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市场技术综述 | 5G室内融合定位

5G 催生万物创新,带来了丰富的业务模式,推开了室内定位的市场需求大门。室内作为万物互联的另一重要应用场景,其网络的完善成熟发展是未来5G网络决胜关键。室内应用多样化,网络需要满足业务对网络移动性、定位能力等多方面诉求。

目前室内业务发展遇到种种挑战: 场景的复杂性,商业化室内应用的智能化需求,新业态、新经济对室内数据的需求,室内数据更新,室内定位精度提升等等。只有各种不同定位技术方案相互融合,才能满足垂直行业应用各种定位精度的位置服务需求。

主要应用场景

目前,无线蜂窝、蓝牙、UWB、Wi-Fi、红外等各种室内定位技术已经慢慢渗透进入到企业服务、政府与公共服务领域。在各种行业应用场景中,主要分为对人的定位和对物的定位。

在To B场景下,如智能制造、仓储物理、电力能源、公检法司等,主要面向物的定位,提供AGV导航、资产追踪管理、电子围栏等服务,定位终端通常考虑为专用标签,这些场景下的业务需要为了特定客户和场景部署不同定制应用,建议定位业务主动权在网络侧,同时定位终端考虑低成本、低功耗。

▲智能制造工作现场

在To C场景下,如博物展览、智慧商超、交通枢纽等,主要面向人的定位,提供室内导航、导览业务等服务,定位终端通常考虑使用手机终端;同时这些场景下需要普适业务,定位业务考虑定位主动权在用户侧,尊重和保护个人隐私。

个人位置服务:商品推送、定位导航、反向寻车

需要根据业务场景的实际需求、应用范围、定位精度、成本要求、终端功耗等具体实际分析使用适合的定位技术。

主要定位技术

定位系统分为终端层、网络层(定位网络&通讯网络)、平台层、业务层。5G网络浪潮的到来,为定位端到端产业链带来机遇,为了满足各个应用场景的特性需求,对定位精度要求、灵活性、可复制性、维护性等方面提出新的要求。

定位分层架构图

GNSS卫星导航系统等传统GPS定位方式,在室内环境存在较大局限,无法满足各行各业室内应用的需求,各种室内定位技术如雨后春笋般涌现。目前主流的几种室内定位技术有蓝牙定位、蜂窝定位、UWB定位、WIFI定位、SLAM定位等。

蓝牙定位技术

蓝牙定位技术主要包括三大类:

  1. 传统蓝牙iBeacon定位 iBeacon蓝牙信标周期广播包含iBeacon的UUID等信息数据包,当开启蓝牙终端进入蓝牙信标覆盖的区域,蓝牙终端接收到广播包,根据RSSI算法计算出蓝牙终端到iBeacon的粗略距离。

蓝牙iBeacon定位组网

  1. 蓝牙网关定位 蓝牙定位终端周期广播包含蓝牙终端的UUID等信息数据包,蓝牙定位网关接收广播包,并将数据回传到定位服务器,定位服务器根据RSSI算法计算出蓝牙终端到蓝牙定位网关的粗略距离。

蓝牙网关定位服务

  1. 蓝牙AoA定位 蓝牙定位基站使用天线阵列接收蓝牙信号,计算出蓝牙信号到达角(AoA)。蓝牙定位基站将数据回传到服务器, 服务器可以利用已知的蓝牙定位基站高度h、到达角AoA计算出蓝牙终端的位置。

蓝牙AoA定位算法

蜂窝定位技术

蜂窝网络定位技术主要有两种:

基站估算定位法

  1. NCGI粗定位 使用UE所在5G小区的位置信息来粗略估计UE的位置。
  2. E-CID定位法 在Cell ID定位方法的基础上使用UE和/或E- UTRAN测量数据来进一步提高定位精度。
  3. NR E-CID定位 使用额外的UE测量、NR无线测量的数据来改进UE位置估计精度的技术。

