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LBS 含金量高，WPAN 竞逐＂超短距微定位＂市场

本文作者：任苙萍点击： 2020-04-10 15:41

前言：

物联网 (IoT) 时代，内嵌通信功能的便携式／穿戴式产品日见普及，与我们最为切身的＂最后一英里＂竞争不再止步于家庭、商场、办公室等建筑物，继之而起的是无线个人局域网络 (WPAN)，应用也越趋广泛；与移动通信的大范围覆盖不同，WPAN 着重的是小区域使用范围的最佳信道规划。从早期单纯做数据／信号传输、到＂无钥匙进入＂(RKE) 的遥控或追踪用的标签，再到各式新兴穿戴设备，蓝牙 (Bluetooth)、Zigbee、无线射频识别 (RFID)／近场通信 (NFC) 以及超宽带 (UWB) 正各自竞逐一片天，＂室内定位＂尤其受到关注。

图1：UWB 用于博物馆资产追踪或室内导航示意
资料来源：NXP提供

室内定位需求爆发，汇聚企业 BI
市调公司 HTF Market Intelligence Consulting 预测，2025 年室内定位服务 (Location-based Service, LBS) 市场将达 29 亿美元，期间年复合成长率 (CAGR) 高达30%！试究背后深层原因，不外乎作为寻物、导航与＂电子围篱＂之用，以实现预防阻挡、区域警报、出界捕救和移动轨迹追踪等。稍早数据桥市场研究 (Data Bridge Market Research) 聚焦于＂企业＂的数据更惊人，受到工业 4.0 及业务流程优化的推动，预测 2026 年全球企业室内 LBS CAGR 将达 43.13%，但维护相关复杂性或将成为阻力。

地理空间媒体与通信公司 (Geospatial Media and Communications) 表示，过去以制图和导航闻名的行业正逐渐发展为分析和智慧技术，越来越多的位置情报被用于为客户提供集成的个性化产品和服务，有助于优化业务决策——从确定展店的最佳区域、改善供应链，到制订令人心动的营销活动，保险金融服务亦可使用位置分析评估风险并验证索赔，还能整合企业资源规划 (ERP)、顾客关系管理 (CRM)、社交网络平台与地理信息系统 (GIS)。LBS 价值链可分为三层结构：位置数据和分析平台、消费者服务平台与集成定位功能的企业商业智能 (BI) 平台。

对行业的启示是：谁可更快地处理数据并实时生成重要见解，远较谁拥有最多数据重要！而云端平台是最佳解方。随着软件即服务 (SaaS) 成熟度不断提高，定位公司正将其业务策略转移到平台即服务 (PaaS)，以使客户获得更大的敏捷性、灵活性和可扩展性。人工智能 (AI)、增強现实／虚拟现实 (AR/VR) 和物联网对于数字技术的重要性日增，可望以更多创新方式推动 LBS 普及。通过将位置元素加到企业平台，售前和售后团队得以可视化航点中的数据库项目，有助于解决复杂的空间问题，并提供及时客户服务、增进客户体验。

图2：以 AI 为中心的室内定位系统架构
资料来源：https://www.ibm.com/blogs/research/2018/10/indoor-positioning-system/

Zigbee 适用大范围定位，蓝牙信标定位最普及
移动企业云端平台厂商 Phunware 的＂多屏即服务＂(Multiscreen-as-a-Service) 平台，就可用于管理客房预订，在整个设施中实现定位、寻路和导航并扩展其他建筑物内的服务，包括：停车管理、安全性和用户反馈，以提高企业园区的利用率。另一研调机构 Reports and Data 推估，2026 年＂微型定位＂(Micro-Location) 市场将达 493.5 亿美元；在多元连接技术帮衬下可精确定位室内位置，即使在远处也可识别对象，思科 (Cisco)、阿鲁巴网络 (Aruba)、Humatics Corporation 和 Estimote 为主要参与者。但严格来说，RFID/NFC 并不适合用于定位。

工作频率为 900MHz 的 UHF RFID，因为标签是被动式、不具通信能力，传输距离非常有限且安全性不够完备，只能简单判读某个区域是否有人进出；而主动式 RFID 耗电量逼近 Wi-Fi，对电池续航力是一大挑战。再看系出同门的 NFC，龙头厂恩智浦半导体 (NXP) 直言：其平均读取范围仅 4～10 釐米，意义不大。倒是基于 IEEE802.15.4 标准的 Zigbee，优势在于部署容易、支持节点多、自组织、低功耗、传输通道简单但＂穿透力高＂，最重要的是成本低，除了用于自动／远程控制，不少煤矿工场或监狱管制等大面积区域有采用。

至于蓝牙，要算是大众最熟悉的 WPAN 技术了。其最大好处是：普及率高、不受视距 (LOS) 影响，只要开启设备就可执行。知名的苹果 (Apple) iBeacon 就是采用蓝牙低功耗 (BLE) 做商场定位服务和移动支付。自 2004 年诺基亚 (Nokia) 发布、2007 年并入蓝牙标准以来，BLE 已成众多终端设备标配，最大有效距离为 45 米。于 2012 年收购 Meraki 的思科系统近日亦与移动企业云平台公司 Phunware 合作开设＂Phunware MaaS LBS＂，兼采 BLE 信标 (Beacon)、Wi-Fi、Li-Fi 和 GPS，不到一秒便可实时室内定位、导航和寻路，在室内、外无缝过渡。

