5G 室内融合定位白皮书

Posted 2022-08-24 爱是与世界平行

1 室内定位应用场景

目前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，在多种行业得到关注。

1.1. 企业服务领域

1.1.1. 智慧商超

我国有数千个大型商超/购物广场，最大的商超/购物广场面积达121.5万平米，日消费 者超20万人。商超作为最重要的室内商业环境之一，室内定位技术将为其智慧化转型提供重 要支撑，定位技术在商超中发挥的重要作用主要体现在两个方面：

提升消费者购物体验，对于消费者来说，通过室内定位技术，为广大手机用户提供精准 的商品推送、定位导航、停车场反向寻车等服务。

优化经营活动，对于商超经营者来说，通过室内定位技术，为其提供了位置大数据商业 分析工具，来优化其经营活动，在为消费者提供精准的商场定位、导航、导购服务的同时， 为商场提供客流动线、停留时长、到访频次等分析核心信息，动态模拟商场的业态规划和布 局调整后带来的人流及销售收入的变化等。

商超领域，利用位置信息提高消费者购物体验，产品推送及运用位置数据优化运营，主 要特点是定位终端在消费者侧，需要要求定位终端具有通用性、成本低的特点，同时其对定 位精度要求1~3米，可以定位到车位或者商超区域。

1.1.2. 智能制造

高精度的位置数据作为智能工厂数据流的重要组成，是智慧工厂业务流中时间、空间、 状态三大数据指标之一，空间位置数据的精确性、实时性以及覆盖完整性，是智能工厂前端感知质量的重要评价维度。构建基于室内定位技术的高精度定位管理系统，从不同类型制造 企业管理的难点痛点出发，可借助室内定位技术，实现对工厂内的人、车、物、料等的精确 定位、无缝追踪、智能调配与高效协同，用来大幅提升工厂的精益生产及精细化管理水平。

目前航空航天、汽车制造与装配、电子制造、家电制造等智能制造应用领域均在积极引进室 内定位技术实现厂区内的高效管理。定位技术在智能制造中发挥的重要作用主要体现在三个 方面：

人员高效管理，基于对人员的实时定位数据，进行人员考勤、工时统计、到岗/离岗等 工作状态的管理等。

物资物料定位追踪，生产过程追溯，通过采用室内定位技术，实现对每个产品生产流转 过程（包括订单接收、确认产品ID、生产组装、测试、厂内仓储、厂外物流等环节）的全程 追溯及作业过程的高度透明化，规范作业流程的同时，大幅提高作业效率。

适配工具查找与防错，通过在设备工具上安装独有的ID位置标签，并根据移动终端推送 的执行信息，根据实时显示的工具位置快速获取工具，以实现在正确的时间、正确的地点、 针对特定的部件，获取正确的操作工具，执行正确的操作程序等，提高工作效率并防止工具 错配影响产品质量。

智能制造领域，位置信息主要用来提升生产效率及供应链管理，对工具防错以此提高产 品质量。智能制造对定位精度具有较高要求，需要10~30cm定位精度，且其作业场景也对定 位技术的抗干扰、抗遮挡能力也有较高要求，对于定位终端主要面向的是设备和企业员工， 终端可以定制，但功耗尽量低。

1.1.3. 仓储物流

经济全球化步伐加快、物流活动日益庞杂的背景下，仓储物流作为货物流通过程的中枢 环节，越发成为决定企业发展及产业链竞争力的关键。制造业、电商业、第三方物流等各类 型物流在港口码头、仓库的作业场景，通过室内定位技术与RFID、二维码等结合，使得周转 过程中的每一个元素都可以被感知和被追踪，结合不断优化的大数据分析平台进行分析，使企业的物流能力进一步优化和提高。室内定位技术在仓储物流中发挥的重要作用主要体现在 以下方面：

