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中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 中国联通 2019年11月 目录 1 引言 . 1 1.1 背景 . 1 1.2 室内定位发展愿景 . 1 2 室内定位现状及挑战 . 3 2.1 室内定位场景分析 . 3 2.2 室内定位技术现状 . 4 2.3 室内定位系统面临的挑战 . 6 3 智能室内数字化定位能力需求 . 8 3.1 精确定位 . 8 3.2 便捷规划 . 9 3.3 智能管理 . 9 3.4 开放交互 . 10 4 智能定位实现方案 . 11 4.1 定位平台架构 . 11 4.2 定位平台特性 . 14 5 总结与展望 . 15 中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 1 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 1 引言 1.1 背景 随着通信技术的演进和用户行为习惯的改变，室内成为移动数据业务量新的增长点，机构预测，5G时代室内网络将承担全部业务量的80%以上。未来，如何为室内用户提供更优质而完善的网络应用，将成为运营商的核心竞争力之一。 伴随着5G网络建设，业务种类持续增加，行业边界不断扩展，如何与行业伙伴合作，为移动用户提供更便捷丰富的线上应用是运营商面临的重要议题。人工智能和物联网技术发展，促使基于位置服务(LBS)的行业应用，如室内导航、智慧商业、智能停车、智能办公、智慧仓储等增值业务需求迅速增长。结合运营商网络建设与室内定位技术、智能网络管理的室内综合应用，为运营商网络增值服务提供了切入点。 国外科技巨头纷纷看好室内定位前景，早在2015年Facebook就开始向企业免费发送蓝牙信标数据用于定位营销。谷歌也在2017年推出了与广告服务一起使用的访问者推动通知功能。我国政府也十分重视室内定位技术的发展和业务应用，科技部、工信部等部委下发多项指导政策，提出要大力推动室内定位系统发展的要求。2012年科技部印发的导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划中，明确指出要推动室内定位技术发展;2013年，科技部和国家遥感中心等联合发布的室内外高精度定位导航白皮书中力推室内外精确定位系统实施，在大众位置服务、紧急救援等场合开展示范应用，并希望在2020年前在一百座城市完成部署，惠及一亿名用户。 通信运营商具有优秀的网络规划建设能力、丰富的建设管理经验，先进的网络管理手段，势必成为推进室内定位技术研发，定位基础设施建设，定位增值服务推广的中坚力量。 1.2 室内定位发展愿景 个人消费领域，随着移动互联网技术发展和自媒体等新应用形态的普及，用户对于个性化、定制化服务的需求不断提升。大型商业区能够借助室内定位技术中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 2 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 为前来购物的消费者提供实时导引服务和个性化营销推广服务，为用户带来便利的同时，挖掘营销潜力，优化品牌规划，提升效益。 公共服务领域，机场、停车场、交通枢纽等场所通过为用户提供导航和线路规划，科学引导分流车辆、人群，保障运营安全、提升运营效率。医院、养老院内可建立对需要特殊护理的病患实时定位监控系统，防止意外发生；同时可与物联网技术相结合，对医疗设备进行定位，方便管理及快速调配。在救灾方面，通过建筑物内定位信息，合理安排救援路线，提升救援效率。 工业领域，利用位置信息和自动控制技术实现智能仓储管理、生产过程追踪、自动货物搬运、自动加工、自动巡检，推进工业转型升级，达到降本增效目的。对于具有危险性的工厂，还需要对人员进行定位管理，预防安全生产责任事故的发生。 可以说，室内定位在零售、餐饮、物流、制造、化工、电力、医疗等行业均展现出了广阔的市场前景。行业咨询公司估计，至2022年，室内定位的总市场规模将超过400亿美元。 图1 室内定位应用场景 注：图1来自于CCSA基于移动网络的高精度定位技术研究报告 中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 3 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 2 室内定位现状及挑战 2.1 室内定位场景分析 室内定位目标场景按照需求方的不同可以分为面向个人用户定位场景和面向行业用户定位场景两大类。 面向个人用户定位需求，主要发生在空间较大，结构较复杂的室内环境中，例如大型商业区。来自谷歌的市场调研指出，消费者在购物过程中渴望了解更多有关商品的信息，并享受个性化服务。但事实上，有三分之二的消费者无法在实体店内找到想要购买的商品，43%的人会失望离开店铺；另外有超过71%的消费者认为在网络上搜寻相关商品信息，会比店内找寻更方便。