超全解析蘋果的室內(nèi)定位技術(shù)！

蘋果推出基于UWB（Ultra WideBand，超寬帶）技術(shù)的電子追蹤器AirTags（Apple Tags），并預(yù)測出貨量將達(dá)千萬等級，甚至有可能成為繼目前十分火爆的TWS產(chǎn)業(yè)之后下一個聚焦熱點，前景十分看好。

根據(jù)曝光的消息，AirTags應(yīng)該是一個小小的圓形白色物件，通過藍(lán)牙和iPhone等其他蘋果硬件設(shè)備配對，并將利用iPhone 11系列當(dāng)中的超寬帶U1芯片實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的室內(nèi)追蹤；它還將具有增強現(xiàn)實組件，使您可以通過將相機對準(zhǔn)按鍵或其他物品可能存在的區(qū)域來定位物品。這是目前上其他同類產(chǎn)品所無法比擬的。

AirTags 本質(zhì)上是一種基于UWB技術(shù)的近距離尋向和高精度定位產(chǎn)品，通過提供短距離測量功能，這款設(shè)備將增強iOS的尋找功能和增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用的用戶體驗。由于蘋果巨大的產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)能力，該報導(dǎo)在業(yè)界引起不小的反響。

為更好了解室內(nèi)定位技術(shù)分類及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，本文將就其原理進行基本介紹，并就高精度定位技術(shù)發(fā)展趨勢進行展望。

室內(nèi)定位市場 01 PART

室內(nèi)定位就是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)物體或人的位置定位。近年來，隨著室內(nèi)定位技術(shù)精度的提高，室內(nèi)定位為零售、制造、醫(yī)療、機器人等行業(yè)提供十分準(zhǔn)確的位置信息數(shù)據(jù)，成為物聯(lián)網(wǎng)時代的重要基礎(chǔ)。不可否認(rèn)的是，未來是物聯(lián)網(wǎng)的時代，而室內(nèi)定位技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)，自然能夠獲得更大的市場機遇。

據(jù)統(tǒng)計，普通人有80%時間是在室內(nèi)度過，而在眾多的數(shù)據(jù)中，位置數(shù)據(jù)是一個重要的維度，未來50%以上的信息都與位置數(shù)據(jù)相關(guān)。要采集位置數(shù)據(jù)就需要依賴定位技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展，定位技術(shù)的各項性能指標(biāo)也得到了長足的進步，基于定位技術(shù)的相應(yīng)市場也正在逐漸開啟。

室內(nèi)定位應(yīng)用廣泛，大概有四類市場：

政府類應(yīng)用：公、檢、法、司、機關(guān)等

工業(yè)類應(yīng)用：貨品倉庫、智能工廠、地鐵、隧道、礦井等；

商業(yè)類應(yīng)用：商場、博物館、體育館、展覽館、圖書館、地下車庫等；

消費類應(yīng)用：防丟器、跟隨器等；

據(jù)Market&Markets的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，未來幾年，室內(nèi)定位的全球市場將以42.0％的年復(fù)合成長率增長，市場規(guī)模預(yù)計從2017年的71億1000萬美元擴大到2022年的409億9000萬美元。特別是以蘋果為代表的手機企業(yè)將高精度定位系統(tǒng)引入手機生態(tài)系統(tǒng)后，原本To B的商業(yè)模式將快速過度到To C的市場，這必將引起新一輪市場的快速增長。

預(yù)計2018 ~ 2022年期間，室內(nèi)定位技術(shù)將廣泛滲透進入智能制造、智能建設(shè)、養(yǎng)老醫(yī)療、公共安全、物流運輸?shù)刃袠I(yè)應(yīng)用，逐漸成為追蹤和定位服務(wù)的主流技術(shù)。

02 PART 室內(nèi)定位技術(shù)簡介

定位技術(shù)方面，GPS技術(shù)應(yīng)用最成熟也最廣泛，但它不支持室內(nèi)定位。室內(nèi)外區(qū)域定位常用到的技術(shù)有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍(lán)牙和UWB超寬帶技術(shù)，各種技術(shù)有各自的特點，如下表所示：