货物实时动态有序管理，通过室内定位技术对仓储物流众多数量及品种的物资进行实时 动态有序管理，实现物资的入库、出库、移动、盘点、查找等流程的智能化管理水平及物资 流转速度，最大程度避免入库验收时间长、在库盘点乱且数量不准、出库拣货时间长且经常 拣错货，以及货物损坏、丢失或过期等索赔问题。基于对每个货物的精准定位，结合CV（计 算机视觉），可以快速定位到破损或者滑落滑道的异常货品，以及对于滑道口堵塞、运输不 通畅等作业进行预警。同时对于上架作业的布局合理性、拣货的最佳路径结合方面做最优化 库房上架管理，并且流转到分拣中心时，可以有效防止货物被分拣到错误的网点或者分拣中 心。

车辆设备智能调度与安全管理，针对存储量大、流转量大、占地面积较大的物流仓库、 港口码头等，通过定位技术实现对叉车/拖车的统筹管理，通过实现智能调配及合理路径规 划防止走错位等情况，以此提高叉车/拖车利用效率；通过设置安全距离及电子围栏，最大 程度防止人车碰撞事故发生。精准定位使得仓库内叉车、地牛、笼车的管理更加简单，可操 作性更高。实际应用方面，比如对叉车作业时托盘货物的装卸、码垛、短距离运输，以及车 辆的反向寻找、路径规划导航等，以及基于实时位置精准追踪可以作用于人车安全、车车安 全，减少仓内事故。

高效人员管理，基于对人员的实时定位数据，进行人员考勤、工时统计、到岗/离岗等 工作状态的管理等。有了精准室内定位的加持，可以作用于提升仓库工作人员的实时调度、 作业区域管理、安全通道聚集预警的准确率。比如库内常见的复核、拣货操作，可以根据人 员和包裹的位置提前做好拣选路径优化，实现货物拣选的成本最优化。同时，不断记录人员 的轨迹信息，和货物拣选行为做数据分析，通过无监督学习，持续优化拣货路径推荐结果。

同时，通过人员热力的呈现，也能辅助仓储内管理人员更加合理的人力布局以及做考勤等业 务管理。

载具管理与自动化，对承载货物的可移动货架、托盘、料箱等载具进行定位，通过对载 具的有效管理，间接实现对其承载货物的有序化管理。另外，面对AGV等自动化设备应用越 来越广泛的今天，可通过定位技术实现AGV与载具的高效协作，实现自动化取货等功能，进 一步释放自动化设备的价值。

在仓储物流作业场景中，位置信息主要用来提升仓储秩序与物资流转效率，对定位精度 具有较高要求，对定位终端或者定位标签要求体积小、功耗小，尤其对货物上的定位终端。

物流仓储应用场景结合5G、定位、IoT、AI等技术，协同推动物流智能化发展，共同驱动物 流行业的降本增效。

1.2. 政府与公共服务领域

1.2.1. 交通枢纽

随着城市的发展，机场、火车站、地铁站等交通枢纽越建越大，越建越复杂，因此“找 路难”成了很多人面对的难题。例如在北上广深等一线城市中，处于线路交汇的地铁枢纽通 常具有多个出入口，每天的人流量极其庞大，室内定位技术可以为其智慧化转型提供应用技 术基础能力，可以主要考虑的服务：

方便乘客出行，为广大客户提供精确定位与导航，更准确地找到进出地铁站路线等，机 场、火车站、地铁站等交通枢纽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。

提升管理水平，通过客流热力分析，人流规律、人流走向等，智能引导客流量，提前部 署应对，避免客流滞留等问题。

交通枢纽主要用于个人的导航、出行指引，同时使用人流人力图分析客流量，总体对定 位精度要求不高，3~5米定位精度可以满足需求，同时主要面向个人提供服务，定位终端要 求普遍适用性。

2 定位端到端技术分析

面向行业应用的定位服务，整个系统分为终端层、网络层（定位网络&通讯网络）、平台层、业务层四层，不同的层需要对应的技术发展支撑，定位终端感知赋能业务应用层，实现现实世界的数字化与智能化。5G网络浪潮的到来，各种技术、设备、应用逐渐完善和成熟，多样化的应用服务不断涌现，为定位端到端产业链带来机遇，同时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。

2.1 网络层-定位技术

GNSS卫星导航系统等传统GPS定位方式，在室内环境存在较大的局限，无法满足各行各业的室内应用的需求，各种室内定位技术如雨后春笋般涌现，百花齐放。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。

