随着社会数字化转型的步伐不断推进，5G 与各行各业正在加速融合，越来越多可以改变社会的智能化应用应运而生，定位服务也从专业领域扩展至社会生产生活的各个方面，成为构建各种智能化应用的基础能力之一。
当前，室内外定位领域都存在多种定位技术，在建设成本、定位精度和适用场景等方面，不同技术存在各自的优势与局限。本文将从梳理 5G 定位业务典型场景与需求出发，通过对室内外主流定位技术发展和 5G 通信网络新技术对定位功能的增强进行分析研究，提出面向 5G 场景的运营商定位网络建设策略与融合演进方向。
1 5G 定位能力需求与典型业务场景
1.1 定位能力需求
随着 5G 的到来，其超低时延、超高带宽和超大连接数的网络特性将催生规模庞大的智能化应用，不仅为面向个人用户的健康、安全、生活带来变革，还将逐步融入垂直行业领域，如工业互联网、智慧交通、智慧农业和自动驾驶等。5G 智能化应用对于定位服务的需求将会越来越普遍，除了引发定位服务规模数量的快速增长外，还将对定位服务的质量提出更高的要求。
在定位精度方面，将由现有的低精度（米级以上）向高精度（厘米级甚至毫米级）转变。如在车辆自动泊车、自动驾驶、无人机、桥梁变形监测以及工业互联网中的智能化远程控制场景中，都需要高精度定位能力的支持。
在定位服务范围方面，也将由现有的主流室外定位需求变为室内室外全覆盖，如医院、车站和商场等室内导航与定位，对于室内人员和物品的定位将会对定位网络的能力提出更高要求。
1.2 典型业务场景
结合国际标准化组织针对定位业务需求相关研究成果，同时对中国移动 5G 行业专网典型案例中实际定位业务需求进行分析整理，得到 5G 定位在不同类别业务领域 17 个业务场景下的典型定位服务需求，具体定位类型和定位质量需求见表 1。
2 定位技术发展现状
2.1 定位技术类型
根据不同环境可以将定位服务类型分为室内定位与室外定位，室内外定位在环境复杂度、业务场景、精度要求、主要技术手段和发展规模等方面存在较明显的差异。
室外定位服务主要面向开阔环境，定位终端密度相对较低，容易接收卫星和通信基站等无线信号，具备以较低成本实现定位能力规模覆盖的条件。
相比室外定位，室内定位环境更复杂，信号遮挡也更明显，对于无线信号的传输与距离测量会产生较大干扰，定位功能实现需要更复杂的技术手段。同时，室内环境下，单位面积内区域划分数量和定位设备数量更多，定位误差影响较大。室内定位比室外定位有更高的精度要求。
主流定位方法包括基于信号时间的到达时间测量（ToA）和到达时间差测量（TDoA）方式、基于信号角度的到达角度测量（AoA）和出发角度测量 (AoD) 方式、基于信号强度的信号接收强度测量(RSS) 的三角定位和指纹定位方式。
2.2 室外定位主流技术
2.2.1 卫星定位
卫星定位是指通过多颗卫星与用户之间的信息交互，得到不同的距离参数，综合这些数据最终确定用户的具体位置。卫星定位会受到建筑物遮挡因素的影响，主要适用于室外定位。
使用卫星定位技术的系统全称为全球卫星导航系统（GNSS）。经过多年的发展，目前，全球已有多个国家和地区建成了卫星定位系统，如中国的北斗、美国的 GPS、欧洲的 Galileo和俄罗斯的 GLONASS。
北斗卫星导航系统是中国自主建设运行的全球卫星导航系统。2000-2020 年，中国已相继建成了北斗一号、北斗二号和北斗三号系统，可为全球用户提供稳定可靠的定位服务。
卫星定位技术已经具备良好的全球覆盖能力和定位精度，然而单点的定位由于大气条件及终端能力的影响，无法达到厘米级、毫米级的高精度定位要求，仍属于米级定位网络。为实现厘米级高精定位，卫星定位需要增加地基增强系统。
2.2.2 移动网络基站定位
基站定位技术主要通过通信用户终端与不同基站间信号强度测量，基站定位技术的原理为三点定位法。当用户终端与通信网络基站进行信息交互，终端会对不同基站的空口信号进行测量，通过测量不同基站到终端的信号强度和到达时间等信息，最终获得用户的位置。基站定位技术会受到基站部署密度的影响，基站数量较少时，定位精度较差。
2.3 室内定位主流技术
（1） 移动网络基站定位。与室外定位相同，移动网络基站定位技术同样适用于室内定位环境，在运营商移动通信网络的建设中，通过建设室分系统来满足用户的信息通信需求，定位网络可以充分利用这部分基础设施，快速提供室内定位服务。
