苹果的新大招与室内定位技术

近期有媒体报导苹果即将推出基于UWB（Ultra WideBand，超宽带）技术的电子追踪器AirTags（Apple Tags），并预测2020年出货量将达千万等级，甚至有可能成为继目前十分火爆的TWS产业之后下一个聚焦热点，前景十分看好。

（图片出自网络）

根据曝光的消息，AirTags应该是一个小小的圆形白色物件，通过蓝牙和iPhone等其他苹果硬件设备配对，并将利用iPhone 11系列当中的超宽带U1芯片实现更加精准的室内追踪；它还将具有增强现实组件，使您可以通过将相机对准按键或其他物品可能存在的区域来定位物品。这是目前上其他同类产品所无法比拟的。

AirTags 本质上是一种基于UWB技术的近距离寻向和高精度定位产品，通过提供短距离测量功能，这款设备将增强iOS的寻找功能和增强现实（AR）应用的用户体验。由于苹果巨大的产业引导能力，该报导在业界引起不小的反响。

为更好了解室内定位技术分类及产业发展趋势，本文将就其原理进行基本介绍，并就高精度定位技术发展趋势进行展望。

室内定位就是指在室内环境中实现物体或人的位置定位。近年来，随着室内定位技术精度的提高，室内定位为零售、制造、医疗、机器人等行业提供十分准确的位置信息数据，成为物联网时代的重要基础。不可否认的是，未来是物联网的时代，而室内定位技术作为物联网感知网络的底层基础，自然能够获得更大的市场机遇。

据统计，普通人有80%时间是在室内度过，而在众多的数据中，位置数据是一个重要的维度，未来50%以上的信息都与位置数据相关。要采集位置数据就需要依赖定位技术，随着技术的发展，定位技术的各项性能指标也得到了长足的进步，基于定位技术的相应市场也正在逐渐开启。

室内定位应用广泛，大概有四类市场：

据Market&Markets的调查数据显示，未来几年，室内定位的全球市场将以42.0％的年复合成长率增长，市场规模预计从2017年的71亿1000万美元扩大到2022年的409亿9000万美元。特别是以苹果为代表的手机企业将高精度定位系统引入手机生态系统后，原本To B的商业模式将快速过度到To C的市场，这必将引起新一轮市场的快速增长。

预计2018 ~ 2022年期间，室内定位技术将广泛渗透进入智能制造、智能建设、养老医疗、公共安全、物流运输等行业应用，逐渐成为追踪和定位服务的主流技术。

定位技术方面，GPS技术应用最成熟也最广泛，但它不支持室内定位。室内外区域定位常用到的技术有Wi-Fi、RFID、ZigBee、红外线、蓝牙和UWB超宽带技术，各种技术有各自的特点，如下表所示：

有众多技术可以实现室内定位，其中包括RFID、红外线、蓝牙Beacon、Zigbee，Wi-Fi、UWB及AOA-BLE，每种技术都有其长处和不足，其中高精度定位领域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技术；下面分别就这两种技术进行详细说明。

UWB定位系统在室内定位市场中占据30% ~ 40%的市场份额。制造产业中的资源利用和工作流优化，使企业对基于UWB技术的实时定位系统的应用需求日益增长，促进了UWB技术在定位精度方面的进步，提升了市场竞争力。

UWB是一种宽带短距离的无线脉冲通信技术，在室内高精度定位技术方面，UWB被视为最有发展前途的技术之一，其拥有精度高、抗多径干扰能力强（多径：是指RF信号通过不同路径到达同一接收端）、保密性高等特点而被广受关注。

UWB 定位基本原理

UWB技术最大问题：

此前，UWB定位技术主要在企业级应用市场推广，虽然性能优越，不过比较小众。此次苹果在其新品手机中植入UWB芯片，将会正式开启UWB在消费级的应用市场，对整个UWB定位产业的扩大与成熟有很大的帮助。目前UWB定位技术最让人诟病的就是费用太贵，而手机植入后，也将会对成本下降有很明显的促进作用，让外界对UWB定位技术有了很高的期待。

功耗大

由于工作频段在3.1GHz～10.6GHz 超高频范围，且带宽高达500MHz，其功耗为普通蓝牙模块的10倍以上，因此较难集成到普通电池供电设备中。

 发射功率受限，覆盖范围小

美国FCC关于UWB设备发射功率的要求：在3.1GHz～10.6GHz频段上FCC对发射场强的功率限制为：测量带宽1MHz时，距离3m处场强最大为500μV/m，即－41.3dBm。如果带宽为500MHz， 则信道内绝大发射功率不得超过：-41.3+10log（500）=-14.3dBm；此功率为EIRP（全向辐射功率），考虑到天线增益与空间衰减可近似抵消，因此UWB发射机带内发射功率不得超过-14.3dBm。

此功率仅为传统蓝牙发射设备（6dBm）的1/100左右（注：对于无线发射功率，20dB相对于100倍），因此其有效覆盖范围相对于其他设备大打折扣，这也是Apple Tags 仅仅能够支持近距离联络的原因。

AOA-BLE定位基本原理

AOA(Angle of Arrival )定位系统由标签端（或被定位目标）及定位器组成，其中定位器包含由天线阵列及高速定位引擎。基于AOA定位的的基本原理是标签发射无线信号到定位器，定位器中天线阵列在不同时间点收到同一信号源发出的无线信号，通 过分析到达时间差，借助定位器中所嵌入的定位算法（例如MUSIC算法），通过运算可以计算出标签对定位器的方位角与俯仰角，再配合信号强度估计，可以精确对目标进行两维平面定位（两个以上定位器可对同一目标进行空间定位）。如下图所示：