时间测量定位法

  1. OTDoA 观察到达时间差
  2. UL TDoA 上行到达时间差
  3. DL TDoA 下行到达时间差
  4. Multi-RTT 多小区往返时间定位法

角度测量定位方法

  1. DL AoD 下行角度定位法
  2. UL AoA 到达角度定位法

基站估算定位技术方案简单,适用性广,可以在蜂窝基站的覆盖范围内定位到用户的位置,但精度较差。

随着5G时代RTT、TDOA(OTDOA/UTDOA)、 AoA/AoD等技术的标准化,蜂窝技术的定位精度有望进一步提高。

UWB定位技术

UWB是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,频率高,功耗低,多径分辨能力强,对信道衰落不敏感,特别适合室内定位领域应用。

UWB定位技术中常用的定位算法有TOF、TDOA等,将这两种算法有机结合,可以得到更好的适用性,并保持高精度的定位效果。

WIFI定位技术

Wi-Fi的定位应用以前主要有两种方式:

  • Wi-Fi指纹库定位:充分利用Wi-Fi信号无处不在的便利,预先构建无线信 号指纹库。指纹库主要通过收集区域内Wi-Fi信号的标识信息(BSSID)和信号强度信息,结 合采样点位置信息来产生。
  • Wi-Fi基站定位:Wi-Fi基站同时作为定位基站使用,Wi-Fi基站通过获取移动设备发 射信号的信号强度,估算出设备的相对距离。

随着Wi-Fi技术的不断进步,特别是WiFi5和WiFi6技术的成熟,Wi-Fi作为定位技术有了新的突破,其中两个精度达到亚米级的定位技术开始进入实际应用中:

  • Wi-Fi 信号到达角度(AoA)技术 AoA技术在信号接收端使用特殊设计的天线阵列, 利用无线波形的相差计算出信号到达角度。
  • Wi-Fi信号飞行时间(TOF)技术 TOF技术通过获取无线信号传播时间来估算无线基 站和设备间的距离。

以上四种Wi-Fi定位技术既可单独使用,也可组合使用,从而提供单基站定位,自学习定位等更多样式的定位服务。随着Wi-Fi技术的发展,这些定位技术性能还将不断提升,硬件成本不断降低,使Wi-Fi定位继续成为一个重要的无线定位手段。

SLAM定位

SLAM(同时定位与地图构建)技术概念始于上个世纪九十年代,研究运动体在陌生环境中同时完成定位与地图构建的工作。

按照传感器区分,SLAM主要包括激光SLAM和VSLAM(视觉SLAM)。激光SLAM使用激光雷达获取周围环境信息,这种方案起步较早,较为成熟。视觉SLAM使用摄像头获取周围环境信息,根据图像和位置构建地图,生成点云地图,后续实时拍摄图片和构建的点云地图进行匹配从而进行定位。得益于摄像头、视觉识别技术的发展,SLAM方案有了快速的发展。能获取到较高的定位精度,但成本相对较高,对环境的适应性有待进一步提升。

各种定位技术对比

定位解决方案

5G 室内网络可以与多种室内定位技术融合,一起提供面向5G 网络的多层次融合定位解决方案,在定位精度以及覆盖范围上实现性能的整体提升。

融合定位架构

5G 室内融合定位架构利用定位和通讯基站共部署、融合定位解算平台、应用业务融合等关键技术,提供室内应用场景解决方案,期望降低整体部署、维护成本要求,满足各个应用场景的定位多样化的需求。

5G NR 定位

5G NR定位基于5G蜂窝通讯网的定位技术,蜂窝网络为终端提供无线通讯功能同时提供定位服务,满足不同应用场景下通讯和定位需求,满足企业、个人用户应用的需求,网络运营商提供网络服务的同时提供位置增值服务。5GNR基站结合5G 网络大带宽和多波束 特性,可以支持multi-RTT、AoA 和OTDOA 等多种定位技术。

5G NR 蜂窝场强组网

5G+UWB/蓝牙 AOA 高精度室内定位

5G融合UWB/蓝牙AoA定位方案定位基站连接5G智能室分的级联口,提供定位基站设备的供电,同时UWB/蓝牙AoA基站的数据经过5G智能室分系统(BBU、PB和PRRU),最终传输到部署在MEC上定位解算服务。

