蓝牙室内定位共室分系统的设计

1 引言

5G新基建下，通信运营商按下了5G网络建设的加速键，保证室外覆盖的同时逐步加大室内覆盖的建设。但是5G室内覆盖并非简单叠加在原有4G的有源室分或无源室分系统之上，为克服5G高频段信号的高衰减性、覆盖半径小、穿透性差等问题，亦需要对原有的室分系统进行改造更新。同时，运营商利用5G室内覆盖改造的契机，融合蓝牙室内定位共室分系统，可以拓宽室内业务能力。

2 运营商切入室内定位的背景

2.1 定位技术的分类

定位按照使用场景的不同划分为室外定位和室内定位两大类。

目前，室外定位的主流技术主要包括基于全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）的卫星定位以及基于移动通信网络的基站定位两种，广泛应用于航海、航天、航空、测绘、导航、自然灾害预防等各个领域。

然而，当进入到室内，受到建筑物对定位信号的遮挡，室外定位技术无法满足室内定位服务的需求。随着基于移动通信网的定位技术的发展，结合多种室内无线网络，有效地为室内高精度定位和室内外无缝定位的实现提供了技术支撑，填补了室内定位的空白，满足了室内定位服务所带来的巨大的应用。室内定位技术的原理分析及精度成本比较如表1所示。

表1 室内定位原理、定位精度与成本对比表

2.2 室内定位应用场景丰富，逐渐成为刚需

随着定位在各行各业的广泛应用，设备及人员定位在公共安全、智能物流、智慧养老、商城导航等领域中作为重点的功能亦得到了大力推广，创造出极大的商业价值也大大提高了人民的生活质量。室内定位在各行各业的适用场景分析如表2所示。

表2 室内定位的适用场景分析表

2.3 运营商越来越看重室内定位，蓝牙定位是室内定位与室分系统结合优选技术

定位能力的发展离不开通信技术的更新换代，1G、2G仅是推动了语音和短信的普及，也可以进行低速率的数据业务，以全球定位系统（GPS，Global Positioning System）为代表的全球卫星导航系统得到了普及，满足了室外定位的精度；到3G时代，智能手机开始出现，网络可以实现高速数据传输和宽带多媒体服务，通过基站蜂窝定位技术实现了低成本的室外定位，同时以WiFi定位、蓝牙定位、ZigBee定位、计算机视觉技术等为代表的室内定位的各种技术开始涌现；到2010年，4G时代的到来开始了高速移动互联网和宽带物联网的时代，4G网络下用户能够进行在线视频观看、高清视频回传等，也带动了定位技术向高精度方向的发展。4G改变生活，5G改变社会，5G不仅对当前的室内定位技术进行了补充，还将对室内定位发展起到极大的推动作用。

对比现在室内定位网络的部署成本，通信基站成本最高，达到千元级别，WiFi设备成本为百元级别，蓝牙设备成本为十元级别。在设备成本方面，蓝牙定位技术具有明显的设备成本优势。另外，蓝牙定位在定位精度、定位算法的复杂度、无线安全性等方面与其它定位技术相差无异，因此满足单纯的室内定位、导航功能，可以优先选择蓝牙定位方案。另外，运营商在室内部署无线通信网络覆盖主要满足室内的通信需求，并未扩充到如定位等其它能力上，但如果将蓝牙定位与无线通信室分系统的结合起来，对解决蓝牙信号回传、蓝牙网关供电、蓝牙探针布线等棘手问题起到极大的帮助。

3 蓝牙室内定位共室分系统的设计

3.1 蓝牙室内定位系统的构成

如图1所示，图中描述了一套蓝牙定位系统的构成，主要由：蓝牙定位平台、蓝牙网关、蓝牙探针以及需要定位的蓝牙终端。

图1 蓝牙定位系统的结构组网

蓝牙定位平台包括蓝牙数据接收模块、定位能力引擎、定位业务呈现模块、蓝牙设备管理模块等，可以部署在云平台也可以按需单独部署。

蓝牙网关是一个汇聚蓝牙探针数据并转发至蓝牙定位平台的网关，部署在建筑物里，回传网络可以基于建筑物内的互联网也可以插上4G通信模块。

蓝牙探针既是蓝牙的“广播者”也是蓝牙的“扫描器”。当作为广播者时，蓝牙探针广播通用唯一识别码（UUID，Universally Unique Identifier）、Major、Minor等参数，需定位的终端接收到广播信号后，可通过本地计算或回传给平台计算，得出所处的位置。当作为扫描器时，蓝牙探针扫描周围的蓝牙终端（手机或带蓝牙发射的设备）广播自身的MAC、UUID、信号强度等参数，通过回传给平台计算出蓝牙终端的位置。

