法
?基站估算定位技術(shù)方案簡(jiǎn)單，適用性廣，可以在蜂窩基站的覆蓋范圍內(nèi)定位到用戶的位置，但精度較差。
隨著5G時(shí)代RTT、TDOA(OTDOA/UTDOA)、 AoA/AoD等技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，蜂窩技術(shù)的定位精度有望進(jìn)一步提高。
UWB定位技術(shù)
UWB是一種無(wú)載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，頻率高，功耗低，多徑分辨能力強(qiáng)，對(duì)信道衰落不敏感，特別適合室內(nèi)定位領(lǐng)域應(yīng)用。
UWB定位技術(shù)中常用的定位算法有TOF、TDOA等，將這兩種算法有機(jī)結(jié)合，可以得到更好的適用性，并保持高精度的定位效果。
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WIFI定位技術(shù)
Wi-Fi的定位應(yīng)用以前主要有兩種方式：
Wi-Fi指紋庫(kù)定位：充分利用Wi-Fi信號(hào)無(wú)處不在的便利，預(yù)先構(gòu)建無(wú)線信 號(hào)指紋庫(kù)。指紋庫(kù)主要通過(guò)收集區(qū)域內(nèi)Wi-Fi信號(hào)的標(biāo)識(shí)信息(BSSID)和信號(hào)強(qiáng)度信息，結(jié) 合采樣點(diǎn)位置信息來(lái)產(chǎn)生。
Wi-Fi基站定位：Wi-Fi基站同時(shí)作為定位基站使用，Wi-Fi基站通過(guò)獲取移動(dòng)設(shè)備發(fā) 射信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，估算出設(shè)備的相對(duì)距離。
隨著Wi-Fi技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是WiFi5和WiFi6技術(shù)的成熟，Wi-Fi作為定位技術(shù)有了新的突破，其中兩個(gè)精度達(dá)到亞米級(jí)的定位技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用中:
Wi-Fi 信號(hào)到達(dá)角度(AoA)技術(shù)?AoA技術(shù)在信號(hào)接收端使用特殊設(shè)計(jì)的天線陣列， 利用無(wú)線波形的相差計(jì)算出信號(hào)到達(dá)角度。
Wi-Fi信號(hào)飛行時(shí)間(TOF)技術(shù)?TOF技術(shù)通過(guò)獲取無(wú)線信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)估算無(wú)線基 站和設(shè)備間的距離。
以上四種Wi-Fi定位技術(shù)既可單獨(dú)使用，也可組合使用，從而提供單基站定位，自學(xué)習(xí)定位等更多樣式的定位服務(wù)。隨著Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展，這些定位技術(shù)性能還將不斷提升，硬件成本不斷降低，使Wi-Fi定位繼續(xù)成為一個(gè)重要的無(wú)線定位手段。
SLAM定位
SLAM(同時(shí)定位與地圖構(gòu)建)技術(shù)概念始于上個(gè)世紀(jì)九十年代，研究運(yùn)動(dòng)體在陌生環(huán)境中同時(shí)完成定位與地圖構(gòu)建的工作。
按照傳感器區(qū)分，SLAM主要包括激光SLAM和VSLAM(視覺(jué)SLAM)。激光SLAM使用激光雷達(dá)獲取周圍環(huán)境信息，這種方案起步較早，較為成熟。視覺(jué)SLAM使用攝像頭獲取周圍環(huán)境信息，根據(jù)圖像和位置構(gòu)建地圖，生成點(diǎn)云地圖，后續(xù)實(shí)時(shí)拍攝圖片和構(gòu)建的點(diǎn)云地圖進(jìn)行匹配從而進(jìn)行定位。得益于攝像頭、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，SLAM方案有了快速的發(fā)展。能獲取到較高的定位精度，但成本相對(duì)較高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性有待進(jìn)一步提升。
定位解決方案
5G 室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可以與多種室內(nèi)定位技術(shù)融合，一起提供面向5G 網(wǎng)絡(luò)的多層次融合定位解決方案，在定位精度以及覆蓋范圍上實(shí)現(xiàn)性能的整體提升。
5G 室內(nèi)融合定位架構(gòu)利用定位和通訊基站共部署、融合定位解算平臺(tái)、應(yīng)用業(yè)務(wù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，提供室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景解決方案，期望降低整體部署、維護(hù)成本要求，滿足各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的定位多樣化的需求。
5G NR 定位
5G NR定位基于5G蜂窩通訊網(wǎng)的定位技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)為終端提供無(wú)線通訊功能同時(shí)提供定位服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下通訊和定位需求，滿足企業(yè)、個(gè)人用戶應(yīng)用的需求，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同時(shí)提供位置增值服務(wù)。5GNR基站結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬和多波束 特性，可以支持multi-RTT、AoA 和OTDOA 等多種定位技術(shù)。
5G+UWB/藍(lán)牙 AOA 高精度室內(nèi)定位
5G融合UWB/藍(lán)牙AoA定位方案定位基站連接5G智能室分的級(jí)聯(lián)口，提供定位基站設(shè)備的供電，同時(shí)UWB/藍(lán)牙AoA基站的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)5G智能室分系統(tǒng)(BBU、PB和PRRU)，最終傳輸?shù)讲渴鹪贛EC上定位解算服務(wù)。