定位精度（米）覆蓋范圍保密性穿透性抗干擾維護成本建設(shè)成本功耗頻譜資源

RFID5～100小高差好低中低無源（13.56MHz）

有源（～900MHz）

紅外線5～10小差差好低中中LF（～38KHz）

藍(lán)牙Beacon1～5大一般好差高低低2.4GHz ISM

Zigbee3～10大一般好差低低中2.4GHz ISM

Wi-Fi3～15大差差差高低高2.4GHz ISM

UWB0.1～0.5小高差好高高高3.1GHz～10.6 GHz

AOA-BLE0.3～1大高好中低中低2.4GHz ISM

有眾多技術(shù)可以實現(xiàn)室內(nèi)定位，其中包括RFID、紅外線、藍(lán)牙Beacon、Zigbee，Wi-Fi、UWB及AOA-BLE，每種技術(shù)都有其長處和不足，其中高精度定位領(lǐng)域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技術(shù)；下面分別就這兩種技術(shù)進行詳細(xì)說明。

01 UWB定位技術(shù)

UWB定位系統(tǒng)在室內(nèi)定位市場中占據(jù)30% ~ 40%的市場份額。制造產(chǎn)業(yè)中的資源利用和工作流優(yōu)化，使企業(yè)對基于UWB技術(shù)的實時定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求日益增長，促進了UWB技術(shù)在定位精度方面的進步，提升了市場競爭力。

UWB是一種寬帶短距離的無線脈沖通信技術(shù)，在室內(nèi)高精度定位技術(shù)方面，UWB被視為最有發(fā)展前途的技術(shù)之一，其擁有精度高、抗多徑干擾能力強（多徑：是指RF信號通過不同路徑到達(dá)同一接收端）、保密性高等特點而被廣受關(guān)注。

UWB 定位基本原理

TOATDOATOF

概念TOA（Time of Arrival，到達(dá)時間）技術(shù)是一種基于終端與基站之間的傳播延時來計算兩者之間的距離的方法。當(dāng)三個基站參與測量時，就可根據(jù)三角定位法確定終端所在的區(qū)域。TDOA （Time Difference of Arrival，到達(dá)時間差）技術(shù)是一種利用到達(dá)時間差進行定位的方法又稱為雙曲線定位。TOF （Time of flight，飛行時間法）技術(shù)是一種雙向測距技術(shù)，它通過測量UWB信號在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時間來計算距離。

基本原理

精度低較高高，功耗低低高，容量高較高低

同步要求非常高（基站與終端要同步）高（基站之間要同步）低（無嚴(yán)格同步要求）

應(yīng)用特性適用于簡單場景適用于空曠或較為簡單場景（戶外等）適用于復(fù)雜環(huán)境（工廠、電廠等）

UWB技術(shù)最大問題：

01 成本高

此前，UWB定位技術(shù)主要在企業(yè)級應(yīng)用市場推廣，雖然性能優(yōu)越，不過比較小眾。此次蘋果在其新品手機中植入UWB芯片，將會正式開啟UWB在消費級的應(yīng)用市場，對整個UWB定位產(chǎn)業(yè)的擴大與成熟有很大的幫助。目前UWB定位技術(shù)最讓人詬病的就是費用太貴，而手機植入后，也將會對成本下降有很明顯的促進作用，讓外界對UWB定位技術(shù)有了很高的期待。

02功耗大

由于工作頻段在3.1GHz～10.6GHz 超高頻范圍，且?guī)捀哌_(dá)500MHz，其功耗為普通藍(lán)牙模塊的10倍以上，因此較難集成到普通電池供電設(shè)備中。

03發(fā)射功率受限，覆蓋范圍小

美國FCC關(guān)于UWB設(shè)備發(fā)射功率的要求：在3.1GHz～10.6GHz頻段上FCC對發(fā)射場強的功率限制為：測量帶寬1MHz時，距離3m處場強最大為500μV/m，即－41.3dBm。如果帶寬為500MHz， 則信道內(nèi)絕大發(fā)射功率不得超過：-43.3+10log（500）=-14.3dBm；此功率為EIRP（全向輻射功率），考慮到天線增益與空間衰減可近似抵消，因此UWB發(fā)射機帶內(nèi)發(fā)射功率不得超過-14.3dBm。