因此，线上线下融合呈现商品信息的功能，已成为消费者购物体验中至关重要的一环。 结合位置服务和商品信息，商场能为消费者提供特定商品查找、路径规划等智能的购物引导服务，帮助消费者快速锁定目标，避免迷路、绕路，提升线下购物体验。同时结合大数据分析用户消费偏好，精准化推送营销信息，帮助商场实现线下线上引流，吸引商家入驻，带动消费盈利，同时提升商场的自主服务能力，实现降本增效。 位置导航个性化营销图3 商业区应用示例 此外，医院、会展中心、政务中心、大型图书馆、园区等室内场景也有明确的定位导航和基于位置信息的精准推送需求。 面向行业用户的定位场景中，工厂园区是定位需求最多的场景。现代化工厂对产品生产流程管控的要求越来越高，工厂自动化水平也逐步提高，而精确的位置信息是生产组织信息化、自动化的前提条件。通过精确地定位生产资料、物流配送车辆、在岗工人、自动化设备位置，并实时传送至集中监控管理平台，可以中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 4 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 帮助工厂全面精准掌握每个生产环节，实现人财物协同调度，及时处理异常。 危险区监控资产管理智能物流图4 工厂应用示例 室内精准定位在公共服务方面也有丰富的应用。在交通枢纽、大型活动或体育赛事等场景下，通过室内精准定位进行人员引导，疏散路径规划，结合电子围栏技术进行场地管控等。在紧急情况救援方面，火灾、化工厂事故等救援现场往往存在视线受损或内部情况不明。在不掌握室内情况的条件下进行救援，既不利于解救被困人员，也不利于对搜救人员的保护。精确的人员、物资定位信息，可以帮助指挥员科学制定搜救方案，提升救援效率和成功率。 2.2 室内定位技术现状 室内定位方法众多，较常见的室内定位方法主要包括：基于移动通信网定位技术、基于Wi-Fi的定位技术、基于蓝牙的定位技术、基于超宽带定位技术、基于射频识别(RFID)的定位技术、基于超声波定位技术等。 1）移动通信网定位技术 室内分布系统网络主要分为传统的DAS系统和数字化室分系统两类。传统DAS系统由于终端天线为无源器件，系统仅可以定位到小区级别，不能满足室内定位需求。而数字化室分系统定位能力由微RRU部署密度决定，其定位原理和卫星定位技术原理类似，采用三点定位技术。目前常见的定位信号有三类：RSSI信号场强、到达时间差（TDOA）、到达角度差（AOA）。数字化室分系统定位，终端无需通过改造即可接入，无其他成本。 中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 5 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 图5 室内分布系统定位结构 2）Wi-Fi技术 通过WLAN可实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以无线接入点的位置信息为基础，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备位置进行定位，最高精确度为米级。Wi-Fi接入点通常覆盖半径较小，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。Wi-Fi可以随室内分布系统一起建设，现有用户终端均支持接入。 用户位置定位基站 1定位基站 2定位基站 3R3 R2用户R1图6 Wi-Fi三点定位示意图 3）蓝牙技术 蓝牙是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。蓝牙定位包括基于指纹的定位法和直接定位法两种。直接三点定位受信号衰减和多径效应影响较大，定位精度不高。指纹法构建一个指纹库，将位置信息的一种或多种特征（如RSSI）作为指纹，定位时通过检测获得的特征值与指纹库中的特征匹配，获得位置信息。指纹法定位精度与指纹库丰富程度相关。蓝牙定位主要应用于小范围定位，只要终端设备的蓝牙功能开启，室内定位系统就能够对其进行位置判断。 4）超宽带技术 天线1天线N基站接口射频接口数据传输接口射频接口天线1天线N射频接口射频接口天线簇 1天线簇 M基站接口数据传输接口eNodeBN21）If N =2, then M42）If N3, then M2LTE室内定位设备I(射频前端+定位数字处理器)用户位置信息服务器数据库LTE室内定位设备II(射频前端+定位数字处理器)中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 6 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 超宽带定位技术通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲进行定位，定位精度高，可达到厘米级。