釋放精準室內定位的魅力

作者 : 邵樂峰,EE Times China

毫無疑問,智慧型手機的普及和行動網際網路的發展,使地理位置服務(LBS)進入了一個新的探索期…

瞭解一個人在哪裡很重要。如果知道一個人的位置,就能更好地為他或和他一起做些事情,這就是地理位置服務(LBS)的基本概念。例如早在2013年,蘋果(Apple)就在其全美零售店中全面啟用基於藍牙低功耗技術的iBeacons室內定位方案,所有到店訪客將能夠根據其地理位置即時獲得商品資訊推送、檢測升級資格、自助結帳等服務,實現店內導購目的。

室內定位帶來了什麼?

毫無疑問,智慧型手機的普及和行動網際網路的發展,使得LBS進入了一個新的探索期。企業需求(資產管理、車位管理、導航導購、廣告推送、安全監測)和大眾需求(生活服務資訊、軌跡管理、位置共用),是目前催生市場對室內地圖流覽、室內定位、室內精準推送和客流監控與統計的主因。而室內外環境下的無縫導航定位服務、推送和顧客商業行為分析、位置感知服務和個人行跡記錄,將是未來室內定位的重點關注領域。

根據市調公司Markets and Markets的預測報告,室內定位技術的市場規模將從2017年的71.1億美元成長到2022年的409.9億美元,年複合成長率(CAGR)高達42%。從應用方面來看,機場、酒店、醫院、辦公樓和商場是最有意願部署室內定位的場景,其中機場佔比最高,達到38%;酒店佔比28%,緊隨其後;醫院、辦公樓和商業區的比例則為24%。

其實就好處而言,精確的室內定位就像20年前的GPS一樣,將徹底改變人們的生活和工作。根據估算,人們有70%的時間待在室內,因此,精準的室內定位技術將是向室內用戶提供有用、有針對性市場與服務內容的關鍵,是一個需要填補的技術缺口。定位精準度越高,服務就越有效用。

例如位置資料可提供工廠、倉庫、建築物中有關資產、庫存、工具、機器人等的即時視圖,從而提高營運效率,並推動所謂的「數字孿生」和工業4.0,這種稱為即時定位系統(RTLS)的系統已經部署在世界各地的汽車工廠等諸多場所中。

即時位置資料還是安全生產的關鍵,並且已經被建築業、採礦業採用,以定位單個工人的位置並防止他們進入危險區域。另外,在發生緊急情況時,如果急救人員知道自己在設施中的具體位置和狀態,就能更快定位並找到設施內的人員。「這就是地理圍欄(Geofencing)的概念,是使用藍牙技術支援數位鑰匙和存取控制解決方案的另一個主要用例。」SIG市場研究專案經理Youngji Kim指出,「產業綜合體可以透過手機辨識人員身份,限制人員進入危險區域。」

而在消費領域,它可用於社交網站,幫助用戶尋找擁有相同愛好的人;或是引導使用者在商場中找到所需產品。但關鍵是要提供有效的針對性內容,而不是提供毫不相干的推銷資訊,從而給消費者製造垃圾郵件。

除了增強消費者的行動生活方式外,行動定位應用的日益普及也帶來了許多新的商業機會。像機場、購物中心、會議中心、美術館等花費了大量時間和資金的公共場所,都希望能夠更加高效地服務客戶,協助他們找到相關的人、物和地點,與客戶互動,促進社交網路發展,簡化生活。在這些場所提供更優異的體驗,將能夠提高客戶忠誠度、業務盈利能力及營運效率。

把視線聚焦到一個非常引人矚目的產業——零售業,它當前正在經歷的劇烈變革,也許能幫我們更清楚的看到智慧、精準定位技術所具備的發展潛力。從以連鎖經濟為代表的傳統實體零售,到以電商為代表的虛擬零售,再到當前虛實結合的線上線下(O2O)模式,全球零售業正向著更加智慧、互連、融合的方向演進。當前零售店具備的「展示、體驗、廣告、銷售」模式,正快速向支援「資料收集與分析、社交與社區互動、智慧支付、售後服務」,同時整合線上平台+線下店面用戶體驗功能的未來零售業發展。

零售企業若想最佳化實體店體驗,就需要與線上業務擁有相同的資料:客戶數量、停留時間、對話、交易及其他行為資料,從而協助行銷人員更好地理解並與客戶互動。另一方面,數位、社交和行動平台上傳播、廣告和客戶參與專案越來越多,隨著行動裝置的激增,該領域的市場行銷與廣告投入對更具創新性、創造性的相關解決方案有著強烈的需求,室內定位技術將幫助他們在這一領域不斷創新。

恩智浦(NXP)大中華區行動設備市場及業務拓展總監李競說,室內定位一直是業界在大力推動的一個技術發展方向,基於室內定位,能夠開拓很多應用領域,包括室內路線規劃甚至是導航等,只有達到一定精準度,技術上才能更好地保障對於路線的分析和判斷,確保路線規劃和導航的用戶體驗。另外像智慧停車這樣的應用,對於室內定位精準度也有非常高的要求。

