梳理一下主流的无线定位技术

理清楚主流的无线定位技术是个复杂的工作。因为定位技术的根基——无线通讯技术发展历史已经比较久了，一直都是产业皇冠上的明星，长久以来持续得到理论技术届和资本市场的垂青和追逐，所以有今天这个枝枝蔓蔓、百花齐放的局面倒也不算意外。

如果单纯从技术层面上看，人类虽然一直没有停下对于高精度位置能力感知的追求，不论是附属于通讯网络的无线定位技术、专用设计的全球卫星无线定位系统GNSS，还是各种针对密闭空间设计的室内无线定位技术……始终无法一劳永逸解决的问题恰恰就是：排除各种干扰而接近达到“足够的位置精度”。

而所谓的“足够的精度”是由层出不穷的具体应用和应用场景来定义的。就仿佛面临一个变数极大的开放命题，我们无法确保手里一直可以拿到那张制胜的红桃A。

举一个非常直观的实际案例。对于民航客机的位置定位，相对于现有技术水平来说，本来应该是一个非常简单的命题。但10年前的马航MH370，在众目睽睽之下从泰国空管区域异常折返，从容穿越马来西亚本岛，再嚣张地沿着印度尼西亚海岸线飞行超过一千公里，最后却眼睁睁消失在印度洋深处……事后除了马来军方在拖延宝贵的一天之后才犹犹豫豫交出军方的雷达定位数据能确定一小部分飞行路径，其它的部分，到现在也都还是个令人心碎的谜。

在海事和民航界标配的海事卫星定位系统——Inmarsat也只能提供以小时为间隔的距离数据（小编：非位置数据，指从飞机到卫星的距离数据），因此只能在宽广的印度洋上空绘制MH370有可能出现的巨大圆周弧线，如下图：

图一【huawei petal map-15.png】上图来自@Captio的分析报告《How many straight-line trajectories for MH370?》

参阅上图1，针对MH370失踪案所带来的巨大谜团，本质上就是“坠毁时洋面接触点的位置信息”的谜团。上图中的Arc1-7就是在这次事故中人类所能拿到的、置信度最高的MH370位置弧线。就算增加各种其它技术手段分析所得到的限制条件，MH370航线尽头的坠毁位置依然是一个宽大的范围，宽大到足以让多国联合搜救行动无法获取实际突破。

上图1中的黄色区域为MH370可能的航线区域，最底部黄色区域和紫色Arc7的交界处为可能的坠毁地点。这段代表着“坠毁洋面接触点”的弧线区域，本身距离已经超过2000Km了。这个定位精度，是事故调查和搜救行动所无法接受的。

图二【huawei petal map-16.png】上图来自站点the search for MH370

关于MH370的坠毁点定位故事，估计可以讲一天了。具体细节我们这里就不跑题展开了。但是关于MH370潜在位置估算的最新方法——WSPR（Weak Signal propagation Record）在理论上提出了一种之前从未采用过的无线定位手段，参见上图2。

尽管WSPR本身不是被设计用来执行定位任务的，但这种业余无线电爱好者在空中所编织的无线网络，即图2中那些暗灰色的线条，客观上起到了辅助定位的能力（小编：虽然是仅在理论上，具体位置还有待投资搜救后才能证实）。

由此可见，关于定位，未知的秘密和值得一用的技术手段还有很多。在大气层内找到低成本、高普及率和足够精度的无线定位技术，不管是一种技术通吃还是几种技术无缝协调，始终都应该是人类发展道路上不可或缺的关键任务。

【注：如果有希望了解WSPR在定位方面原理的读者，可以后台私信小编，欢迎单独聊。】

无线定位技术的一些背景知识

无线定位技术的综合论述，还得从下面这张图开始，有代表性。伴生并横跨2G、3G和4G的演进过程，以及一些通用的室内无线技术，如果明白这张图的来龙去脉，基本就可以清楚过去20年来定位技术的走向了。在这个基础之上，我们才有可能想象未来的无线定位技术会是一个什么样的状态。