2.1 UWB定位技术

UWB(Ultra Wideband)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。UWB信号的频率高，功耗低，多径分辨能力强，对信道衰落不敏感，这些特性特别适合UWB技术在室内定位领域的应用，是UWB定位技术精度较高的基础条件。

在定位区域内固定位置部署UWB定位微基站，UWB定位微标签主动发送UWB超窄脉冲。定位系统基于UWB信号进行位置分析计算，UWB定位技术中常用的定位算法有TOF、TDOA等。

a) TOF算法

当定位微标签进入定位微基站覆盖的区域后，定位微标签和定位微基站进行双向通信，利用TOF算法计算出定位微标签和定位微基站的距离。定位微基站将数据回传到服务器，服务器根据距离计算出定位微标签的具体位置。TOF算法的精度稳定可靠。

b) TDOA算法

当定位微标签进入定位微基站覆盖的区域后，定位微标签主动向定位微基站发射信号。

定位系统根据不同基站收到同一帧信号的时间差，计算出定位微标签所在的双曲线，多条双曲线相交得到标签的坐标值。和TOF算法相比，TDOA算法消耗的通信帧数较少，能容纳更多的定位微标签同时通信，但是定位的精度与稳定性逊于TOF算法。

将以上两种算法有机结合，可以得到更好的适用性，并保持高精度的定位效果。UWB定位技术的精度较高，稳定性高，同时成本也比较高。

2.3 定位平台

定位平台主要考虑多层次定位融合能力，基于MEC边缘云平台提供定位解算服务能力、LBS定位能力、业务应用平台服务三方面能力，形成融合开放系统，提供基础定位服务。

在各垂直行业的实际应用中，现场环境和需求场景不同，根据其定位空间维度的不同需求，提供不同的定位模式，目前普遍使用的定位模式有如下几种。

不管哪种定位模式，最终都有定位解算平台进行计算。在定位解算服务平台，通过终端上报的无线蜂窝通讯、蓝牙、UWB或者SLAM多个定位信息，通过位置解算算法，最终获得终端当前位置，完成提供零维定位、一维定位、二维定位不同维度的位置信息，匹配不同精度、复杂场景需求。

LBS定位平台即移动位置服务，它主要功能是通过网络运营商的无线电通讯网络获取移动终端的位置信息（地理座标），其同时支持各种网络制式，帮助运营商节省投资、简化运维，支持CELLID、TA、RTT、ECID、OTDOA、A-GPS等各种定位方法，支持虚拟化/云化部署， 支持弹性可伸缩，降低运营商CAPEX/OPEX，实现业务平滑升级。

MEC边缘计算平台，提供边缘计算资源，结合5G网络，贴近用户部署，进一步降低用户网络时延。MEC边缘云可为定位技术提供解算平台，满足定位解算服务统一部署，并提供统一对外接口将位置信息供第三方应用服务实时调用。同时MEC边缘计算平台为各种定位解算服务、应用服务提供算力，协同融合多种定位内容，实现多种不同定位技术的组合的可能性，更好的为各种定位应用提供位置服务，通过位置大数据提供更有价值服务。

整个定位平台可以下沉部署在边缘云平台，同时也可以部署在核心网后端核心机房，运营整张网络的运营商具有管理整个定位平台的先天优势，可以为各种应用提供定位信息基础接口。目前各个运营商积极探索定位平台的统一管理，定位服务商业模式，构建整个定位产业链的基础平台。

2.4 业务层

室内场景业务纷繁，业务层依赖于平台层提供的定位服务、地图服务等，为各个应用场景下提供丰富的服务业务。应用层是最终用户层需求的体现，定位能力作为一个原子能力开放给各行各业的应用平台，应用层的发展依赖于整个生态链的发展，例如终端芯片、企业平台，直接面向最终用户，满足需求。室内位置服务关联应用业务，虽陆续已有企业部署定位相关应用，但目前并没有一个统一的应用平台，需要产业链推动应用的标准化，规范化，以便快速满足企业各种多样化、场景化的需求。