（2） 蓝牙定位。蓝牙是一种短距离通信技术，在终端设备中普及率非常高，通过建设蓝牙定位设施提供室内定位服务，易于大规模推广。蓝牙定位原理是通过蓝牙网关或终端对蓝牙信号进行测量，并回传至服务器进行定位。当前，蓝牙定位主流技术版本为 4.2 和 5.1。蓝牙 5.1 通过引入 AoA 和 AoD 等定位技术，可以将定位精度由米级提升至厘米级，并且，通过与 5G 定位等技术的结合，可以充分发挥蓝牙定位技术的优势，扩展室内定位应用场景。
（3） Wi-Fi 定 位。Wi-Fi 是 目 前 应 用 范 围 最 广泛的室内无线通信技术。Wi-Fi 定位网络无需专门进行设施的建设，即可形成较好的业务覆盖，成本较低。Wi-Fi 定位主要采用 CELL-ID 或指纹场景识别等原理进行定位，定位的精度受到周边布放数量和墙体遮挡情况的影响，且功耗较高，适应范围受限。
（4） 超带宽（UWB）定位。UWB 定位技术通过UWB 基站与定位标签间传输纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲，采用与卫星定位相似的方式实现高精度定位。UWB 技术起步较晚，定位精度高，抗干扰能力强，适用于很多特定区域场景下的定位业务。
（5） 无线射频识别（RFID）定位。RFID 定位技术是通过 RFID 标签对附近多个 RFID 读写器的无线射频信号强度的测量，计算数据后得到位置坐标的定位方式。RFID 定位可采用 RSSI、ToA、TDoA 和 AoA 等方法。
（6） 即时定位与地图构建（SLAM) 定位。定位终端通过运动时的传感器测量，不断进行位置计算和地图构建的技术。该定位方式主要用于无人机、自动驾驶、机器人和 AR/VR 等领域。根据传感器的不同，主流的SLAM 定位包括激光雷达 SLAM 和计算机视觉 vSLAM定位。
（7） 其它定位技术。除了上述 6 种比较主流的定位技术外，室内定位还有红外线定位、地磁定位、惯性导航定位和 ZigBee 定位等多种其它定位方式，由于应用范围较小，面向 5G 场景部署概率较小，本文不做详细介绍。室内主流技术定位精度见表 2，定位精度受环境和部署密度影响较大，数据供参考。
3 5G 通信网络定位能力提升
在 2G/3G/4G/5G 网络下，移动通信基站均能提供定位服务。5G 之前，受限于技术和网络部署情况，无法满足高精度定位需求，且主要针对政府监管要求的合法位置访问以及救援场景下的紧急定位等场景。而 5G在设计之初，就将针对定位能力的优化改善作为 3GPP标准中的一项重要内容，并且在各阶段标准中不断增强，先天具备了提供高精度定位服务的能力。
3.1 5G 定位能力优化
（1） 5G 频段及组网特点。无论是 Sub6G，还是毫米波，5G 都采用了更高的频段，所以需要提高基站密度进行网络覆盖，更密集的基站组网将为终端提供更多的位置测量数据，可以获得更准确的定位结果。
（2） 无线技术提升。为了获得大带宽，5G 采用了大规模天线技术。天线阵列可以支持 64、128 及以上天线单元。大规模的天线阵列和波束赋形技术，可以为定位提供更高精度的距离测量和角度测量条件，提高定位精度。
（3） 定位方式优化。5G 支持上行定位和下行定位。上行定位是指终端发送信号，基站进行定位 ；下行定位则是基站发送定位信号，终端进行定位。上行定位受限于终端的上行功率和带宽，定位性能比基于下行的定位技术略差。由于 5G 具有低时延和大带宽的特点，下行定位可以利用基站的更大发射功率和下行带宽，获得更好的定位性能。
（4） 5G 核心网定位能力增强。R16 及 R17 标准对5G 核心网的定位功能也进行了相应增强。位置服务增强（eLCS）通过支持商业定位、定位能力开放、终端定位感知和隐私保护等，为 5G 定位业务，特别是 5G垂直行业场景下的定位业务提供了更好的支持。
3.2 5G 定位精度
当前，5G 对于普通终端的定位精度标准在 80% 的覆盖场景下小于 10 m，对于室内组网场景下的定位精度小于 1 m。在后续 3GPP 的 5G R18 标准中，将重点研究定位相关的能力增强，进一步将室内定位精度提升至厘米级，满足 V2X 等物联网应用的厘米级定位业务需求。
4 运营商定位技术的演进策略
定位网络数据的传输离不开通信网络的支持。定位网络与通信网络各有优势，对运营商而言，选择适当的方式进行两种网络的结合，将达到降低成本，相互赋能，优势互补的良好效果。综合考虑建设部署成本与服务能力，未来室内外定位网络与通信网络必将向融合方向演进。
