新一代無線定位技術研究與發展趨勢分析

陳詩軍 王慧強 陳大偉

摘要：認為現有的無線定位技術無法滿足移動互聯網應用在定位網絡覆蓋范圍、部署費用、定位精度以及終端兼容性等方面的需求。通過對無線定位產業的現狀以及未來無線定位標準提案信息的分析，指出了通信定位一體化的發展趨勢，并從運營商的角度提出了通信定位一體化網絡發展的技術路線。

關鍵詞： 室內定位；位置服務；管道化；定位網

Abstract： Existing wireless positioning technologies cannot meet the Internet applications requirements in terms of coverage， deployment costs， location accuracy and terminal compatibility. By analyzing the status of wireless positioning industry and standard initiative for future location technology， the integration trend of communication and positioning is demonstrated. Furthermore， the roadmap of communication and positioning integrated network is proposed from the perspective of communication carriers.

Key words： indoor positioning； location-based service； pipelining； location network

隨著移動互聯網產業的蓬勃發展，尤其是電子地圖應用的大量涌現，基于位置的服務（LBS）已成為當前研究的熱點[1]。針對人們日常生活中衣、食、住、行等各個方面，各種新興服務行業不斷推出嵌入LBS的移動應用程序，為終端用戶提供了極大的便利[2]。此外，如車輛、運輸、交通管理等傳統行業為完成信息化升級，主動引入LBS，以完成相關產業及其生態鏈的深度改造和整合[3-4]，產生了以滴滴快車、優步、ofo共享單車等為代表的應用形態。可以看出，無論從新興行業還是傳統行業角度觀察，LBS都是強有力的增長點。

目前，雖然以全球定位系統（GPS）為代表的定位技術的發展已經能夠為用戶提供滿意的室外定位精度，但城市化進程的加速使人們大多數時間在室內活動，來自商業、政府、通信領域的室內定位需求與日俱增。新興應用需求對定位服務提出了更高的覆蓋要求[5]，定位網絡應該不僅能夠覆蓋室外環境，也應該能夠覆蓋包括室內空間在內的特殊場景，以實現室內室外定位服務的無縫銜接。從相關產業的發展趨勢可判斷：能否提供有效覆蓋室外環境與復雜室內環境的一體化定位服務，關乎人們生活質量乃至國民經濟發展，是定位服務提供商急需解決的問題。

一體化定位服務需要在覆蓋范圍與定位精度兩方面兼顧室內、室外場景。與寬廣的室外環境不同，室內場景空間狹窄，且隨著5G時代的來臨，物聯網和智能化對位置服務提出了更高的要求，一般認為室內定位精度需達到3 m以下，甚至小于1 m才能夠滿足日常使用要求，更要求無縫定位覆蓋[6]；另外，區別于室外較為簡單的信道環境，室內的建筑結構、材料材質將引起復雜的多徑效應，無線信號傳播受到非視距（NLOS）因素影響較大，上述室內環境的特性導致傳統的面向室外環境的定位技術已經不能滿足室內定位的精度需求，而專門的室內定位技術往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點[7-8] ，高精度、無縫覆蓋對通信網和定位網協同發展提出了迫切的新需求。

1 通信行業面臨的問題

移動互聯網時代，數據流量需求激增，運營商之間、運營商和關聯行業之間的“花園圍墻”不復存在，整個產業價值鏈主導權發生轉移，主要表現為運營商的管道化困境[9]，即對業務和用戶控制權日益削弱。運營商成本與收入變化如圖1[10]所示。為避免管道化命運，電信運營商雖然積極開展新業務，然而面臨的競爭卻日益加劇。一方面，運營商推出的新業務范圍互相重疊，如：視頻業務、應用商店業務等，在業務內容和業務模式方面缺乏新意，導致運營商之間的同質競爭越發激烈；另一方面，運營商介入IM、電子商務、手機支付等互聯網應用領域，而不得不應對傳統互聯網公司的正面交鋒。

然而相應的努力收效甚微，其原因可以歸納為以下兩點。首先，受傳統思維影響，運營商難以主動放棄通信行業的核心地位，導致其產業規劃主要以技術為導向，而忽視市場需求。但在消費者自我意識逐漸成熟，互聯網思維被普遍接受的市場環境中，通信行業的發展必然會從以運營商主導向以消費者需求主導的模式轉移，以用戶需求為中心的服務模式是不可逆轉的產業發展趨勢。其次，技術的發展會使邊際成本越來越高，而邊際效益則隨之降低，運營商不可能從已經高度發達的互聯網應用領域攫取利益。因此，運營商為解決其面臨的問題，必須準確發掘用戶痛點，分享新技術起步階段的研發紅利，深耕藍海市場。