3.2 蓝牙室内定位结合无线通信室分系统的设计方案

目前运营商室内无线通信室分系统主要分为两大类：以分布式皮站为代表的有源室分系统和以室内无源分布式天线系统（DAS，Distributed Antenna System）为代表的无源室分系统。其中，室内无源DAS由远端射频模块（RRU，Remote Radio Unit）和无源室分天线组成，由于无源室分天线无法进行独立区分RSSI，因此无源DAS不具备室内定位能力。分布式皮基站平均站间距为30～40米，定位精度大于10米，无法满足室内定位需求，如果要实现5～7米室内定位精度，皮基站间距需要缩小至20米。通过在室分系统内结合蓝牙室内定位的信标，可以将定位精度提高到3～5米，大大降低了室内网络建设成本。

3.2.1 蓝牙室内定位共有源室分系统

在分布式皮基站上集成蓝牙探针，通过蓝牙探针探测周边的蓝牙信号。分布式皮基站汇聚蓝牙数据后通过室内分布系统回传到蓝牙定位平台。同时在分布式皮基站上增加扩展口，以串口连线方式拖带多个蓝牙探针，增加蓝牙探针的密度，提升蓝牙探测的精度。如图2所示。

图2 蓝牙室内定位共有源室分系统结构图

蓝牙室内定位共有源室分系统在每层楼的平面视图，如图3所示。

图3 蓝牙室内定位共有源室分系统的平面视图

3.2.2 蓝牙室内定位共无源室分系统

室内无源DAS中，将蓝牙探针与无源室分天线融合，蓝牙探针通过天线阵子发送蓝牙广播信号，同时扫描接收其它终端的蓝牙广播信号。蓝牙网关与RRU相连，提供蓝牙数据的上传、监控数据的交互等连接功能，同时将蓝牙信号射频通过合路器合入到室分系统中，通过室分系统网络将蓝牙射频信号传送到蓝牙探针处。如图4所示。

图4 蓝牙室内定位共无源室分系统结构图

蓝牙室内定位共无源室分系统在每栋楼的平面剖视图，如图5所示。

图5 蓝牙室内定位共无源室分系统的平面视图

3.3 蓝牙室内定位系统的硬件功能实现要求

梳理上述的蓝牙室内定位共室分系统的设计方案，提出了两种蓝牙网关的设计，一种是将蓝牙探针与蓝牙网关集成到分布式皮基站，另一种是蓝牙网关外置于分布式皮基站。

3.3.1 蓝牙网关与分布式皮基站一体化

如图6所示，图中是蓝牙网关与分布式皮基站一体化的硬件设计示意，包含以下功能需求点。

（1）具备蓝牙探针，可以探测周边的蓝牙信号；

（2）具备扩展口，通过串口连线拖带蓝牙探针，串口连线还需给蓝牙探针供电；

（3）具备存储功能，将探测到的信号情况保存下来，等待一个发送周期将其发送到室内定位平台；

（4）具备数据转发功能，确保信号情况能够完整上传到平台；

图6 蓝牙网关与分布式皮基站一体化形态功能架构图

（5）具备监控功能，监控主控中央处理器（CPU，Central Processing Unit）的工作情况、存储空间、蓝牙探测模块工作情况、电压、与平台的连接情况等；

（6）具备无线射频信号合成与分离模块，将蓝牙无线射频信号合成到4G/5G射频信号去，通过天线口送至天线头端；

（7）具备与4G/5G上连通道合路功能；

（8）分布式皮基站其它功能。

3.3.2 外置式蓝牙网关

如图7所示，图中是外置式蓝牙网关的硬件设计示意，主要的功能点剥离了分布式皮基站本身功能，仅通过网线或串口方式与基站进行连接，包括的功能点示意如下。

（1）具备存储功能，将探测到的信号情况保存下来，等待一个发送周期将其发送到室内定位平台；

（2）具备数据转发功能，确保信号情况能够完整上传到平台；

（3）具备监控功能，监控主控CPU的工作情况、存储空间、蓝牙探测模块工作情况、电压、与平台的连接情况等；

（4）具备无线射频信号合成与分离模块，将蓝牙无线射频信号合成到4G/5G射频信号去，通过天线口送至天线头端，并且接收传送回来的蓝牙数据。

（5）具备与RRU连接的网络接口，通过RRU的有源以太网（POE，Power Over Ethernet）供电提供网关的电源，提供蓝牙数据的上传、监控数据的交互等连接功能。

图7 外置式蓝牙网关功能架构图

4 结语

相对于2G、3G和4G的以语音和数据为主，5G时代的业务种类更加多元化，室内定位可以满足多种室内场景下业务应用的需求，是无线通信室分系统向垂直业务拓展的重要能力。运营商在升级部署5G室内分布系统的同时，给基于此网络的室内定位提供了部署可能，达到一网多用的建设目标，破解在4G阶段的室内定位技术普遍存在的成本高、业务无法提供能力开放等问题，支撑运营商拓展全新的数字化业务领域。