1) BLE高精度定位系统主要采用信号到达角(AOA)定位技术；

2) 通过精确估计出标签发送信号到达定位基站的角度，测量出标签在2D平面里X，Y的坐标定位，实现对标签的精确定位；

3) 高精度定位覆盖范围圆锥角度约100°；

4) 超过100°的范围定位精度较差；

在2019年蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)推出的低功耗蓝牙核心规范BLE 5.1中，基于AOA/AOD测向功能(Direction Finding)的空中数据接口规范已经正式纳入其中，这使得搭载了低功耗蓝牙技术BLE5.1的装置（包括手机、各种能终端）可发射定位数据包给定位器（AOA，室内定位），或者侦测蓝牙定位器所发出的导航信号（AOD，室内导航），从而提供厘米等级的定位/导航精准度。

作为一项定位技术，蓝牙已成手机中的标配是其最大的优势，借助手机已有的生态环境将该技术进行大规模推广已经成为产业发展趋势。本次蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)协议标准的更新，通过蓝牙AOA/AOD定位可将定位精度提升到亚米级。此外，再结合蓝牙本身的优势，使得整个室内定位行业对蓝牙定位技术及相关市场都充满了期待。

基于AOA-BLE 定位系统组成

√    RF开关精确实现微秒级控制天线阵列接收信号

√    RF硬件及ADC完成信号IQ采样

√    支持标准的BLE通信协议

√    优化的软硬件方式实现AOA及RSSI定位双引擎

√    标准化定位API接口

√    支持电子卡、手环、手机APP等多种标签形式

√    标签可实现超低功耗；

√    标准化的定位信息接口

√    支持多种数据服务

√    实时标签的运动轨迹

√    支持电子围栏

√    实时室内导航

基于AOA-BLE 室内定位技术优势：

1）      兼容性好--兼容BLE5.1协议，具有广阔的生态空间；

2）      功耗小--适合于包括手机在内的各种智能终端及物联网设备；功耗不到UWB系统的1/10；

3）      标签成本低—采样普通的蓝牙芯片或兼容蓝牙广播包的2.4GHz芯片便可搭建（或普通手机），BLE芯片成本不足UWB芯片的1/10；

4）      频谱资源不受限制--工作在全球通用的2.4GHz ISM免费频段，适应性强。

5）      核心芯片可控--国内蓝牙芯片供应商众多，相对于UWB芯片（DecaWave为主），完全自主可控；

（1）基于低功耗蓝牙BLE的定位技术会被越来越广泛应用。蓝牙室内定位已发展一段时间，随着BLE5.1规范推出，BLE定位受到相当大的关注。目前基于该技术的信息推送应用在零售业已经获得相当大的响应，预期未来BLE室内定位技术会更多结合信息推送、移动支付等应用，或被实践在日常生活上提供个性化服务。

（2）多种技术结合的混合定位方法，以满足各种室内环境和应用场景的需求，并弥补单一技术的局限。

（3）室内地图和室内定位数据库会迅速发展，相关技术趋于成熟，以保证快速扩展的能力和定位性能的可靠性与一致性。

（4）采用专用的定位引擎来处理定位、运动检测、传感器数据分析、信息融合和地理围栏（Geo-fencing）。

（5）低功耗优化，降低定位功能对移动设备带来的额外功耗以实现随时随地的精准定位。

室内定位领域已经形成较为完整的产业链，主要分为上游芯片产业、中游系统方案商、下游系统集成商。

A、UWB芯片：

B、BLE5.1 芯片（带AOA功能）：

国内：磐启微、泰凌微 etc；

A、UWB：

B、BLE5.1（带AOA功能）：

以BLE芯片为基础，并结合自己的定位算法研发出AOA定位系统

国内：磐启微

负责为终端客户提供应用解决方案。集成商根据每个行业的具体情况，将AOA-BLE定位系统二次开发，并和其他人员管理设备或者自动化配套设备集成，研发出更适合这些行业的定位系统与设备。

终上所述，随着物联网产业发展，室内定位作为物联网感知网络的底层基础，具有很大的市场潜力。

室内定位技术众多，各种技术都有自己的特点，彼此间又在一定程度上存在互相竞争。高精度室内定位技术均需要比较昂贵的额外辅助设备或前期大量的人工处理，这些都大大制约了技术的推广普及。低成本的定位技术则在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基础上降低成本也是室内定位的一个方向。基于UWB 或AOA-BLE技术的两种高精度室内定位系统是未来主流发展方向，在物联网时代具有广阔的生态空间及发展潜力。未来的趋势一定是多种技术融合使用，实现优势互补，以面对复杂环境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技术越容易普及。

参考文献：

1、http://mini.eastday.com/a/200219191558176.html;

2、https://blog.csdn.net/liulianchoudoufu/article/details/104376637;

3、https://blog.csdn.net/Hdu_lc14015312/article/details/93873741;

4、https://jingyan.baidu.com/article/7c6fb428cdf88780642c909a.html;

5、http://m.elecfans.com/article/672171.html

6、https://wenku.baidu.com/view/0573b069f021dd36a32d7375a417866fb94ac07f.html;

7、https://baijiahao.baidu.com/s?id=1651878760817722073&wfr=spider&for=pc

8、《AOA-BLE高精度室内定位系统》，上海磐启微电子有限公司，2019-10;

9、《INDOOR POSITIONING AND NAVIGATION》，KEGEN YU，2018;

来源：上海磐启微电子有限公司

作者：杨丰林