5G + X融合定位技術(shù)探討
一、5G精準(zhǔn)定位技術(shù)
1.5G精準(zhǔn)定位現(xiàn)狀
根據(jù)2020年3GPP凍結(jié)的最新版本5G R16的技術(shù)指標(biāo)，5G精準(zhǔn)定位可以達(dá)到1~3米的精度。未來的5G R17版本，甚至更遠(yuǎn)的5.5G（5G-Advanced）、6G還能達(dá)到更高的定位精度，但目前沒有確定的落地時(shí)間表
2.5G精準(zhǔn)定位的瓶頸及優(yōu)缺點(diǎn)
在5G精準(zhǔn)定位的各行業(yè)潛在B端客戶中，很多客戶對定位精度要求是穩(wěn)定連續(xù)的亞米級甚至更高（參照圖1），需要達(dá)到人員所在工位、貨品所在貨架級別的定位精度，那么現(xiàn)有5G R16定位精度（1~3米）存在無法滿足客戶需求的場景。
圖1 政府規(guī)范性文件對室內(nèi)定位的精度要求
討論中的5G R17計(jì)劃在2022年凍結(jié)（已有多次推遲），定位精度理論可以達(dá)到亞米級（實(shí)際待驗(yàn)證），但距離真實(shí)落地尚需時(shí)日。5G無論是R16還是R17，在Sub-6G頻段下帶寬為100MHz，依然無法與UWB技術(shù)500MHz帶寬相比。從物理原理上看，無線電信號帶寬越寬，定位精度就可以做的越高，受多徑等環(huán)境影響就越小。越是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下，5G與UWB在定位精度和穩(wěn)定性方面的差異就會越大。
此外，當(dāng)前5G終端價(jià)格昂貴（千元量級），比UWB/藍(lán)牙等其它終端價(jià)格高出很多，功耗也更大。
現(xiàn)階段，在很多場景下，5G與定位精度更高、成本更低廉的UWB等其它成熟定位技術(shù)做融合是較好的方式。
二、5G + X融合定位探討
1．最優(yōu)方案評估
在5G與UWB-TOF/TDOA/AOA和藍(lán)牙AOA等幾種技術(shù)搭配中，5G + UWB-AOA具有最佳融合潛力，評估過程如下：
（1）部署間距是否匹配
藍(lán)牙AOA基站覆蓋距離較近（覆蓋半徑約等于安裝高度），在室內(nèi)一般按<10米（安裝高度3米）的間距布署；而5G皮基站布署間距約30米，與藍(lán)牙AOA無法協(xié)同，但與UWB基站部署密度相當(dāng)。
（2）部署數(shù)量是否匹配
UWB-TOF/TDOA在每個(gè)小區(qū)域至少要布署3臺基站才能定位，而5G皮基站只需要1臺就能通信覆蓋。UWB-AOA單區(qū)域僅需1臺基站即能定位，與5G皮基站數(shù)量相同。
（3）部署位置是否匹配
UWB-TOF/TDOA傾向于把基站布署在區(qū)域的周界，而5G皮基站適合布署在區(qū)域中間，以便提供最佳信號覆蓋。UWB-AOA定位基站也是部署在區(qū)域中間，與5G皮基站位置匹配。
2．5G + UWB部署方式
5G + UWB的部署方式廣義上說至少有如下四種：
（1）方式1：
把各個(gè)局部區(qū)域（例如一個(gè)車間、一個(gè)工段）的UWB定位基站通過PoE交換機(jī)匯聚連接，再把各個(gè)交換機(jī)通過5G CPE匯聚到中央定位服務(wù)器。
此種方式5G和UWB為獨(dú)立設(shè)備，是一種松耦合，UWB僅借用5G的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。定位服務(wù)器可以部署在云端，也可以通過MEC部署在本地服務(wù)器上。這種方式現(xiàn)階段比較成熟，但UWB和5G只算是勉強(qiáng)有關(guān)聯(lián)。
（2）方式2：
在UWB基站內(nèi)部增加5G通信的板卡（及對應(yīng)SIM卡）。UWB基站只供電，不連網(wǎng)線，每臺UWB基站直接通過內(nèi)置5G模組將定位數(shù)據(jù)連接到定位服務(wù)器。