图三【huawei petal map-12.png】初始来源不详，从与非网文章《5G的高精度定位》截图获取

上图3通过五种颜色的曲线，给出了截至目前，曾经出现过的、彼时和现下得到普遍部署的五种无线定位技术，它们从右上角开始，逐步逼近整体位于左侧的终极目标。它们分别是：

Cell-ID：以通讯网络的小区基站的经纬度位置信息为颗粒度的粗定位方式；

RFPM：在Cell-ID的基础上，增加了RF Pattern特征来增加定位精度的方式；

TDoA：在Cell-ID的基础上，增加了根据时间折算路径后增加定位精度的方式；

GNSS：标准的卫星导航定位方式；

Hybrid：这里指GNSS+室内无线技术的混合定位方式；

截止目前，在精度上表现最好的Hybrid无线定位技术，也只在Rural乡村无遮挡的地区实现了小于1m的定位精度，而这种实际的位置获取能力远远不能满足密集区域甚至室内定位的场景需求。所以在上图3中才会有左下角的期望“Future standard location methods”，灰色的虚线圈。

不明白以上专业术语没关系，读者主要还是要明白他们之间的演进关系，以及他们分别适用的定位场景。从1Km到1cm，每一种定位技术都有其对应的价值，考虑到实现成本问题，定位系统所能提供的能力也并非精度越高越好。

基于Cell-ID小区标识的定位

图四【huawei petal map-21.png】初始来源不详，从与非网文章《5G的高精度定位》截图获取，

大规模在人口聚集区域部署传统蜂窝移动网络的过程中，我们头一次获取了一个在地理上以“泛在形态”存在的无线网络。其核心构成要素——基站（小编：2G被称为BTS，3G被称为NodeB，4G被称为eNodeB，5G则叫做gNB。它们的命名规则和差别主要体现在无线通讯功能上，和定位无关），通常被分为三个扇区，一个扇区对应一个小区，每扇区通常120度，每个小区都有不同的识别码（Cell ID）。

由于基站的经纬度在基站选址和建立过程中是经过测量和确定的，因此终端根据获取的Cell ID就可以大致锁定自身的位置。但一个小区的覆盖范围很大，通常几百米到几公里不等，仅基于Cell ID的定位误差非常大，这也是后来继续发展E-CID增强定位技术的原因。

图五【huawei petal map-17.png】来源为nytimes.com的一篇移动网络资费推广文章《The best cell phone plans》，

上图5为纽约某运营商的基站覆盖，六边形的点代表覆盖的扇区，不同的颜色可以代表着不同的网络制式。通常说，新的网络制式的基站建设量会比较少，所以上图中推测红色六边形代表更高级别的网络制式（比如5G）。在资本主义的自由市场体制下，移动运营商不像国内为国家主导和控股，而是彻头彻尾的私有化公司。

核心的利益是通过提供移动网络服务来赚取利润，而非为市民和国民提供普遍的基础通讯业务。这一点上和国内的国有控股移动网络运营商构成重大区别。因此读者可以看到即便在类似纽约这样的核心城市内，网络覆盖也是高度和人群密度相关的：住宅区、办公区、公路周边和商业区是首选的覆盖密集区域，而其它区域则存在不少的覆盖空白，很简单低价值区域赚不到钱，赚不到钱就不可能有大规模足额厚度的网络覆盖。在地广人稀的美国，这种现象非常普遍。

大家可以根据图5来感受一下，如果单纯采取Cell-ID定位技术，定位结果将体现两个严重缺陷：第一精度只能下探到六边形扇区这个颗粒度；第二，存在定位能力断续的可能性。但也并不是不能用，恰恰相反，Cell-ID作为最早的附着于移动通讯网络的定位技术，在早期还是发挥了不少作用的。2010年前后互联网时代进入“移动互联网时代”的时候，很多移动应用的存在和推广，对于手机位置的获取能力是个必要的前提。Cell-ID就是那个时段的核心定位技术。

