徐云峰：5G融合定位方案破解室内迷航问题

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此文发表在光明日报系《中华读书报》 2021年2月10日18版

徐云峰

众所周知，传统的室内定位技术受到覆盖范围、精度、能耗和成本等因素掣肘显得“心余力绌”，而卫星定位又无法穿透建筑，无论是人还是物常常在室内“找不着北”。相对于其他定位技术，已建成5G网络的地方，将从室外宏覆盖，转向室内深度覆盖，具备了高精度定位的能力，不需要再单独建设定位网络，也不需要特定的终端或标签。由于其本身具备带内定位能力，可以同时满足通信、数据传输、定位等各方面需求，还可以与多项定位技术融合，实现定位精度以及覆盖范围的整体提升。可以说，5G破解了室内定位技术的“迷航”难题，打开了室内定位市场的“另一扇窗”。

当前，数据业务的80%～90%都发生在室内，对于室内覆盖业务和行业垂直应用拓展来说，室内精准定位无疑是一个强需求。5G网络的优势一方面在于其具有更大的带宽和子载波间隔，使得5G室内定位精度大幅提升。其中5G R16版本对5G基站定位进行了增强，引入了新的功能实体和定位技术，定义了端到端的定位系统框架，加入了定位处理平台并提供应用接口，又采用了RTT(Round Trip Time)定位，不仅解决了4G时代由于网络架构限制造成的与应用结合困难的问题，还能通过测量往返时间差，实现单站定位。5G R17版本则提出了进一步增强定位能力的目标－－面向工业互联网（IIOT）的场景，水平定位精度目标为0.5米，垂直定位精度在1米。

虽然5G自身可以提供满足大多数场景定位应用的能力，但事实上这一能力不能解决所有的定位问题，需要与不同技术融合定位。因此，基于5G基础设施的室内融合定位方案是一种开放、完整的体系架构，包含终端、网络、平台、应用等几部分。其中网络层是涵盖各类定位基站的网络，可以是5G，也可以是蓝牙、WiFi、超宽带等其他定位网络，还可以是所有相关技术的融合。通过5G网络与多种室内定位技术协同应用，可以满足针对多种场景下，不同定位精度的定制化需求。通常情况下，按照是否融合其他设备，5G室内定位法主要划分为非协作定位和协作定位。

非协作定位主要指利用设备和基站之间的通信进行定位，无需其他设备参与定位过程。在此类定位中，依据不同的配置参数，形成不同的实现方法。一是利用信号到达时间的方法：基于TOA（time of arrival，到达时间）的位置估计中，基站通过计算信号的到达时间估算目标所在位置，该方法要求发射机和接收机间具有严格的时间同步。当难以做到严格的时间同步时，可以通过计算信号达到两个基站的时间差进行定位，即基于TDOA（time difference of arrival，到达时间差）的位置估计。二是基于信号AOA（angle of arrival 到达角）的方法：借助基站上安装的方向性天线，对发射信号的来波方向进行估计。该方法只需对发射信号的来波方向进行精确测量，摆脱了对信号时间同步的依赖。三是基于FDOA（frequency difference of arrival,到达频率差）方法：发射机在移动时会产生与信号频率成比例的多普勒频移，FDOA通过测量该频移进行目标定位，其基本原理与TDOA相似，但要求目标与基站之间有相对运动，以便测量多普勒频移。

协作定位主要指定位结果在不同网络间或者不同设备间分享，以提高定位精度。由于5G系统是由多种无线系统构成的异构系统，能够为协作定位提供强有力的支撑。协作定位按照协作方式可以分为网络协作和设备协作两类。前者主要利用网络中多个基站的定位结果，或者不同网络间的定位结果对目标位置进行估计；后者依赖5G系统中海量的连接设备所提供的位置信息获得更高的定位精度。

同时，5G室内定位技术还可与其他定位技术进行融合，从而在定位精度以及覆盖范围上实现定位性能的整体提升。

一是5G+UWB/蓝牙 AOA 高精度室内定位。该系统主要考虑定位基站与5G分布式皮基站结合共同部署。定位基站复用5G皮基站的站址资源、供电资源和传输资源，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上的定位解算服务。

二是5G+传统蓝牙室内定位。传统的蓝牙信标的状态无法被实时监控、需要更换电池、维护不便。部署5G室分系统时可以内置蓝牙功能，并通过馈缆为蓝牙信标供电，同时蓝牙网关通过监控馈缆中蓝牙信号变化，判断无源器件工作状态，通过以太网回传集中管控，解决蓝牙信标状态监控问题。

三是5G+Wi-Fi 室内定位。Wi-Fi基站和5G可以采用紧耦合的方式。利用5G皮基站的供电和数据接口，将定位服务作为无线控制器的扩展服务，定位数据通过5G室分基站预留通道，更加灵活。

总之，5G时代带来的万物互联新业态对室内定位的市场需求将起到极大的推动作用，而5G和云计算、大数据、AI、MEC等进行深度融合，也可带来更丰富的网络应用。但也要清醒地看到，现阶段5G融合定位方案还存在一些问题： 如5G皮基站外部接口有待进一步完善，室内地图还未普遍，其室内地理信息数据以及个人位置的私密性还需进一步研究，室内和室外的定位如何无缝衔接有待进一步发展，定位芯片成本尚需进一步降低……随着AI和无线技术的高效率发展，以及5G网络的大规模部署，未来室内定位技术结合边缘计算、大数据等领先技术，进而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、网络到应用的端到端产业链，必将推动和催化新一轮大发展，为新型产业应用提供支撑，驱动室内定位生态形成，赋能千行百业、惠及千家万户。

本期编辑：糖

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