5G時(shí)代，定位技術(shù)與位置服務(wù)將帶來(lái)哪些新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)呢?

2019年7月30日下午，由中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟主辦，深圳物聯(lián)傳媒承辦，Redpoint Positioning、成都四相致新科技有限公司特別贊助的一年一度“深圳國(guó)際高精度定位技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新高峰論壇”將在深圳會(huì)展中心舉辦，匯聚目前活躍在一線的定位企業(yè)以及學(xué)術(shù)專家300余人，共同探討UWB、藍(lán)牙、5G定位、GNSS慣導(dǎo)等主流的定位技術(shù)的最新突破與創(chuàng)新應(yīng)用與挑戰(zhàn)。

東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室齊望東教授以“5G時(shí)代下普適定位技術(shù)展望”為主題，分享了他對(duì)目前各種定位新技術(shù)的思考以及未來(lái)5G時(shí)代，定位技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢(shì)。

齊教授表示，理想的普適定位服務(wù)是我們能夠獲得任何人和物在任何時(shí)刻的精確位置，不管他處于什么環(huán)境。GNSS(Global Navigation Satellite System)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是一種普適定位系統(tǒng)，覆蓋了整個(gè)地球的表面。GNSS已經(jīng)深刻地改變了交通、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，極大地方便了人類的生活與工作。GNSS在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)了重要的地位，歐盟GDP的6%-7%依賴于GNSS。

GNSS雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但是它仍然存在著很大的局限性。在城市環(huán)境，GNSS的衛(wèi)星信號(hào)易受到高層建筑的遮擋和反射，非視距和多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，定位誤差大。GNSS信號(hào)功率非常低，會(huì)受到墻體的阻隔無(wú)法進(jìn)入室內(nèi)，因此室內(nèi)通常無(wú)法進(jìn)行GNSS定位。

普適定位面臨的挑戰(zhàn)

在室內(nèi)和城市峽谷提供高精度的普適定位服務(wù)面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一點(diǎn)，每個(gè)建筑物中需要單獨(dú)部署基礎(chǔ)設(shè)施，每個(gè)城市街道需要單獨(dú)部署基礎(chǔ)設(shè)施;第二點(diǎn)，不管是距離測(cè)量還是方向測(cè)量，測(cè)量的都是直達(dá)路徑的信號(hào)，但是復(fù)雜環(huán)境存在的大量反射信號(hào)會(huì)干擾直達(dá)路徑信號(hào)，必須減小復(fù)雜環(huán)境存在的大量反射信號(hào)對(duì)直達(dá)信號(hào)的干擾。

WiFi定位

目前WiFi定位主要是基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的三邊定位以及指紋定位。百度地圖室內(nèi)定位使用了增強(qiáng)型WiFi指紋(眾包)，同時(shí)結(jié)合地磁定位，但是定位精度仍然差強(qiáng)人意。

802.11-2016標(biāo)準(zhǔn)支持FTM(Fine Timing Measurement )技術(shù)，可較為準(zhǔn)確地測(cè)量ToF。最新的研究測(cè)試表明在80MHz帶寬以及弱多徑環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)1~2m的測(cè)距精度。

但上述測(cè)量方法仍然存在一些問(wèn)題：指紋法的采集/維護(hù)工作量大，容易受到環(huán)境變化的影響，難以廣泛部署;RSSI定位方法在復(fù)雜的多徑環(huán)境下，測(cè)距定位性能急劇下降，誤差可達(dá)十幾米;FTM測(cè)距精度與帶寬相關(guān)，但是沒(méi)有利用多天線，其抗多徑能力仍然受限。

藍(lán)牙5.1定位

藍(lán)牙5.1全新測(cè)向功能支持AoA (Angle of Arrival) 和AoD (Angle of Departure) 測(cè)量，測(cè)向精度可達(dá)到5°。受制于較低的瞬時(shí)帶寬以及2.4G頻段信號(hào)擁擠造成的干擾，藍(lán)牙測(cè)向定位精度有限。