5G 融合 UWB/蓝牙 AOA 组网架构

5G+传统蓝牙室内定位‍

5G+蓝牙定位方案,共部署、共维护,通讯+定位结合使用,维护简单,运维成本低,已经成为智能手机标配的硬件设备,蓝牙iBeacon定位被应用于室内定位的场景应用中。

5G+传统蓝牙组网架构图

5G+Wi-Fi 室内定位

Wi-Fi基站和5G采用紧耦合的方式,利用5G皮基站的供电和数据接口,既可提供无线接入服务,也可提供亚米级定位服务,可以大大节约部署维护成本,同时MEC提供统一的定位融合平台和管理平台,灵活满足各种业务场景的需求。

5G+Wi-Fi组网架构图

5G+SLAM 融合定位

5G+SLAM+边缘云的融合定位方案,5G网络提供大带宽、低时延、高可靠的无线网络,可以满足SLAM云化数据传输的网络诉求,优势包括:云上计算,终端设备成本更低,5G辅助定位,减少位置丢失。

5G+SLAM定位方案

各种融合方案对比

应用示例

汽车装配

汽车装配是智能制造典型的具体应用场景,需要通过实时定位技术,实现对车间流水线每辆汽车的全程追溯及作业过程的高度透明可视化,规范作业流程的同时,大幅提高作业效率。

5G+蓝牙AOA高精度室内定位方案通过位置解算引擎将定位微基站回传的数据,依靠高角度分辨率的专利算法,解算出标签位置坐标,解算引擎部署在MEC,可发挥5G网路高速率、低时延、大连接的优势,提升网络利用效率和增值价值。具体应用功能包括: 实现在装修车辆的实时定位及信息自动化推送,返修车辆状态跟踪,工器具防错。该方案既有效解决汽车装配场景大规模标签应用的高成本与并发容量不足的问题,通过5G的大带宽、低时延技术特性,解决定位数据传输问题,同时5G基站和蓝牙基站共部署,共数据传输通道,大大降低部署及维护成本。

商场应用

商场需要构建可视化室内地图应用平台,将商场、人、产品、数据融合于室内地图应用中,为消费者提供路径规划、跨楼层导航、跨平台(APP/微信/web)应用等服务,完成室内导航、运营支撑、停车服务等客户需求,同时也需要满足商场本身的管理、营销需求。

本场景定位精度要求3~5米,5G NR场强定位方案可以满足业务需求。5G网络不仅提供通讯服务同时提供定位服务。定位解算平台MEC 部署,实现对商场楼层、停车场等区域定位覆盖。应用场景包括:查询导购,商场运营,共享停车等应用中停车引导,反向寻车。方案大大降低了部署成本,满足商场应用业务的位置服务需求。

5G室内定位典型应用案例还包括医疗应用(5G+蓝牙融合定位)、仓储物流(5G+蓝牙5.1定位融合技术)、机场(5G网络+蓝牙定位融合技术)、电力能源(5G网络通讯和UWB高精度定位)等许多丰富领域,在此不一一累述。

当前,5G融合定位还存在一些问题:

  • 5G皮基站外部接口还待进一步完善
  • 室内地图还未普遍
  • 室内地理信息数据以及个人位置的私密性有待进一步研究
  • 室内和室外的定位如何无缝衔接有待进一步发展
  • 定位芯片成本还需进一步降低

随着人工智能和无线技术的发展,5G网络大规模部署,未来室内定位技术结合边缘计算、大数据等领先技术,将进一步推动室内定位矢量图绘制、室内地图构建、应用平台等标准的制定和统一,整合定位服务从终端到应用端到端的产业链,并为新型产业应用提供支撑。未来的5G室内定位技术必将赋能千行百业,为人类生活带来更多精彩。

本文分享自微信公众号 - AI电堂(aidiantang),作者:海伦

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原始发表时间:2020-11-10

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