5G+傳統(tǒng)藍(lán)牙室內(nèi)定位
5G+藍(lán)牙定位方案，共部署、共維護(hù)，通訊+定位結(jié)合使用，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)維成本低，已經(jīng)成為智能手機(jī)標(biāo)配的硬件設(shè)備，藍(lán)牙iBeacon定位被應(yīng)用于室內(nèi)定位的場(chǎng)景應(yīng)用中。
5G+Wi-Fi 室內(nèi)定位
Wi-Fi基站和5G采用緊耦合的方式，利用5G皮基站的供電和數(shù)據(jù)接口，既可提供無(wú)線接入服務(wù)，也可提供亞米級(jí)定位服務(wù)，可以大大節(jié)約部署維護(hù)成本，同時(shí)MEC提供統(tǒng)一的定位融合平臺(tái)和管理平臺(tái)，靈活滿足各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求。
5G+SLAM 融合定位
5G+SLAM+邊緣云的融合定位方案，5G網(wǎng)絡(luò)提供大帶寬、低時(shí)延、高可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以滿足SLAM云化數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)訴求，優(yōu)勢(shì)包括:云上計(jì)算，終端設(shè)備成本更低，5G輔助定位，減少位置丟失。
應(yīng)用示例
汽車裝配
汽車裝配是智能制造典型的具體應(yīng)用場(chǎng)景，需要通過(guò)實(shí)時(shí)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間流水線每輛汽車的全程追溯及作業(yè)過(guò)程的高度透明可視化，規(guī)范作業(yè)流程的同時(shí)，大幅提高作業(yè)效率。
5G+藍(lán)牙AOA高精度室內(nèi)定位方案通過(guò)位置解算引擎將定位微基站回傳的數(shù)據(jù)，依靠高角度分辨率的專利算法，解算出標(biāo)簽位置坐標(biāo)，解算引擎部署在MEC，可發(fā)揮5G網(wǎng)路高速率、低時(shí)延、大連接的優(yōu)勢(shì)，提升網(wǎng)絡(luò)利用效率和增值價(jià)值。具體應(yīng)用功能包括:?實(shí)現(xiàn)在裝修車輛的實(shí)時(shí)定位及信息自動(dòng)化推送，返修車輛狀態(tài)跟蹤，工器具防錯(cuò)。該方案既有效解決汽車裝配場(chǎng)景大規(guī)模標(biāo)簽應(yīng)用的高成本與并發(fā)容量不足的問(wèn)題，通過(guò)5G的大帶寬、低時(shí)延技術(shù)特性，解決定位數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，同時(shí)5G基站和藍(lán)牙基站共部署，共數(shù)據(jù)傳輸通道，大大降低部署及維護(hù)成本。
商場(chǎng)應(yīng)用
商場(chǎng)需要構(gòu)建可視化室內(nèi)地圖應(yīng)用平臺(tái)，將商場(chǎng)、人、產(chǎn)品、數(shù)據(jù)融合于室內(nèi)地圖應(yīng)用中，為消費(fèi)者提供路徑規(guī)劃、跨樓層導(dǎo)航、跨平臺(tái)(APP/微信/web)應(yīng)用等服務(wù)，完成室內(nèi)導(dǎo)航、運(yùn)營(yíng)支撐、停車服務(wù)等客戶需求，同時(shí)也需要滿足商場(chǎng)本身的管理、營(yíng)銷需求。
本場(chǎng)景定位精度要求3~5米，5G NR場(chǎng)強(qiáng)定位方案可以滿足業(yè)務(wù)需求。5G網(wǎng)絡(luò)不僅提供通訊服務(wù)同時(shí)提供定位服務(wù)。定位解算平臺(tái)MEC 部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)商場(chǎng)樓層、停車場(chǎng)等區(qū)域定位覆蓋。應(yīng)用場(chǎng)景包括：查詢導(dǎo)購(gòu)，商場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，共享停車等應(yīng)用中停車引導(dǎo)，反向?qū)ぼ嚒?/strong>方案大大降低了部署成本，滿足商場(chǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)的位置服務(wù)需求。
5G室內(nèi)定位典型應(yīng)用案例還包括醫(yī)療應(yīng)用（5G+藍(lán)牙融合定位）、倉(cāng)儲(chǔ)物流（5G+藍(lán)牙5.1定位融合技術(shù)）、機(jī)場(chǎng)（5G網(wǎng)絡(luò)+藍(lán)牙定位融合技術(shù)）、電力能源（5G網(wǎng)絡(luò)通訊和UWB高精度定位）等許多豐富領(lǐng)域，在此不一一累述。
當(dāng)前，5G融合定位還存在一些問(wèn)題：
5G皮基站外部接口還待進(jìn)一步完善
室內(nèi)地圖還未普遍
室內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)以及個(gè)人位置的私密性有待進(jìn)一步研究
室內(nèi)和室外的定位如何無(wú)縫銜接有待進(jìn)一步發(fā)展
定位芯片成本還需進(jìn)一步降低
?隨著人工智能和無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署，未來(lái)室內(nèi)定位技術(shù)結(jié)合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)先技術(shù)，將進(jìn)一步推動(dòng)室內(nèi)定位矢量圖繪制、室內(nèi)地圖構(gòu)建、應(yīng)用平臺(tái)等標(biāo)準(zhǔn)的制定和統(tǒng)一，整合定位服務(wù)從終端到應(yīng)用端到端的產(chǎn)業(yè)鏈，并為新型產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供支撐。未來(lái)的5G室內(nèi)定位技術(shù)必將賦能千行百業(yè)，為人類生活帶來(lái)更多精彩。