例如即便大家现在也是经常使用的“大众点评”和“猫眼电影”（小编：当然这些app实际上还可以调用手机本身所具备的其它的定位能力，比如GPS和WiFi小区定位等等，这是后话，不影响我们现在的讨论），Cell-ID技术单独提供的粗位置信息已经足够提供给最终客户查询附近的美食和电影院服务了，毕竟误差百米不会影响客户对于待选服务所在位置和方向的判断。

除此之外，十几年前，很多城市建设所涉及的专业车队（比如渣土车）也通常会在运营商购买基于Cell-ID的定位服务，从而对庞大的车队穿越城市时进行路线监管，尤其是在GPS的弱覆盖区域，Cell-ID是一个比较好的补充技术。诸如以上，都体现了“够用即好用”的思想。

读者需要关注的另一点是，这些网络要素（Cell-ID、基站小区的覆盖半径设计等）设计的出发点还是为了满足移动状态下的通讯需求，并非天然具备“定位”能力。比如基站的小区覆盖半径，更精准的描述是基站的站间距，唯一的出发点就是尽可能满足覆盖区域内的信号质量（小编：SNR和RSSI是通常被用来描述小区内信号质量的关键指标，前者是信号质量后者是信号强度）。

移动通讯网络的小区的半径设计并不会考虑定位的需求而设计的规律且整齐，小区覆盖的最终形态是犬牙交错、形态各异的，规则的六边形蜂窝只停留在设计阶段；再比如Cell-ID这个变量，本身也是被设计用来对终端-client表明基站/小区的识别符，从而建立网络和终端之间的“确定关系”——这种确定的关系在手机的通话建立、client漫游等核心业务的信令交互上都起到关键作用。即便在移动网络下没有定位业务的需求，他们也是一样不可或缺的。

后续在3G和4G时代，E-CID（小编：增强的Cell-ID定位技术）的概念被提出并被落实，包括Cell ID+RTT、Cell+RTT+AoA等。

图六【huawei petal map-18.png】来自CSDN技术文章《2G到5G蜂窝网络的定位技术》，

参考图6，从左往右看。最基础的Cell-ID定位技术，只能做到在覆盖的扇区内，对所有参与定位的client只能提供一个基础位置信息，即基站本身地理位置的经纬度。而Cell ID+RTT，在小区Cell-ID的基础上增加RTT（Round Trip Time）测量，即通过TA（Time Advance，时间提前量）得出信号从手机终端到达基站，或从基站到达手机的时间，再乘以光速（无线信号传播速度）来估算手机与基站之间的距离。这样在理论上就可以得到一个基本的带状地理信息限定，相对于单纯的Cell-ID技术，前进了一步。

在技术实现上，还可以考虑在Cell ID+RTT的定位方式下，如果允许手机client可同时对附近的多个基站进行距离估算，来得出超过一个的有效带状地理信息，就可以进一步提升定位精准度。如上图5的中间那幅小图。

如果我们只讲到这里，那就和一般的技术类公开文章没什么差别了，基础概念copy来copy去的重复过程而已。对于不在这个行业内的读者来说（小编：尤其是针对那些没有通讯业背景知识的读者来说），其实更需要理解的是，到这一阶段的定位精度为止，增加的RTT测距技术也依然不是为“定位业务”而专门设计的。

从手机clients发起的RTT测量过程和获取RTT测量结果，本质上是为了保障通讯业务的正常进行。特别是小区内必然存在的，终端clients距离基站位置远近各不相同的情况下，基站如何在时间上协调各个同时进行业务的终端互相不干扰呢？就只能依靠RTT的测量结果来判断每个终端的具体距离和由此引发的时延，并最终在时间上对齐业务和消除干扰。

RTT过程恰恰是客观上具备这个从手机clients到基站BTS的测距属性，从而可以被定位业务所利用。在不对通讯基站网络做出重大软件修改的前提下，无线通讯网络的定位精度得到大幅度提升，这很好。