室内应用一种是基于人的定位，提供考勤、轨迹跟踪、导航服务、热力分析等应用服务，一种是基于物的定位，提供电子围栏、物品轨迹跟踪等。业务应用主要涉及原子功能：

1. 环境物理结构全局化展示，提供室内地图浏览功能，方便在多种场景中呈现环境整体结构。

2. 提供路线路径规划及导航，为用户提供室内导航，定位当前位置，并可根据目的位置进行路线规划。

3. 轨迹大数据分析，基于室内定位数据和室内地图平台，从时间和空间多维度分析挖掘海量人员定位数据。分析需要关注的个人或者人群在特定时期或时段内的活动轨迹，借助于室内地理信息系统空间分析，可以生成基于地图的用户行为分布报告地图，可以在地图上可视化渲染出用户的位置分布情况，输出用户位置分布色谱图、点密度图等各类专题地图，上层应用基于大数据分析进行人流分析、设备轨迹分析等进行企业管理。

4. 电子围栏，实现在地图上定义需要重点监控的危险区域或需进行商业推送的区域，该区域可以是一个圆、矩形，或者是一个任意形状的多边形区域。如果指定终端靠近该区域，自动触发条件，产生报警信息或进行信息的推送。

业务层直接面对各行各业企业客户，不同场景的客户需要不同，即使相同场景下不同客户的需求也有会有些不同，形成应用层本身的原子能力，适应需求。同时 5G 网络建设下，运营整个网络的运营商，势必推动产业链的业务层标准化、规范化，能够更快的匹配客户的多样化需求。

2.5 地图服务

在室内位置应用中，室内地图是底层必需的定位数据承载平台，基于实时位置大数据，一方面进行室内人流、物流、车流的可视化展现，同时可结合商业数据、物联数据后进行高级分析得到蕴含商业价值的数据，这些数据都需要通过可视化的手段在地图中展示。在 B端，楼宇管理者结合室内地图应用完成楼宇应用业务系统，优化管理水平，提升运营效率，制定业务策略；同时在 C 端，室内地图及定位数据的外部公众服务平台可以帮助引导客户消费，提升客户服务质量，消费者利用地图工具做出更好的选择。室内地图的二维形式可以对目标区域进行全局化的展示，三维形态相比二维形态更加直观，可以达到立体化了解室内情况的效果，对目标区域进行一眼观山的展示，二三维一体化的地图应用可以全面准确的呈现室内环境及位置轨迹的规律。

定位应用最终离不开地图技术，室内地图目前还没有和室外地图一样，具有极高的空间应用价值，为了提升用户友好度，提供统一的室内地图，快速开启应用开发，与定位系统快速对接，本章节主要描述室内地图解决方案，同时可以利用惯导、大数据分析定位数据。

系统运用二三维一体化技术，首先满足业务需求，有友好、直观的展现形式，同时保证工作效率以及在较低成本的情况下可以快速成图，迅速发布，需保证实现室内外地图无缝切换。可视化设计工具，灵活、快速地满足不同用户对数据不同角度的可视化需求，以多维度、 多种方式把数据分析结果直观展现给用户。

如果面对大批量室内数据统一管理的需求，运用位置大数据中台的架构，在数据入库、抽取、输出以及挖掘中，一方面实现数据的统一管理，另一方面为 C 端及 B 端客户快速输出地图及定位数据，以便服务于前端快速、复杂、多变的业务需求。

提供室内地理信息系统应用功能的原子能力

1. 室内地图提供，提供地图浏览、图层显隐等基础功能，支持多种坐标系，坐标配准， 便于多种室内外定位技术接入。

2. 室内外地图无缝切换

室内地图与室外地图进行坐标系配准，室内外地图融合为“一张图”，依据室外定位源及室内定位源的变化切换，允许地图联动，实现室外到室内/室内到室外的无缝切换，也可以通过点击进入等其他方式进行切换。