UWB定位

UWB帶寬大于500MHz，抗多徑和抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，利用超窄脈沖可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的精確室內(nèi)定位。UWB標(biāo)簽雖然已經(jīng)可以做到小型化，但目前沒(méi)有集成到智能手機(jī)，所以待定位目標(biāo)需要單獨(dú)配備UWB標(biāo)簽。UWB技術(shù)通常用于特定行業(yè)，其基站在人流密集的城市和室內(nèi)環(huán)境下覆蓋率很低。

Locata定位

Locata技術(shù)由澳大利亞一家公司開(kāi)發(fā)，用于當(dāng)GPS信號(hào)被遮擋、干擾時(shí)， Locata可代替或增強(qiáng)GPS實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下厘米級(jí)高精度定位。Locata使用了地面設(shè)備而非衛(wèi)星，在局部區(qū)域可發(fā)射出比GPS強(qiáng)100萬(wàn)倍的無(wú)線電信號(hào)。Locata定位系統(tǒng)缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由流動(dòng)站、地基衛(wèi)星站以及高精度同步網(wǎng)絡(luò)等多部分構(gòu)成。此外，部署成本高，專業(yè)級(jí)接收機(jī)價(jià)格甚至可達(dá)1萬(wàn)美元。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施，幾乎無(wú)所不在，在城市的覆蓋尤其完善，有助于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位。從2G到4G，Cell-ID，OTDoA，UTDoA等蜂窩定位技術(shù)在不斷發(fā)展演進(jìn)。但目前只能提供粗略的位置信息。

因此，目前定位技術(shù)無(wú)法同時(shí)解決普適定位所面臨的兩大挑戰(zhàn)。那新的5G技術(shù)將帶來(lái)什么呢?

5G時(shí)代的新機(jī)遇

構(gòu)造高精度普適定位系統(tǒng)的關(guān)鍵在于遍及建筑物的基礎(chǔ)設(shè)施以及克服多徑的測(cè)量技術(shù)。而隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，普適定位將帶來(lái)新的機(jī)遇。

新機(jī)遇的本質(zhì)包括兩點(diǎn)：一是移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站密集地分布在城市街道和室內(nèi)環(huán)境;另外一個(gè)是大帶寬和多天線使得通信設(shè)備具備了對(duì)抗多徑的條件。

這兩點(diǎn)在5G之前都不具備。目前使用WiFi和LTE設(shè)備進(jìn)行的AoA測(cè)量與定位測(cè)試首先要強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通智能手機(jī)的精確測(cè)向和定位;其次，目前基站設(shè)備使用的帶寬和天線配置未來(lái)會(huì)進(jìn)一步升級(jí)，定位性能會(huì)進(jìn)一步提高。

5G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1、 超密集網(wǎng)絡(luò)

5G的超密集網(wǎng)絡(luò)使得基站密度顯著提高，基站間距離低至幾十米甚至十幾米，信號(hào)覆蓋性極佳，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的可靠定位。

2、大帶寬和多天線

隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，克服多徑效應(yīng)的關(guān)鍵是大帶寬和多天線，該條件已經(jīng)具備。5G最大信道帶寬可以達(dá)到200MHz，支持高達(dá)640MHz聚合帶寬。802.11ac和802.11ax可支持最大160MHz的帶寬。

5G基站配置的天線單元數(shù)量可達(dá)上百個(gè)，能實(shí)現(xiàn)Massive MIMO。WiFi可支持多達(dá)8天線的MIMO技術(shù)。

而大帶寬和多天線的特征與高精度的測(cè)角(AoA)需求完美匹配。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用5G毫米波技術(shù)將帶來(lái)更豐富的頻段資源，同時(shí)使得天線陣更加小型化。

總結(jié)

隨著5G的到來(lái)，高精度普適定位服務(wù)將惠及人類活動(dòng)最頻繁的城市街道和室內(nèi)環(huán)境。普適定位系統(tǒng)2.0將主要是一個(gè)GNSS與5G的融合系統(tǒng)。其中，AoA將會(huì)在5G定位中扮演重要角色。而在普適定位系統(tǒng)2.0時(shí)代，WiFi、藍(lán)牙、UWB等將發(fā)揮區(qū)域性輔助或增強(qiáng)作用。