这里还需要注意的一点是，手机终端clients并非在每一种无线制式下，都可以实现同时对多个基站BTS进行RTT过程（小编：而从以上技术原理看，这是实现ECID定位的基础）。比如GSM通讯体制下就没有这个要求。GSM的技术发展背景决定了网络需要确保的任务以话音和短文本信息业务为主，而并非追逐移动条件下完美的切换成功率。

但当移动技术发展到3G的WCDMA和4G的LTE时代时，手机对于多个基站（邻区）同时进行RTT过程就是一个必要过程了（小编：这是3G和4G更好的漫游质量、以及更高的网络容量需求，终端clients对于网络的状态检测手段已经大大丰富了），从而在客观上更进一步提升了终端clients的定位精度。

关于Cell ID+RTT+AoA的定位概念，大同小异。AoA，Angle-of-Arrival=到达角，就是利用手机信号传送至基站的入射角度来进一步确定手机在该区域的位置。在Cell-ID的基础上，增加RTT和AoA辅助可大幅提升定位精准度。如上图6最右侧小图。

从国内2006年开始部署国产TDSCDMA的时代开始，移动通讯基站就开始具备测量终端信号到达角AoA的能力了。但是客观上说，测量到达角需要基站天线具备更大的尺寸和更高的成本，这是多数运营商所需要极力避免的。因此在通讯业务下并非强制需要的前提下，可以准确测量到达角AoA的相控阵天线并未在3G和4G时代广泛普及。

因此到达角所带来的定位精度提升，甚至单一基站即可直接测量相对准确的终端clients位置能力并没有受到市场追捧。但在可以预期的5G时代，相控阵天线的比例会适当增加，这是个利好。

综上总体来说，E-CID，就是在Cell-ID的基础上增加TA、AoA、RSRP、RSRQ等辅助信息来提升定位精准度的定位方法。本质上依然是以Cell-ID位置信息为核心的小幅度定位改进技术。在这个阶段，定位业务的精度大致在数十米和数百米之间不等，且无法渗透入多径环境十分复杂的密集城区和室内环境。

基于RFPM的定位技术

图七【huawei petal map-22.png】初始来源不详，从与非网文章《5G的高精度定位》截图获取，

在图7当中，请读者关注蓝色线条所勾勒的区域在应用场景和定位精度上，都和上一章节所讨论的Cell-ID方法（小编：橙色线条区域）有所区别。其所面对的部署场景主要集中在室内环境，且所对应的最佳定位精度下探到10m以下，尤其是在室内环境下。读者可以按照我们之前提到的场景需求的差异来理解，如果在室内环境下部署无线定位系统，精度不能够达到10m以下，那也确实没有存在的必要了。

这种无线定位方法的全称为，RFPM=Radio Frequency Pattern Matching，中文被称作无线电信号匹配定位。RFPM定位技术和移动通讯网络的制式没有强捆绑关系，移动网络运营商甚至普通的企业自身，只要具备无线网络的实际部署，就都可以在其无线网络的物理基础之上部署RFPM定位技术。

比如：2G，3G和4G，也包含企业网常用的WiFi网络或者蓝牙BT网络，皆可。这就是说，RFPM定位技术对于无线网络通讯技术依然保持了松耦合的关系，尽可能降低对于通讯网络的改进需求。在无线定位技术发展早期，定位精度需求并不是特别高的前提下，所惯用的思路。

RFPM技术的发明、落地和运作的推手实际在美国。FCC联邦通讯委员会要求无线网络的定位技术可以帮助用户在室内环境下，即GPS失效，Cell-ID技术无法满足精度要求的场景下（小编：Cell-ID技术在一些深度的室内场景，因为信号强度弱，以及无法克服的多径效应，定位精度是非常差的），可以提供一个精度在10m这个级别的定位手段。

据说需求的触发点来自于2007年发生在佛吉尼亚理工大学的大规模枪击事件：当时躲在教室内的学生无法通过沉默不发声的方式给911局方提供枪击事件的基本信息，包括他们所躲藏的具体位置；而只能选择话音沟通来上报，导致声响泄露自身的位置信息而遭到枪手破门袭击。因此，一个足够精度的室内位置信息获取方法是必须的，RFPM技术应运而生。