由于室内外定位的业务场景、技术和产业发展节奏差异性较大，室内外定位网络与通信网络将会选用不同的方式融合演进。
4.1 室外定位网络的融合演进策略
针对室外定位，定位技术的融合演进思路比较清晰，最好的方式是通过 5G 与卫星定位（如北斗卫星导航系统）的融合，共同形成高质量信息通信服务和高精度定位服务能力。
4.1.1 定位方式与组网架构
室外融合定位将采用统一设置的融合定位服务平台，通过获取 5G 基站定位数据、终端收集的卫星定位数据以及地面增强基准站网提供的卫星差分修正数据，经过数据智能化分析处理，选用不同方式为多种终端提供不同方式的定位服务。面对不同场景，平台将智能选取适合的定位方式。如部分场景下，平台会选择 5G 基站或卫星定位中的一种。而对于某些特定场景，平台将会同时选用两种方式，对不同渠道定位数据进行处理，获取最优定位结果。融合定位组网架构如图 1 所示。
4.1.2 室外融合定位优势
4.1.2.1 降低成本
若想获得厘米级的定位精度，GNSS 卫星定位需要建设地面基准站。5G 用户具有大量的存量和新增站址资源，通过复用 5G 网络基站站址、机房、传输及供电资源建设基准站，组成地基增强网络，可以极大地降低建设成本，加快建设进度，节约运维成本。
4.1.2.2 相互赋能
5G 网络可以为基准站差分修正信息（RTK）的传输提供低时延和高质量的数据传输网络。基准站可以为5G 基站设备提供高可靠的授时，提高 5G 网络整体的时间同步质量。
4.1.2.3 优势互补
即使在室外区域，GNSS 在局部场景也会存在无法提供定位服务的情况。比如存在遮挡无法接收卫星信号，如立体化多层道路和桥梁遮挡等情况 ；终端无卫星信号接收能力，如未来海量物联网终端和行业特定终端等情况。
由于 5G 本身具有较高精度的定位能力，同时在网络覆盖范围上具有优势，对于上述特殊场景，便可由5G 网络直接提供定位服务，充分弥补 GNSS 盲点区域的定位能力缺失。
4.2 室内定位网络的融合演进策略
5G 时代，室内定位的市场空间巨大。然而，由于室内定位的精度要求高、碎片化场景多、建设成本高、部署难度大、技术种类杂、配套定位平台与定位地图发展滞后等因素影响，室内定位还远没有形成规模。
根据室内定位的业务与技术特性，未来室内定位技术的发展存在多种可能性，一种比较好的发展思路是运营商在建设 5G 室分网络时，同步实现室内定位网络部署。因发展阶段和业务场景的差异，具体的多技术协同策略将呈现不同的特点。
4.2.1 初期发展策略
运营商在进行 5G 室内通信网络部署时，应复用室分系统（基站和天线）的位置和供电等资源，选用 5G本身基站定位技术外的其它合适定位技术进行一体化集成，并建设相应的融合定位业务平台，为用户提供符合需求的定位服务。
（1）面对满足人和物定位需求的场景，如办公楼宇和医院等场景，考虑手机等通用终端的特点，建议选择 5G 与蓝牙、Wi-Fi 等定位技术结合，提供室内米级的定位能力。蓝牙 5.1 技术还可以支持厘米级的高精度定位。
（2）如用户对于定位精度、抗干扰和抗多径能力有较高要求，可选用 5G 与 UWB 技术的结合方式，提供厘米级的定位能力。
（3）针对特定垂直行业，如果只需要满足海量物体（如移动传感器）的一般精度定位需求，则可以直接使用具备定位增强功能的 5G 网络和终端模组来满足。
上述不同定位技术结合的建设方式，应充分考虑需求场景的已有平台情况、终端自身能力和相关工程项目建设进度等因素，部署融合定位服务平台。平台支持对多种不同定位系统数据进行融合处理，满足不同类型终端和不同精度要求的多样化定位需求。
以 5G 定位与蓝牙定位技术融合建设场景为例，组网架构如图 2 所示。
4.2.2 中远期发展策略
随着 5G 技术的发展，当 5G 网络具备室内厘米级的高精度定位能力、5G 手机及其它终端模组充分普及、5G 本身的定位能力可以满足大多数的室内定位业务场景时，室内定位将以 5G 定位技术为主，依靠 5G 一张网络满足所有通信和定位需求，实现通信网络和定位网络的真正融合。
5 结束语
在 5G 网络发展建设步入快车道的关键时间节点上，明确定位网络的发展思路具有重要意义。本文在全面研究主流定位技术、定位需求、5G 通信网络与定位网络关系的基础上，提出了面向 5G 场景的运营商定位网络融合演进策略，为定位网络的未来发展指出了方向。
参考文献
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