移動互聯網浪潮為運營商帶來了重大的發展機遇。以手機為代表的移動終端，已成為人們生活中不可或缺的一部分，人們的工作和生活都圍繞移動終端進行，而移動終端的精準定位正在成為改善用戶體驗，增強應用品質的關鍵因素。移動終端的無縫覆蓋正是運營商的傳統優勢領域，僅需要在傳統的帶內信號基礎上添加必要基礎設施就可以輕松完成通信定位一體化的網絡，相對于GPS定位、無線傳感器網絡定位，在室內外融合場景下具有先天優勢，且無需增添新的定位輔助設備。LBS服務可以作為新的“基礎設施服務”提供給各類互聯網公司使用，從在廣闊的市場應用前景，從而帶來新的巨大利潤增長點。因此，如何針對用戶對基于LBS的日常應用的使用需求，結合自身優勢發展通信定位一體化網絡是運營商在未來5G時代解決自身管道化問題的有效途徑。

2 無線定位技術及存在問題

目前，針對不同的應用場景與需求存在多種特點各異的無線定位技術，下面我們對常見的技術做介紹。

（1）衛星定位系統

目前手機、車載導航儀等設備的基礎定位信息主要是由以GPS、GLONASS、Galileo以及北斗等衛星導航系統提供[11-14]。

然而，由于導航衛星位于萬米高空，信號衰落與障礙物的阻礙導致終端在特定位置無法搜索到足夠數量的定位衛星，難以滿足定位的必要條件；同時，美國軍方只開放C/A碼供民用系統使用，其定位精度普遍在幾十米到百米的范圍內，該定位精度雖然能夠支持道路導航類服務，但無法滿足室內定位、車輛管理等應用的米級定位精度要求。此外，目前也產生了GPS、GLONASS、Galileo以及北斗的融合定位算法，但是精度一般仍保持在5 m以上。

（2）地面偽衛星解決方案

為彌補衛星定位系統的缺陷，NextNav等公司提出了在地面布設偽衛星（PL）的補充方案。所謂偽衛星，是一種地面定位信號發射裝置，發射的信號格式、帶寬、電文等一般都和GPS一致[15]。偽衛星定位的基本原理與GPS相同，排除硬件設備對定位精度的影響，其準確性主要由偽衛星的幾何分布決定[16]。雖然PL部署位置靈活，缺陷也與GPS相同，難以滿足室內定位的需求。

（3）輔助GPS技術（A-GPS）技術

GPS設備利用衛星發出的無線電信號進行定位，但在實際使用過程中，地理環境和人文建筑常常會對信號造出一定的影響，使得定位信號被削弱，而不能完成定位的請求。在這種情況下，可以利用A-GPS系統完成快速定位。A-GPS以GPS為基礎，是一種利用移動通信網絡基站信息輔助GPS實現移動設備定位的技術，能夠在各種制式的2G、3G乃至4G網絡中使用。

利用A-GPS進行定位，除需要一部擁有GPS定位功能的手機外，還需要電信運營商為通信網絡增加位置服務器、差分GPS基準站等設備[17]。簡單地說，A-GPS是借助手機基站來為GPS提供前期位置調星服務與后期位置校準服務，以提高GPS的定位精度[18]。

（4）Wi-Fi定位技術

基于無線局域網的解決方案是室內定位問題研究的一個重要方向，該方案需要按照定位需求設置相應數量的Wi-Fi熱點，利用基于信號強度的指紋定位技術，對移動終端進行定位[19]。首先需要建立Wi-Fi信號強度的指紋庫[20]，在定位過程中終端設備將實時監測的Wi-F熱點信號強度與指紋庫中記錄進行比對，確定定位結果。

（5）無線射頻識別（RFID）定位技術

基于RFID的定位系統通常將信號強度作為定位依據。定位系統主要由RFID標簽、參考標簽以及讀卡器3部分組成[20]。其中，讀卡器能夠發出特定頻率的信號，以激活休眠狀態的標簽，同時也能讀取標簽的識別碼信息與信號強度。RFID標簽被激活后，能夠利用標簽內置天線發送包含自身識別碼的信息。當待定位的RFID標簽處于讀卡器作用范圍內時，讀卡器讀取該標簽識別碼，并將其信號強度與參考標簽比對，以計算待定位標簽位置。

