藍牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

5G新基建下，通信運營商按下了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速鍵，保證室外覆蓋的同時逐步加大室內(nèi)覆蓋的建設(shè)。但是5G室內(nèi)覆蓋并非簡單疊加在原有4G的有源室分或無源室分系統(tǒng)之上，為克服5G高頻段信號的高衰減性、覆蓋半徑小、穿透性差等問題，亦需要對原有的室分系統(tǒng)進行改造更新。同時，運營商利用5G室內(nèi)覆蓋改造的契機，融合藍牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)，可以拓寬室內(nèi)業(yè)務(wù)能力。

2 運營商切入室內(nèi)定位的背景

2.1 定位技術(shù)的分類

定位按照使用場景的不同劃分為室外定位和室內(nèi)定位兩大類。

目前，室外定位的主流技術(shù)主要包括基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）的衛(wèi)星定位以及基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站定位兩種，廣泛應(yīng)用于航海、航天、航空、測繪、導(dǎo)航、自然災(zāi)害預(yù)防等各個領(lǐng)域。

然而，當(dāng)進入到室內(nèi)，受到建筑物對定位信號的遮擋，室外定位技術(shù)無法滿足室內(nèi)定位服務(wù)的需求。隨著基于移動通信網(wǎng)的定位技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合多種室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，有效地為室內(nèi)高精度定位和室內(nèi)外無縫定位的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，填補了室內(nèi)定位的空白，滿足了室內(nèi)定位服務(wù)所帶來的巨大的應(yīng)用。室內(nèi)定位技術(shù)的原理分析及精度成本比較如表1所示。

表1 室內(nèi)定位原理、定位精度與成本對比表

2.2 室內(nèi)定位應(yīng)用場景豐富，逐漸成為剛需

隨著定位在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，設(shè)備及人員定位在公共安全、智能物流、智慧養(yǎng)老、商城導(dǎo)航等領(lǐng)域中作為重點的功能亦得到了大力推廣，創(chuàng)造出極大的商業(yè)價值也大大提高了人民的生活質(zhì)量。室內(nèi)定位在各行各業(yè)的適用場景分析如表2所示。

表2 室內(nèi)定位的適用場景分析表

2.3 運營商越來越看重室內(nèi)定位，藍牙定位是室內(nèi)定位與室分系統(tǒng)結(jié)合優(yōu)選技術(shù)

定位能力的發(fā)展離不開通信技術(shù)的更新?lián)Q代，1G、2G僅是推動了語音和短信的普及，也可以進行低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到了普及，滿足了室外定位的精度；到3G時代，智能手機開始出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)，通過基站蜂窩定位技術(shù)實現(xiàn)了低成本的室外定位，同時以WiFi定位、藍牙定位、ZigBee定位、計算機視覺技術(shù)等為代表的室內(nèi)定位的各種技術(shù)開始涌現(xiàn)；到2010年，4G時代的到來開始了高速移動互聯(lián)網(wǎng)和寬帶物聯(lián)網(wǎng)的時代，4G網(wǎng)絡(luò)下用戶能夠進行在線視頻觀看、高清視頻回傳等，也帶動了定位技術(shù)向高精度方向的發(fā)展。4G改變生活，5G改變社會，5G不僅對當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)進行了補充，還將對室內(nèi)定位發(fā)展起到極大的推動作用。

對比現(xiàn)在室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本，通信基站成本最高，達到千元級別，WiFi設(shè)備成本為百元級別，藍牙設(shè)備成本為十元級別。在設(shè)備成本方面，藍牙定位技術(shù)具有明顯的設(shè)備成本優(yōu)勢。另外，藍牙定位在定位精度、定位算法的復(fù)雜度、無線安全性等方面與其它定位技術(shù)相差無異，因此滿足單純的室內(nèi)定位、導(dǎo)航功能，可以優(yōu)先選擇藍牙定位方案。另外，運營商在室內(nèi)部署無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要滿足室內(nèi)的通信需求，并未擴充到如定位等其它能力上，但如果將藍牙定位與無線通信室分系統(tǒng)的結(jié)合起來，對解決藍牙信號回傳、藍牙網(wǎng)關(guān)供電、藍牙探針布線等棘手問題起到極大的幫助。

3 藍牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，圖中描述了一套藍牙定位系統(tǒng)的構(gòu)成，主要由：藍牙定位平臺、藍牙網(wǎng)關(guān)、藍牙探針以及需要定位的藍牙終端。

圖1 藍牙定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組網(wǎng)

藍牙定位平臺包括藍牙數(shù)據(jù)接收模塊、定位能力引擎、定位業(yè)務(wù)呈現(xiàn)模塊、藍牙設(shè)備管理模塊等，可以部署在云平臺也可以按需單獨部署。

藍牙網(wǎng)關(guān)是一個匯聚藍牙探針數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至藍牙定位平臺的網(wǎng)關(guān)，部署在建筑物里，回傳網(wǎng)絡(luò)可以基于建筑物內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)也可以插上4G通信模塊。

藍牙探針既是藍牙的“廣播者”也是藍牙的“掃描器”。當(dāng)作為廣播者時，藍牙探針廣播通用唯一識別碼（UUID，Universally Unique Identifier）、Major、Minor等參數(shù)，需定位的終端接收到廣播信號后，可通過本地計算或回傳給平臺計算，得出所處的位置。當(dāng)作為掃描器時，藍牙探針掃描周圍的藍牙終端（手機或帶藍牙發(fā)射的設(shè)備）廣播自身的MAC、UUID、信號強度等參數(shù)，通過回傳給平臺計算出藍牙終端的位置。