与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、能够提高精确定位精度等优点，通常用于室内移动物体的定位跟踪或导航。超宽带定位需要建设专有网络和专用定位终端，定位精度与发射接收脉冲的基站数量和位置有关，建设成本高。 图7 超宽带定位示意 5）射频识别技术 射频识别（RFID）定位技术，设置固定位置标签，阅读器利用射频方式进行非接触式数据交换，实现移动设备识别和定位的目的。RFID定位精度高，可达分米级，同时时延短、传输范围大、成本较低。但是RFID定位技术有一定的局限性，如RFID必须建设专有网络，不便于整合到移动设备之中，作用距离最长为几十米，通常只有几米，用户的安全隐私保护性差等。 6）超声波技术 超声波定位原理是通过发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出两者之间的距离，并通过三点定位等算法确定物体的位置。超声波定位整体定位精度较高、系统结构简单，但容易受多径效应和非视距传播的影响，降低定位精度，同时，它还需要大量的底层硬件设备投资，总体成本较高。 2.3 室内定位系统面临的挑战 不同于GPS定位或基站定位等室外定位技术拥有比较成熟的技术方案、标准和应用场景，室内定位技术发展相对缓慢，行业缺乏统一的技术标准，各企业采中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 7 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 用私有的技术方案，产品性能参差不齐。此外，由于室内的结构复杂多样，对定位系统设计规划的精细化程度要求更高。目前，室内定位主要面临以下几个方面的问题： 1）定位精度 更高的定位精度是室内定位一直不断追求的目标，更多的细分场景应用也对定位精度提出了更高的要求，如商场个性化营销和导航服务需要米级的定位精度，而智能制造、智能仓储场景需要亚米级，甚至厘米级的定位精度。 2）可靠性 室内定位技术存在一定的定位误差，且定位技术本身不具备对误差进行修正的能力，定位系统设计建设过程中还可能引入新的误差，将严重影响定位的可靠性。同时，室内环境动态性很强，内部结构可能会发生改变，定位设备也有故障的可能性，还可能会受到不同程度的干扰，这些因素都会对室内定位的可靠性产生影响。 3）成本和复杂度 定位系统成本包含两部分，一是定位终端的成本，如超宽带定位、射频识别定位技术，需要专用的终端进行定位，成本较高。而Wi-Fi、蓝牙、室分系统定位方法普通终端均可以支持，成本相对较低。二是定位系统建设和维护的成本，包括软硬件产品、建设费用、维护费用，以及功耗等。尤其对使用电池的硬件设备，功耗是使用成本中一项重要指标。 系统复杂度与定位需求密切相关，为了满足特定的精度要求，需要建设专用的定位网络，结合多种定位技术设计复杂定位算法，部署更密集的定位终端设备，这些措施将明显提高系统的复杂度。 4）可扩展性 如何将位置信息的价值最大化是定位技术一直面临的重要问题，位置信息只有和用户需求相结合才能发挥其价值。这就需要定位系统具备与应用相结合的能力，并可以方便地移植到不同的环境中。 中国联通5G智能室内数字化定位技术白皮书 8 /15 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 3 智能室内数字化定位能力需求 针对定位系统面临的各项挑战，智能室内数字化定位系统需要具备精确定位、便捷规划、智能管理、开放交互的能力，以满足设计建设、应用、维护的多样性要求。 3.1 精确定位 为达到精确定位，需要从三个层面提升定位性能：合理的定位技术设计保证基本定位能力；融合多重定位技术进一步提升定位精度；自适应定位算法修正，保证定位算法性能的稳定性。 不同应用场景下，对定位精度的要求有所不同。超市、仓储物流、展馆讲解等场景，需要亚米级的定位能力。而室内导航、个人商业娱乐、位置监控等应用，米极定位精度完全可以满足需求。而不同定位技术能达到的定位精度也有差异，数字化室分定位、Wi-Fi定位、蓝牙定位精度相对低，超宽带定位、射频识别（RFID）定位和超声波定位，相对精度也较高。因此，在定位系统实际建设中，选用合适的定位技术是确保定位性能的基础条件。 表1 常见定位技术比较 定位技术 数字化室分 Wi-Fi 蓝牙 超宽带 RFID 超声波 定位精度 米 米 米 分米 厘米 分米 覆盖范围 中 中 小 小 小 较大 抗干扰能力 强 强 差 强 差 差 成本 低 低 低 高 中 高 根据表1可以看到，仅使用一种定位手段，精度、覆盖范围、抗干扰能力有限，这需要通过多种技术联合定位，取长补短，有效的提高室内定位系统整体精度。可采用多种定位技术分别对已知的位置进行定位测量，以测量结果与已知位置的误差作为对每种定位技术可信度的衡量，结合机器学习技术设计智能定位融合算法，最终获得位置信息的最优解。 由于室内传播环境相对复杂，对于采用位置指纹方式的定位技术而言，离线构建指纹库采集的信息有限，影响定位精度。因此，需要指纹库在使用过程中不断进行自我完善，提升定位精度。非指纹定位也可采用智能算法结合定位数据，