（6）超寬帶（UWB）定位技術

UWB是一種無載波通信技術，利用納秒至皮秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10 m左右的范圍內實現每秒數百兆至數吉比特的數據傳輸速率。與藍牙、Wi-Fi等帶寬相對較窄的無線技術相比，UWB具有抗干擾能力強、帶寬極寬、耗能低、發送功率小、保密性好等優點，特別適合在室內定位系統中應用[22]。然而UWB受通信距離的限制，部署密度較高，在諸如首都國際機場這類大型室內場景中需要部署數百萬計的節點，系統部署開銷較大，這也限制了UWB的廣泛應用。

（7）其他室內定位解決方案

此外，針對特定環境與應用需求，還有很多其他室內定位技術，如：紅外室內定位[22]、藍牙室內定位[23]以及超聲波室內定位[24]等。這些定位技術只適合某些特定場合，無法為用戶提供一個適應性一致收斂的全網解決方案。

（8）現有定位技術存在的問題

現有定位技術存在的問題可以歸納為以下4個方面：

適應性問題：融合不同定位技術是普遍采用的方案，但是這些技術都無法做到普適于各類室內場景。例如：A-GPS基本能夠覆蓋室外環境，但不能夠應用于室內定位場景。

覆蓋問題：無法提供大范圍覆蓋和無縫覆蓋，如UWB和藍牙。

成本問題：有些技術原理上可行，但真正建設時會涉及大量的建設成本和維護成本。

精度問題：精度動態范圍大，很難提供一致質量的定位服務。

同時，可以看出無線定位網在室內定位方面還處于從屬、補充的地位，無法充分發揮蜂窩網覆蓋范圍大、已有基礎設施完善的特點。

3 室內定位產業發展及 無線定位標準

導航與位置服務關鍵技術已成為國家安全和國民經濟發展的重要基礎，廣域高精度室內定位技術更是支撐導航與位置服務的關鍵。據估計2015年之后，中國位置服務應用行業市場規模將以大于50%速率增長，到2020年，室內位置服務市場規模將超2萬億。因此，很多著名互聯網公司都重點布局了室內定位業務。其中，Google室內定位服務目前擁有1萬多個場所的地圖，已經進入了包括美、英、法、日等10多個國家，在機場、商城、火車站、體育館和博物館等公共場所提供室內導航服務；蘋果公司也已經意識到地圖、室內定位對未來應用和商業形態的巨大影響力，于2013年收購WiFiSLAM公司，以獲取該公司的室內定位技術；Nokia、三星、Sony Mobile及Broadcom等22家手機廠商及芯片領域廠商共同成立室內定位聯盟，攜手建立室內定位的系統解決方案，并已經完成技術架構白皮書。

同時，為了適應高精度室內定位的需求，美國聯邦通信委員會（FCC）、第3代合作伙伴項目（3GPP）、電氣與電子工程師協會（IEEE）等國際組織已將廣域高精度室內定位確立為下一代移動通信技術的基礎功能。其中，在蜂窩移動通信網定位技術的國際標準方面，IEEE 802.11成立了NGP研究下一代高精度室內定位。目前3GPP標準中的定位方法如表1所示。從表中可以看出：相比3G時代通信網定位方式，定位方法更加豐富，要求更高的定位精度；通信網開始努力增強自身定位能力，以及融合其他定位技術。其中，3GPP LTE Release 9規范了通過測量兩個或更多的基站參考信號（RS）的到達時間差（RSTD）來計算手機位置的技術觀察到達時間差法（OTDOA），在物理層的協議中增加了定位參考信號的特性，彌補了全球導航衛星系統（GNSS）在室內無法定位的缺陷[25]。在2016年6月，3GPP公布了5G標準的首個版本Release 15的計劃，描述了各工作組的協調項目和檢查重點，并計劃于2018年6月之前完成標準發布，其中高精度定位被列為一項內容。此外，國際電信聯盟（ITU）也已正式啟動5G標準研究工作，于2015年6月提出IMT-2020計劃，確定5G愿景、時間表等關鍵內容，到2020年完成5G技術標準化，5G進入到技術突破及標準研究的關鍵階段。