3.2 藍牙室內(nèi)定位結(jié)合無線通信室分系統(tǒng)的設(shè)計方案

目前運營商室內(nèi)無線通信室分系統(tǒng)主要分為兩大類：以分布式皮站為代表的有源室分系統(tǒng)和以室內(nèi)無源分布式天線系統(tǒng)（DAS，Distributed Antenna System）為代表的無源室分系統(tǒng)。其中，室內(nèi)無源DAS由遠端射頻模塊（RRU，Remote Radio Unit）和無源室分天線組成，由于無源室分天線無法進行獨立區(qū)分RSSI，因此無源DAS不具備室內(nèi)定位能力。分布式皮基站平均站間距為30～40米，定位精度大于10米，無法滿足室內(nèi)定位需求，如果要實現(xiàn)5～7米室內(nèi)定位精度，皮基站間距需要縮小至20米。通過在室分系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合藍牙室內(nèi)定位的信標(biāo)，可以將定位精度提高到3～5米，大大降低了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.2.1 藍牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)

在分布式皮基站上集成藍牙探針，通過藍牙探針探測周邊的藍牙信號。分布式皮基站匯聚藍牙數(shù)據(jù)后通過室內(nèi)分布系統(tǒng)回傳到藍牙定位平臺。同時在分布式皮基站上增加擴展口，以串口連線方式拖帶多個藍牙探針，增加藍牙探針的密度，提升藍牙探測的精度。如圖2所示。

圖2 藍牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

藍牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)在每層樓的平面視圖，如圖3所示。

圖3 藍牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)的平面視圖

3.2.2 藍牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)

室內(nèi)無源DAS中，將藍牙探針與無源室分天線融合，藍牙探針通過天線陣子發(fā)送藍牙廣播信號，同時掃描接收其它終端的藍牙廣播信號。藍牙網(wǎng)關(guān)與RRU相連，提供藍牙數(shù)據(jù)的上傳、監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互等連接功能，同時將藍牙信號射頻通過合路器合入到室分系統(tǒng)中，通過室分系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將藍牙射頻信號傳送到藍牙探針處。如圖4所示。

圖4 藍牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

藍牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)在每棟樓的平面剖視圖，如圖5所示。

圖5 藍牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)的平面視圖

3.3 藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的硬件功能實現(xiàn)要求

梳理上述的藍牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計方案，提出了兩種藍牙網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，一種是將藍牙探針與藍牙網(wǎng)關(guān)集成到分布式皮基站，另一種是藍牙網(wǎng)關(guān)外置于分布式皮基站。

3.3.1 藍牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化

如圖6所示，圖中是藍牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化的硬件設(shè)計示意，包含以下功能需求點。

（1）具備藍牙探針，可以探測周邊的藍牙信號；

（2）具備擴展口，通過串口連線拖帶藍牙探針，串口連線還需給藍牙探針供電；

（3）具備存儲功能，將探測到的信號情況保存下來，等待一個發(fā)送周期將其發(fā)送到室內(nèi)定位平臺；

（4）具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，確保信號情況能夠完整上傳到平臺；

圖6 藍牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化形態(tài)功能架構(gòu)圖

（5）具備監(jiān)控功能，監(jiān)控主控中央處理器（CPU，Central Processing Unit）的工作情況、存儲空間、藍牙探測模塊工作情況、電壓、與平臺的連接情況等；

（6）具備無線射頻信號合成與分離模塊，將藍牙無線射頻信號合成到4G/5G射頻信號去，通過天線口送至天線頭端；

（7）具備與4G/5G上連通道合路功能；

（8）分布式皮基站其它功能。

3.3.2 外置式藍牙網(wǎng)關(guān)

如圖7所示，圖中是外置式藍牙網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計示意，主要的功能點剝離了分布式皮基站本身功能，僅通過網(wǎng)線或串口方式與基站進行連接，包括的功能點示意如下。

（1）具備存儲功能，將探測到的信號情況保存下來，等待一個發(fā)送周期將其發(fā)送到室內(nèi)定位平臺；

（2）具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，確保信號情況能夠完整上傳到平臺；

（3）具備監(jiān)控功能，監(jiān)控主控CPU的工作情況、存儲空間、藍牙探測模塊工作情況、電壓、與平臺的連接情況等；

（4）具備無線射頻信號合成與分離模塊，將藍牙無線射頻信號合成到4G/5G射頻信號去，通過天線口送至天線頭端，并且接收傳送回來的藍牙數(shù)據(jù)。

（5）具備與RRU連接的網(wǎng)絡(luò)接口，通過RRU的有源以太網(wǎng)（POE，Power Over Ethernet）供電提供網(wǎng)關(guān)的電源，提供藍牙數(shù)據(jù)的上傳、監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互等連接功能。

圖7 外置式藍牙網(wǎng)關(guān)功能架構(gòu)圖

4 結(jié)語

相對于2G、3G和4G的以語音和數(shù)據(jù)為主，5G時代的業(yè)務(wù)種類更加多元化，室內(nèi)定位可以滿足多種室內(nèi)場景下業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，是無線通信室分系統(tǒng)向垂直業(yè)務(wù)拓展的重要能力。運營商在升級部署5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的同時，給基于此網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位提供了部署可能，達到一網(wǎng)多用的建設(shè)目標(biāo)，破解在4G階段的室內(nèi)定位技術(shù)普遍存在的成本高、業(yè)務(wù)無法提供能力開放等問題，支撐運營商拓展全新的數(shù)字化業(yè)務(wù)領(lǐng)域。