2.6 室内外地图融合

室内地图服务的基础是能够提供室内空间位置信息的室内地图，与室外地图相比，其在小区域内反映相同平面坐标系下不同高度上的人工构筑物的内部元素，比例尺大、精度要求高，特别是对高程信息的表达，是显著区别于室外地图的特点。针对室内地图的特点，研究室内地图通用或标准的表达方式，以支持大型场馆建筑的室内定位服务，显得尤为重要。基于现有电子地图，并结合GPS定位技术，位置服务为人们的日常出行提供了完善和便捷的定位导航服务。但是，现有电子地图表示的都是室外区域，当将其延伸到室内领域时，碰到了两个难题：1) 传统的GPS定位技术在室内环境下无法正常工作；2) 传统定位导航地图均是平面地图。但是对于室内场馆，不仅具有平面坐标系统，而且高程系统也同样重要。同一楼层内具有水平交通，楼层间也具有竖向交通，如何解决立体地图的设计并实现立体交通的导航是室内位置服务急需解决的难点之一。

相比室外地图，室内地图需要在相对小的范围内展现复杂的室内元素和信息，同时由于室内场景的变化频率要远高于室外场景，所以室内地图的更新需求和频率也比室外地图要高。随之室内场景业务满足范围越广，室内和室外地图无缝融合切换是一个重要的需求，可以考虑室内地图和室外地图使用同样的投影体系、坐标体系，地图表现形式2D、2.5D、3D几种类型，室内POI数据不同于室外POI，要想使室内结构一目了然，用户有良好的室内体验，需要采集包含电梯、扶梯、商铺等高精度地图元素，使用户轻松找到室内ATM、问询处、店铺等位置，同时支持室内2D/3D精细地图渲染和呈现。同时，应用层面需要各个楼层切换流畅，POI数据精准展示需要不断的产品迭代打磨。大型商超和交通枢纽以及重要场馆因其商业化价值高成为室内地图的优先采集场景。目前百度地图高精度室内地图覆盖全国5000多家大型商超的室内建筑，逐步完善室内室外地图的感知。

室内定位位置服务端到端的产业链中，支持室内定位的地图应用成为C端用户感知室内定位重要性和便利性的第一门户，诸多衍生场景的孵化离不开C端用户对大众出行应用的感知认可。为了满足不同业务场景的定位需求，室内导航应用需要在信息通路建立的基础上为不同行业打造个性化的解决方案，提供一站式的产品与服务，将传统场景融入智慧物联，解决行业痛点，助力产业迭代升级。

3 定位融合方案

3.1 5G+UWB/蓝牙 AOA 高精度室内定位

5G技术大大提升移动网络性能，提供大带宽、低时延、广连接的网联能力，为垂直行业的数字化提供必要的技术保障，蓝牙、UWB高精度定位可以达到厘米级别定位精度，结合通讯和定位精度的需求，5G融合高精度室内UWB、蓝牙AoA等室内定位解决方案应运而生。本方案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，同时结合边缘计算、大数据等领先技术，提供亚米级定位精度，满足智慧园区、交通枢纽、工业智能制造、大型展馆等室内场景下的各种定位业务需求。

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。

该系统融合由硬件层、网络连接层、数据解算层和应用层四部分组成。

硬件层是融合定位系统实现通信、定位功能的主体部分，包括定位微基站、定位微标签、 5G智能室分系统（BBU、PB和PRRU）。其中，定位微基站和定位微标签，为定位功能硬件单元。BBU、PB和PRRU为5G通信功能硬件单元。

网络连接层主要功能是为定位微基站采集的数据回传至MEC，提供网络链路。

5G融合UWB/ 蓝牙AOA定位融合方案组网架构如图所示：

数据解算层是实现标签位置计算的关键，位置解算引擎将定位微基站回传的数据，经过 数据清洗，依据不同的定位算法（TOF/TDOA/AOA/AOD等），解算出标签位置坐标。解算引擎部署在MEC，可以充分利用MEC平台提供的计算资源、存储容量、处理能力，发挥5G网路高速率，低时延，大链接的优势，进而提升网络利用效率和增值价值。

应用层针对行业客户的需求，利用5G融合室内定位技术，完成业务层面的呈现，实现海量位置数据赋能千行百业。个人服务方面，定位技术助力个人室内导航，车库导航，电子导诊等位置服务；企业服务方面，定位技术通过提供人与物的定位，助力企业安全管控和生产效率提升；在公众服务方面，定位技术能够提供基于精确位置信息的人流量统计、紧急救助、紧急搜救，助力公共安全与应急救援。