此外，以高通為代表的傳統通信技術公司，在芯片方面也已經進行了大量先期研發。由于各標準化組織對室內定位立項時間較短，絕大多數室內定位技術方案仍處于非公開狀態，只能通過其專利涉及領域分析各公司提案內容，見表2。中國IMT-2020（5G）推進組2015年2月發布的《5G概念白皮書》中把“移動互聯網和物聯網將成為5G發展的主要驅動力”作為5G系統需求基礎，而高精度室內定位技術是未來移動互聯網和物聯網的重要核心業務之一。未來移動通信論壇是在中國發改委、科技部、工信部的共同支持下，由移動通信運營企業、設備制造企業、科研機構、高等院校等26家單位共同發起成立的非營利性國際社團組織，其在2016年末發布了以中國聯通、中興通訊、清華大學和哈爾濱工程大學等單位撰稿的文章，專門論述5G高精度定位的關鍵技術。

從現有資料分析，在下一代無線通信網絡標準中十分可能加入對定位功能支持，未來移動通信網絡將和定位網相結合，發展出具有通信定位一體化功能的新一代網絡。

4 通信定位一體化網絡

根據定位系統覆蓋的范圍可大致將定位網絡的發展劃分為球域空間定位、地面基礎定位以及局部精確定位三個維度。其中，球域空間定位技術主要針對特殊定位需求，提供能夠覆蓋全部近地空間的海、陸、空天一體化的立體定位服務；地面基礎定位技術能夠滿足人們日常工作、生活中大部分需求，具有較大的地面定位覆蓋范圍；局部精確定位技術為迎合特定場合對定位精度的需求，只能覆蓋較小的范圍。移動通信網絡是一種常見的地面基礎定位系統，借助運營商部署的大量基站，通信網絡具有室內外一體化覆蓋、相對部署成本低以及終端設備兼容性高等優點，是構建未來通信定位一體化網絡的基礎。

通信定位一體化網絡是一種結合通信與定位功能的網絡新型態，能夠提供室內室外一體化的高精度地位服務，如圖2所示。一般認為通信定位一體化技術的演進路線包括以下幾種：（1）通信網與偽衛星系統、TC-OFDM定位系統等異構地面定位融合；（2）通信網與Wi-Fi定位系統、藍牙定位系統等局部定位網絡融合；（3）具有帶內高精度定位技術的新一代通信網絡。通信定位一體化網絡是解決現有定位技術存在問題的有效手段，在提供室內室外一體化的定位服務覆蓋的基礎上，兼顧了室內高定位精度的要求，同時以現有移動通信系統為基礎，能夠最大限度地降低定位網絡的部署成本，提高定位終端的兼容性。

從運營性角度分析，高精度的一體化付費定位服務能夠成為新興的業務增長點，也是擺脫管道化困境的機遇。以移動通信網絡為基礎發展通信定位網絡需要解決定位精度的問題，可從以下兩個方面著手：（1）增強移動通信網絡自身的定位功能，可以通過構建地面高精度無線定位網解決通信網定位的關鍵瓶頸，同時引入基于設備到設備（D2D）輔助定位技術進一步增強定位精度；（2）異構定位系統的融合，引入地面偽衛星、Wi-Fi定位、UWB定位以及RFID定位等技術，為其設計相應的接口使其能夠與通信網絡交互信息，融合定位結果以提高定位精度。

5 結束語

隨著移動互聯網的興起與不斷發展，定位產業迎來了前所未有的發展機遇。為了滿足未來智能化社會需求，解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問題，從未來5G的多種演進途徑可以看到未來定位技術的兩個趨勢：融合定位趨勢和通信定位一體化趨勢。現有的各種定位技術都無法同時滿足覆蓋范圍與定位精度的需求，而現有移動通信網絡具有覆蓋范圍大、設備兼容性高等特點，通過構建融合的地面定位網有助于提高定位精度和室內區域定位覆蓋。同時，移動通信網不僅是管道，將有機形成地面定位網，并在網絡結構和定位技術層面和通信網一體化發展。室內外一體化覆蓋的高精度定位服務不但將在室內導航、商品索引、特殊人員照理等新興市場有巨大的需求，而且對傳統行業的改造升級具有巨大的促進作用，如：能在智能社會中的智能交通、動物管理、智能環保等方面創造巨大的社會和經濟效益。現有的定位技術都無法同時滿足覆蓋范圍與定位精度的需求，而現有移動通信網絡具有覆蓋范圍大、設備兼容性高等特點。因此，以移動通信網絡為基礎，構建覆蓋室內外環境的通信定位一體化網絡是滿足未來移動互聯中定位需求的最佳解決方案。

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