此功率僅為傳統(tǒng)藍(lán)牙發(fā)射設(shè)備（6dBm）的1/100左右（注：對于無線發(fā)射功率，20dB相對于100倍），因此其有效覆蓋范圍相對于其他設(shè)備大打折扣，這也是Apple Tags 僅僅能夠支持近距離聯(lián)絡(luò)的原因。 02 AOA-BLE定位技術(shù)

AOA-BLE定位基本原理

AOA（Angle of Arrival ）定位系統(tǒng)由標(biāo)簽端（或被定位目標(biāo)）及定位器組成，其中定位器包含由天線陣列及高速定位引擎。基于AOA定位的的基本原理是標(biāo)簽發(fā)射無線信號到定位器，定位器中天線陣列在不同時間點收到同一信號源發(fā)出的無線信號，通 過分析到達(dá)時間差，借助定位器中所嵌入的定位算法（例如MUSIC算法），通過運算可以計算出標(biāo)簽對定位器的方位角與俯仰角，再配合信號強度估計，可以精確對目標(biāo)進行兩維平面定位（兩個以上定位器可對同一目標(biāo)進行空間定位）。如下圖所示：

1） BLE高精度定位系統(tǒng)主要采用信號到達(dá)角（AOA）定位技術(shù)；

2） 通過精確估計出標(biāo)簽發(fā)送信號到達(dá)定位基站的角度，測量出標(biāo)簽在2D平面里X，Y的坐標(biāo)定位，實現(xiàn)對標(biāo)簽的精確定位；

3） 高精度定位覆蓋范圍圓錐角度約100°；

4） 超過100°的范圍定位精度較差；

在2019年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group）推出的低功耗藍(lán)牙核心規(guī)范BLE 5.1中，基于AOA/AOD測向功能（Direction Finding）的空中數(shù)據(jù)接口規(guī)范已經(jīng)正式納入其中，這使得搭載了低功耗藍(lán)牙技術(shù)BLE5.1的裝置（包括手機、各種能終端）可發(fā)射定位數(shù)據(jù)包給定位器（AOA，室內(nèi)定位），或者偵測藍(lán)牙定位器所發(fā)出的導(dǎo)航信號（AOD，室內(nèi)導(dǎo)航），從而提供厘米等級的定位/導(dǎo)航精準(zhǔn)度。

作為一項定位技術(shù)，藍(lán)牙已成手機中的標(biāo)配是其最大的優(yōu)勢，借助手機已有的生態(tài)環(huán)境將該技術(shù)進行大規(guī)模推廣已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。本次藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的更新，通過藍(lán)牙AOA/AOD定位可將定位精度提升到亞米級。此外，再結(jié)合藍(lán)牙本身的優(yōu)勢，使得整個室內(nèi)定位行業(yè)對藍(lán)牙定位技術(shù)及相關(guān)市場都充滿了期待。

基于AOA-BLE 定位系統(tǒng)組成

基站系統(tǒng)

√ RF開關(guān)精確實現(xiàn)微秒級控制天線陣列接收信號

√ RF硬件及ADC完成信號IQ采樣

√ 支持標(biāo)準(zhǔn)的BLE通信協(xié)議

√ 優(yōu)化的軟硬件方式實現(xiàn)AOA及RSSI定位雙引擎

√ 標(biāo)準(zhǔn)化定位API接口

標(biāo)簽系統(tǒng)

√ 支持電子卡、手環(huán)、手機APP等多種標(biāo)簽形式

√ 標(biāo)簽可實現(xiàn)超低功耗；

定位服務(wù)器

√ 標(biāo)準(zhǔn)化的定位信息接口

√ 支持多種數(shù)據(jù)服務(wù)

行業(yè)應(yīng)用終端

√ 實時標(biāo)簽的運動軌跡

√ 支持電子圍欄

√ 實時室內(nèi)導(dǎo)航

基于AOA-BLE 室內(nèi)定位技術(shù)優(yōu)勢：

1） 兼容性好--兼容BLE5.1協(xié)議，具有廣闊的生態(tài)空間；

2） 功耗小--適合于包括手機在內(nèi)的各種智能終端及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；功耗不到UWB系統(tǒng)的1/10；