相比于傳統(tǒng)PoE網(wǎng)線連接UWB基站，此種方式的部署成本更低，但基站成本更高（因?yàn)楹?G模塊）。因?yàn)閁WB基站的數(shù)據(jù)量并不大，對網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延要求也不用5G那么高，通過更低硬件成本的4G甚至CAT-1模組連接定位服務(wù)器也夠用，用5G有些浪費(fèi)。這種方式UWB與5G雖有物理上更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，但方案本身性價(jià)比不高，UWB和5G只算是勉強(qiáng)有關(guān)聯(lián)。
（3）方式3（5G + UWB獨(dú)立部署）：
這種方法需要UWB供應(yīng)商和5G皮基站供應(yīng)商做聯(lián)合開發(fā)，將UWB定位基站以級聯(lián)串行方式或并行通過PoE交換機(jī)連到5G皮基站的定制PoE網(wǎng)絡(luò)接口上。5G皮基站實(shí)現(xiàn)5G信號的室內(nèi)覆蓋，同時(shí)提供UWB基站的供電和數(shù)據(jù)回傳通路。定位服務(wù)器可以單獨(dú)存在，也可以部署在MEC上。這種方式UWB定位基站借用了5G皮基站的供電和供網(wǎng)，可以看做是兩種技術(shù)的管道級融合。
圖2 5G + UWB獨(dú)立部署架構(gòu)圖
因?yàn)閭鹘y(tǒng)UWB-TOF/TDOA和5G皮基站的部署位置和部署密度并不相同（對單個(gè)區(qū)域，UWB-TOF/TDOA要多臺設(shè)備部署在周界，5G皮基站只需1臺部署在中間），所以5G+傳統(tǒng)UWB-TOF/TDOA的方式并不能有效降低UWB部署成本，實(shí)際價(jià)值不大。
如果新型UWB-AOA設(shè)計(jì)得當(dāng)，其部署位置和部署密度完全可以與5G皮基站協(xié)同。5G皮基站在室內(nèi)部署間隔約30米，部署在環(huán)境的中間。全跡科技的UWB-AOA基站在室內(nèi)也可間隔30米部署，同樣部署在環(huán)境的中間。5G皮基站與UWB-AOA基站采用1拖1就近共址部署的方式，效率最高，成本最低。運(yùn)營商可以在部署5G通信基站的同時(shí)，較低成本獲得位置服務(wù)能力。這是極具未來潛力的方案。
全跡科技UWB-AOA設(shè)備與某廠5G皮基站已經(jīng)完成此種方式的對接。
圖3 某廠5G皮基站
（4）方式4（5G + UWB集成部署）：
更進(jìn)一步，如果將UWB與5G皮基站集成在同一設(shè)備中，定位數(shù)據(jù)通過5G皮基站回傳到MEC或定位服務(wù)器上，那么可以看作是兩種技術(shù) 的設(shè)備級融合。
圖4 5G + UWB集成部署架構(gòu)圖
僅有UWB-AOA可以與5G按集成部署方式部署。因?yàn)閁WB-AOA基站與5G皮基站的部署間距、數(shù)量、位置可以完全協(xié)同，其它幾種技術(shù)都存在不匹配項(xiàng)。下圖是業(yè)界首臺5G + UWB-AOA集成部署的樣機(jī)，該臺5G皮基站中集成了全跡科技的UWB-AOA電路板。
圖5 業(yè)界首臺5G+UWB-AOA集成部署樣機(jī)
3. 5G與UWB的頻段兼容評估
我國運(yùn)營商5G主力頻段如下：
UWB頻段資源如下 ：
可以看到，UWB的信道2、3、5、7、9與5G運(yùn)營商的頻段沒有沖突，可以使用。我國移動(dòng)、聯(lián)通、電信等運(yùn)營商也在積極推動(dòng)5G+UWB的研究和落地。經(jīng)過多項(xiàng)目實(shí)測，5G皮基站與UWB基站即便放在一個(gè)外殼內(nèi)，也可以獨(dú)立工作互無干擾。
綜合來看，5G皮基站與UWB-AOA定位基站可以共設(shè)備、共部署、共設(shè)備維護(hù)，具有電信級可靠性。5G皮基站+5G宏基站通過與UWB-AOA技術(shù)融合，可共同打造室內(nèi)外精細(xì)定位方案。