表：WPAN 技术特性比较

	Bluetooth 5.x	UWB	Zigbee	NFC
标准	IEEE 802.15.1	IEEE 802.15.3	IEEE 802.15.4	IEC 18092/21481
频段	2.4 GHz	3.1～10.6GHz	2.4GHz 868MHz 915MHz	13.56MHz
距离	<300m	0～75m	10～75m	<50cm
传输率	2Mbps	100Mbps～Gbps	2.4GHz=>250kbps 868/915 MHz=> 20kbps / 40kbps	424 kbps
安全性	高	高	中	最高
穿透性	中	最低	最高	中
抗扰度	中	最高	中	低
精准度	中	最高	低	中
复杂度	低	低	低	高
部署成本	中	最高	低	最低

资料来源：笔者整理

蓝牙 5.0 支援室内导航，5.1 重磅新增＂寻向＂
低成本位置追踪设备的开发和智慧手机的广泛采用是 iBeacon 主要驱动因素。链接位置信息与客户购买模式，企业可策略性地向目标受众传递不同广告和商业信息；借助 LBS 做地理围栏，企业亦可知道目标客户何时进入、离开商店附近区域，零售和消费品有望成为最大贡献者——本地解决方案将主导市场。然而，随着越来越多的数字营销采用云端服务，成长力道将大增。地理围栏超越标准的地理定位，可在非常特定的位置、甚至是街上或建筑物定位，涉及两大步骤：1.绘制希望数字广告展示的特定地理区域；2.有人进入虚拟围栏区域时触发广告。

另有照明厂商展示将蓝牙用于收集建筑物数据，以增加销售、减少搜索或等待时间，为客户和服务人员提供移动广告资源的定向协助，节省空间、人力并获得完整的移动轨迹曲线。使用基于 BLE 信标可连接到市电、亦可使用现有灯具的电源；电池供电的 BLE 信标可使用 2～8 年，无需借助外部电源；信标可贴附到目标物或由要被定位的人配戴，在 100 平方米的面积约需 3～4 个信标。一个有趣的用例是：M2M Technologies 公司利用其名为＂Shield＂的室内定位技术，在隐蔽的车库中寻获从他处窃取而来的赃车。

值得留意的是，蓝牙于 2016 年发布 5.0 版本已将理论上的有效传输距离大幅提升至 300 米、传输率亦倍增至 2Mbps，且支持室内定位导航 (结合 Wi-Fi 可实现精度＜1 米的室内定位)，并针对 IoT 进行许多底层优化，例如，可接收无需配对的信标数据、传输率可再提高八倍，更有利于广告和定位。去年新出炉的 5.1 版本新增＂寻向＂(direction finding) 功能，较以往更具竞争本钱，可明辨蓝牙信号方向、便于解读设备方向的接近 (proximity)——蓝牙 LBS 可细分为＂接近＂和＂定位＂两大类，实现＂釐米级＂精度的定位。

图3：基于到达角 (AoA) 和出发角 (AoD) 两个关键概念，蓝牙5.1＂寻向＂通过在通信链路的任一侧使用天线数组，可确定两个角度的相移数据并由此定位
资料来源：Nordic；https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-range-wireless/Direction-finding

WPAN 异质混搭日盛，UWB 华丽转身
其原理都是在数据封包传输中加入＂接收信号强度指示＂(RSSI) 机制虚拟出产品的大致范围，再通过三边测量交集而完成室内定位——多个信号来源的传输距离不一，会造成不同程度的信号衰减，故须依据信号衰减程度计算出接收端与个别基地台的距离，再套用三角定位公式计算出接收端所在坐标，目前已有酒店旅宿开始导入。BLE 紧急按钮的先进厂商 React Mobile公司，近期推出 BLE 5.0 信标，可在多层建筑物的室内提供精确的房间位置，以因应紧急医疗或员工骚扰事故。

当启动外形小巧、由多个 CR2032 电池供电的安全设备 (ESD) 后，会自动识别最近的 BLE 信标并将精确房号及 GPS 坐标实时回报管理后台；一旦遇有紧急情况，可通过手机 APP 或单击紧急求救按钮触发警报，作为声音及 GPS 系统室内运作不良的补充。不过，蓝牙的抗干扰能力并不佳，在复杂空间的稳定性较差；于是，上述诸多 WPAN 技术，混搭情形并不罕见。坊间就有可监控室内温度／湿度／噪音水平的多合一照明传感器套件，选择捆绑蓝牙 LBS；内置的蓝牙芯片可在 Zigbee 或 PoE 支持 LBS，不用将信息传回中央服务器。

UWB 更为自己写下重返荣耀传奇，在一度被＂弃市＂、淡出人们视线多年以后，成功华丽转身。犹记 2008 年，英特尔 (Intel) 因遍寻不到投资者而黯然结束 UWB 技术研发时，曾给予产业一记重击；但随着连网设备和通信干扰越来越多，对数据要求越来越精准，UWB 的＂高定位精度、高安全性、高传输速率、高系统稳定性与抗干扰能力、以及低功耗＂优势逐渐脱颖而出，使用空间密集的工商或医疗环境对误差容忍度更是极其有限。ResearchAndMarkets 预估，受到医疗保健和零售行业的带动，2019～2026 年全球 UWB 市场的 CAGR 达 5.7%。

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