3） 標(biāo)簽成本低—采樣普通的藍(lán)牙芯片或兼容藍(lán)牙廣播包的2.4GHz芯片便可搭建（或普通手機），BLE芯片成本不足UWB芯片的1/10；

4） 頻譜資源不受限制--工作在全球通用的2.4GHz ISM免費頻段，適應(yīng)性強。

5） 核心芯片可控--國內(nèi)藍(lán)牙芯片供應(yīng)商眾多，相對于UWB芯片（DecaWave為主），完全自主可控；

室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展趨勢 03 PART

（1）基于低功耗藍(lán)牙BLE的定位技術(shù)會被越來越廣泛應(yīng)用。藍(lán)牙室內(nèi)定位已發(fā)展一段時間，隨著BLE5.1規(guī)范推出，BLE定位受到相當(dāng)大的關(guān)注。目前基于該技術(shù)的信息推送應(yīng)用在零售業(yè)已經(jīng)獲得相當(dāng)大的響應(yīng)，預(yù)期未來BLE室內(nèi)定位技術(shù)會更多結(jié)合信息推送、移動支付等應(yīng)用，或被實踐在日常生活上提供個性化服務(wù)。

（2）多種技術(shù)結(jié)合的混合定位方法，以滿足各種室內(nèi)環(huán)境和應(yīng)用場景的需求，并彌補單一技術(shù)的局限。

（3）室內(nèi)地圖和室內(nèi)定位數(shù)據(jù)庫會迅速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)趨于成熟，以保證快速擴展的能力和定位性能的可靠性與一致性。

（4）采用專用的定位引擎來處理定位、運動檢測、傳感器數(shù)據(jù)分析、信息融合和地理圍欄（Geo-fencing）。

（5）低功耗優(yōu)化，降低定位功能對移動設(shè)備帶來的額外功耗以實現(xiàn)隨時隨地的精準(zhǔn)定位。

04 PART 室內(nèi)定位領(lǐng)域上下游產(chǎn)業(yè)鏈

室內(nèi)定位領(lǐng)域已經(jīng)形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，主要分為上游芯片產(chǎn)業(yè)、中游系統(tǒng)方案商、下游系統(tǒng)集成商。

01 上游芯片領(lǐng)域

A、UWB芯片：

國外：Decawave

國內(nèi)：國內(nèi)暫時還沒有大規(guī)模生產(chǎn)UWB定位芯片的廠商

B、BLE5.1 芯片（帶AOA功能）：

國外：TI、SiliconLab、Dialog、Nordic、Cypress etc；

國內(nèi)：磐啟微、泰陵微 etc；

02 中游的方案提供商

A、UWB：

國外： SKYLAB

國內(nèi)：沃旭、星網(wǎng)云聯(lián)

B、BLE5.1（帶AOA功能）：

以BLE芯片為基礎(chǔ)，并結(jié)合自己的定位算法研發(fā)出AOA定位系統(tǒng)

國外：Quuppa、SiliconLab、TI

國內(nèi)：磐啟微

03 下游的集成商

負(fù)責(zé)為終端客戶提供應(yīng)用解決方案。集成商根據(jù)每個行業(yè)的具體情況，將AOA-BLE定位系統(tǒng)二次開發(fā)，并和其他人員管理設(shè)備或者自動化配套設(shè)備集成，研發(fā)出更適合這些行業(yè)的定位系統(tǒng)與設(shè)備。

終上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，室內(nèi)定位作為物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)，具有很大的市場潛力。

總結(jié) 05 PART

室內(nèi)定位技術(shù)眾多，各種技術(shù)都有自己的特點，彼此間又在一定程度上存在互相競爭。高精度室內(nèi)定位技術(shù)均需要比較昂貴的額外輔助設(shè)備或前期大量的人工處理，這些都大大制約了技術(shù)的推廣普及。低成本的定位技術(shù)則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎(chǔ)上降低成本也是室內(nèi)定位的一個方向。基于UWB 或AOA-BLE技術(shù)的兩種高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)是未來主流發(fā)展方向，在物聯(lián)網(wǎng)時代具有廣闊的生態(tài)空間及發(fā)展?jié)摿?。未來的趨勢一定是多種技術(shù)融合使用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以面對復(fù)雜環(huán)境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術(shù)越容易普及。

編輯：jq