这种以网络为中心的定位方法基于从网络和/或终端设备收集的无线电链路测量值（小编：也叫做Pattern），并依赖于提前生产并获取的无线电环境的模型（小编：也叫做后台位置数据库）。基于RFPM的解决方案对测量结果进行比较，以估计设备的位置。简而言之，它使用设备对于无线电信号的感知来识别其位置，从而消除了对卫星GPS的依赖。RFPM 在非视距条件下工作得非常好，例如密集的城市和室内环境，并且对于关键任务的公共安全应用非常可靠。

图八【huawei petal map-19.png】来自Docin.com收集的毕业论文《基于电信号匹配的移动定位算法研究》，

根据图8显示，RFPM可以在一定的地理区域内，比如移动网络的一个小区内（小编：比如上图8中的正六边形代表通讯基站所覆盖的一个标准小区），进行地理上的栅格化处理。并在栅格化的基础上，分别测量每个栅格区内的某些“电特征”。并以栅格作为索引将这些测量值存储在网络侧后台的数据库里。

当需要确定客户端设备在这个区域内的具体位置时，可以选择从客户端出发对网络侧发射的电信号进行测量（小编：也叫downlink测量），也可以选择从网络侧出发对客户端发射的电信号进行测量（小编：也叫uplink测量），然后将大于一定门限的测量值与后台存储的量按照某种方法进行匹配计算，按照一定的准则选取某一个最佳的栅格坐标来作为客户端的位置估算结果。

我们这里以4G-LTE为实例，来看看RFPM方法中的关键概念“电特征”是如何定义和选择的。首先需要说明的是，当移动通讯系统发展到4G这个阶段，兼容定位功能、提供定位服务已经是无线移动网络的一个设计目标之一了，这是和之前的GSM和WCDMA不同的地方。

LTE系统本身存在一些和位置相关的测量量，有一些是定位业务原生，比如PRS-Position Reference Signal；更多一些是通讯业务原生，但也可以利用起来确定手机的位置。比如：初始化小区搜索、小区选择和重选、信道链路质量的评估等等。这些信号隐含了目标设备比如终端的位置的相关信息。这些测量结果可以在终端clients侧实现测量，就是我们前面提到的downlink测量；也可以在eNodeB网络基站侧进行测量，就是我们前面提到的uplink测量。只要该测量结果包含有移动终端的位置信息，不管直接还是间接，就可以用来计算该移动终端的地理位置。

最近五六年，国内大型商业设施推进速度很快，比如各种连锁的Shopping Mall如雨后春笋。主建方和运营方就常常选择利用在室内批量部署WiFi或者专用的蓝牙网络来兼顾客户Internet接入服务和客流的粗定位和分析，其本质就是RFPM技术，也叫做WiFi/BT“指纹定位技术/Fingerprint based Location System”，是一个意思。
 

图九【huawei petal map-20.png】来自Docin.com收集的毕业论文《基于电信号匹配的移动定位算法研究》，

图9描述的是3GPP release9版本中全新定义的定位系统框架。对于3GPP所倡导的移动通讯系统来说，图9框架是一个创举，它不仅仅针对RFPM定位方式，其它的ECID和TDoA定位方式也可以沿用这个框架。这意味着定位业务将由移动网络运营商牢牢把握并赚取利润。

但显然理想丰满现实骨干，移动互联网上确实存在大量不依赖网络运营商的第三方定位服务提供实体的存在，各具特色我们这里就不一一评论了。但移动网络截至目前依然不能提供大大强于免费的GPS和一些众包方法所获取的位置精度和服务的稳定性，因此未能普及也就不难理解了。

对于包括运营商、标准制定者3GPP和众多设备技术制造商的整个移动网络生态来说，911安全需求的推动力依然势微，现在的胜负手显然在于5G vision。关于这个话题，我们下次找时间再谈吧，敬请期待！

审核编辑：刘清