不過,需要指出的是,儘管精準度是室內定位的關鍵,但並不是所有應用都要求1公尺,甚至公分級的定位精準度,部分應用可能需要最佳化,以提供長時間的電池續航能力。因此,在選擇部署某種室內定位技術,精準度可能並不是唯一的考慮因素,還必須同時綜合考慮硬體設施成本、易用性、可靠性、即時性、技術成熟度等多重因素,尤其是成本與維護。

從這個角度來看,推動室內定位技術興起的最重要因素,更像是來自於擅長使用智慧型手機的消費者。因為更多的行動定位服務,例如各種本地搜索、購物、社交及導航應用,會讓他們的生活更輕鬆、更方便,而這些行動定位體驗要能夠用於室內外各種環境。

八仙過海各顯神通

不同於傳統室外依靠GPS、GNSS、北斗等衛星系統進行定位,更精準的室內定位可從多種技術中收集即時資訊,包括衛星系統、多種射頻系統(蜂巢、Wi-Fi、藍牙、UWB)、多種MEMS感測器(加速計、陀螺儀和指南針)等。

  • 5G

2020年7月初,3GPP完成了5G標準第二版規範Release 16,它進一步增強5G技術基礎(覆蓋、行動性、功效和可靠性等),並將5G擴展至全新案例、頻譜頻段和垂直產業,而「高精準度定位」即為R16涉及的六大關鍵發明領域之一。

 

5G定位技術催生全新使用案例。

(來源:高通)

 

「精準的終端定位對於賦能諸多垂直應用至關重要,例如公共安全和室內導航。基於蜂巢技術的定位可與現有的全球導航衛星系統(GNSS)互補,滿足戶外和室內定位的要求。」高通(Qualcomm)工程技術副總裁莊思民在自己的部落格文章中這樣寫道。

根據新規範,Release 16支援多/單社區定位和基於終端的定位,定義了一種全新的定位參考訊號(PRS),可應用於往返時間(RTT)、到達角/接收角(AoA/AoD)、到達時間差(TDOA)等多種5G定位技術。基於RTT的定位無需嚴格的節點間網路時脈同步(TDOA等傳統技術仍需要),並可支援更靈活的網路部署和維護,從而滿足室內3公尺和室外10公尺的初步5G定位精準度要求。在Release 17中,高精準度室內定位功能甚至將能夠為工業物聯網(IIoT)應用帶來亞米級精準度定位。

  • 藍牙5.1

藍牙技術聯盟(SIG)在2019年發佈的藍牙核心規範5.1版本中導入了業界期待已久「尋向功能」(direction finding),這一全新功能可協助設備明確藍牙訊號的方向,進而協助開發公分級的室內定位、物品追蹤、門禁與無鑰匙開鎖等應用。

根據藍牙SIG最新發佈的《2021年藍牙市場最新資訊》,儘管新冠疫情的爆發和由此引發的出行和工作限制導致了短期內藍牙位置服務的部署量出現了25%左右的下降。然而,由於市場對資產追蹤和室內定位用例仍持續抱有興趣,分析師預計藍牙位置服務部署量將在2021年底前實現反彈,並從現在起到2025年實現32%年複合成長率。此外,預計至2025年,藍牙醫療位置服務的部署量將成長5倍,藍牙即時定位系統部署量將達到516,000件。

 

藍牙位置服務設備年出貨量。

(來源:藍牙SIG)

 

具體來說,到2025年,藍牙即時資產追蹤用例的部署量將會達到51.6萬;室內位置服務的部署量將會成長2倍;藍牙醫療位置服務解決方案將成長5倍左右,達到38萬。另外,「智慧型手機即數位鑰匙」,現在人們已經非常能接受手機作為數位錢包的支付方式,智慧型手機將繼續擴展其在日常生活當中的作用。

AoA和AoD是藍牙5.1中主要採用的兩種定位技術。前者透過測試發射器和接收器直接的到達方向然後通過三角定位獲得發射器和目的物的方位和距離的技術,主要針對即時定位系統、物品追蹤和地標資訊;後者也是利用訊號相位差技術,主要是針對室內定位系統(IPS)。目前AOA定位提供兩種方法,一種是廣播式,設備無需配對即可以進行定位;另外一種則是點對點,需要配對成功以後才能進行定位,後一種方法更適於對安全要求較高的場景。

 

AoA-BLE演示方案。

(來源:Dialog)

 

BLE技術的支持者們認為,BLE5.1協議相容性好,採樣普通的藍牙晶片或相容藍牙廣播封包的2.4GHz晶片便可搭建,適合於包括手機在內的各種智慧終端機及物聯網裝置。而且相對於UWB晶片,BLE晶片供應商眾多,功耗不到UWB系統的1/10,成本不足UWB晶片的1/10,具有廣闊的生態空間。

藍牙技術聯盟資深市場發展總監Chuck Sabin表示,UWB技術確實能夠提供公分級精準度的位置服務解決方案,但實現這一精準度的價格成本非常之高,而且很多應用其實並不需要公分級的定位精準度。大多數客戶所需要其實是既可以為某些特定用例提供所需要的準確性,也可以為其他通用解決方案提供一定的成本優勢,而藍牙技術所提供的室內定位解決方案,就為開發人員提供了實現這些用例的靈活性,兼具精確性和成本優勢。

  • UWB

UWB室內定位定址是最近頗受關注的技術,被很多廠商看好。依照Qorvo行動產品部CTO暨技術副總裁Todd Gillenwater提供的資料,UWB能夠以極高的可靠性(99%+)達到公分級定位精準度,而其他技術的精準度僅為公尺級,可靠性也只達到70%+。

而UWB之所以優於其他技術,首先是因為其採用了飛行時間(ToF)技術,其他RF技術則依靠對環境極為敏感(如障礙、多徑、干擾等)的RSSI技術。而且顧名思義,UWB具備500MHz的極高頻寬,這也是實現高精準度的關鍵——因為解析度與頻寬(BW)成反比(解析度=1/BW)。

UWB的另一個關鍵優勢是空中交換資料封包的持續時間非常短(10毫秒)。正是由於短資料包,所以UWB設備的能耗非常低,但更重要的,是能夠讓工程師設計出具有每秒高達100倍位置更新速率的應用,這對於高速物體(如無人機、機器人等)或需要在小區域內部署非常高密度設備的應用(如在工廠中定位10,000多個零部件)至關重要,而這一切都無法利用藍牙、Zigbee或Wi-Fi等標準射頻技術達成。

瑞薩電子物聯網及基礎設施事業部資料中心業務部產品管理技術總監Steven Lee將UWB和BLE兩種技術進行了比較,結果顯示:除了具備更高的距離精準度和準確性、更好的訊號到達角精準度外,UWB還具備完全安全的測距(BLE則完全不具安全性)、低延遲測距(BLE速度較慢)和更佳的第一路徑檢測動態範圍(BLE的路徑檢測動態範圍較差),而在低速率脈衝重複頻率(LRP)、低功耗和成本這三方面,均能夠與BLE相媲美。智慧門鎖、揚聲器和監控攝影機等室內智慧物聯網應用都可望因此獲益。

聰明的蘋果在AirTag中選擇兩種技術都支援。如果AirTag就在附近,憑藉UWB超寬頻技術,用戶甚至可以看到AirTag離得有多遠,該朝哪個方向找;如果東西落在海灘或健身房等較遠的地方,AirTag則會發出安全的藍牙訊號,讓「查找」網路中在它附近的裝備可以偵測到。整個過程都是匿名的,並經過加密,以保護隱私安全。與此同時,查找也很高效,無需擔心電池續航或資料流程量的消耗。

北斗完成部署 multi-GNSS強化定位精準度

2020年6月23日,北斗三號最後一顆全球組網衛星在西昌衛星發射中心點火升空,意味著中國北斗衛星導航系統在長達26年的建設後,終於大功告成。《2021中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示,2020年中國衛星導航與位置服務產業總體產值達人民幣4,033億元,較2019年成長約16.9%。其中,截至2020年底,中國國產北斗相容型晶片及模組銷量已超過1.5億片;具有北斗定位功能的終端產品社會總保有量超過10億台/套(含智慧型手機);2020年中國公分級應用高精準度晶片、模組和板卡的總出貨量高速成長,突破100萬片,主要應用場景包括智慧連網車輛、無人機、農機、工程機械、測繪儀器、機器人和物聯網終端等,高精準度應用明顯呈現出泛在化和規模化趨勢。

在SoC晶片中支援包括北斗在內的多重衛星導航系統(multi-GNSS),其最為突出的優勢是定位有效性、可靠性的提升。例如在樓宇遮擋嚴重的區域,僅靠單獨GPS可能無法定位,而北斗、GPS組合後衛星數量多出了一倍,定位成功率將明顯提高。在因遮擋導致定位精準度下降的場景中,多系統亦能改善定位精準度。當然,從硬體成本來看,多系統可能會比單系統增加一定成本,但如果能透過巧妙的演算法設計將其控制在微小範圍內,且隨著晶片製程的發展,成本不會成為障礙。

目前來看,支持multi-GNSS的優勢主要在於定位精準度及定位覆蓋範圍,而難點則是需要在功耗及所需衛星數量與定位精準度及覆蓋範圍之間實現最佳平衡。同時,實現室內和室外定位轉換非常具有技術挑戰性。室外GNSS可能不夠精準,無法正確定位某個建築的入口,且還必須確保GNSS與Wi-Fi或其他基於訊號的系統之間實現流暢、精準的轉換。

室內室外定位轉換面臨的另一挑戰則是室內地圖的可獲得性和標準,包括樓層選擇API。目前有廠商正在不斷集中開發相關技術以提升多路徑效應,從而提供最佳的定位性能並實現對跟蹤系統資源的動態控制,以均衡功耗與定位精準度。此外,儘管不是所有的設備都配備MEMS,但如果在GNSS定位中使用MEMS器元件,將有助於大幅提升許多應用中的定位精準度。

本文同步刊登於EE Times China 2011年10月號雜誌

 

 

 

 

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