2024年6G无源物联网定位技术白皮书（1.0）

1 前言 无源物联网技术，作为6G海量连接技术的重要载体，有望实现万亿级连接规模。定位是继物资盘点之外的无源物联网第二大刚需应用。无源物联网凭借其低成本、免供电、易部署、免维护和小尺寸等优势，可有效解决有源定位的使用限制，有望在仓储物流、商超零售、智能制造、人员管理等场景广泛应用，实现一网多能。在此背景下，中国移动联合产业界和科研院校，共同探索6G无源物联网定位技术。 本白皮书从6G无源物联网典型定位应用场景需求出发，深入分析无源物联网定位端到端关键技术，介绍定位实践案例，为产业探寻6G无源物联网定位应用发力点、推动无源定位技术演进、创新无源定位解决方案提供参考和指引。 白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.无源物联网发展历程1 2.无源物联网定位概述3 2.1.无源物联网定位定义3 2.2.无源物联网定位优势与挑战4 2.3.无源物联网定位市场前景7 3.无源物联网定位典型场景与需求分析7 3.1.企业服务定位场景8 3.1.1.仓储物流8 3.1.2.商超零售9 3.1.3.智能制造10 3.1.4.智慧停车11 3.2.政府与公共服务定位场景12 3.2.1.博物展览12 3.2.2.矿井管廊14 3.2.3.公检司法15 3.2.4.医疗养老15 3.3.个人和家庭定位场景16 3.3.1.家人关爱16 3.3.2.家庭家居17 3.4.定位需求与指标分析18 4.无源物联网定位端到端技术20 4.1.定位网络层——组网架构与空口拓扑21 4.1.1.单点式无源物联定位架构21 4.1.2.组网式无源物联网定位架构22 4.1.3.蜂窝无源物联网定位架构23 4.2.定位算法层——定位测量量估计与位置解算24 4.2.1.定位测量量估计24 4.2.2.位置解算33 4.2.3.融合定位47 4.3.定位终端层——标签技术51 4.4.定位业务层——定位服务原子能力52 5.无源物联网定位应用案例52 5.1.立体仓库定位解决方案52 5.2.平面仓库定位解决方案53 5.3.进出卡口货物定位解决方案54 5.4.管廊人员定位解决方案55 5.5.服装零售门店陈列核查解决方案57 6.总结及展望58 缩略语列表59 参考文献61 编写单位及人员64 1.无源物联网发展历程 物联网本着“万物皆可连接”的愿景，已经通过4/5G、NB-IoT、LoRa、蓝牙、WiFi等通信技术，帮助数以亿计的设备实现互联互通。然而，随着物联网市场规模的蓬勃增长，当连接终端下探至海量的生产与生活中常见的物品时，端侧感知与通信的供能、续航、维护、尺寸、成本等问题成为物联网发展的新挑战。如何实现物联网端侧的自采能、低功耗、低成本、免维护，将是打开海量连接市场的关键所在。 无源物联网应景而生，端侧设备采集环境中的能量，转化为可驱动自身电路的电能，同时基于反向散射的通信模式，实现向目标节点传递信息，摆脱对电池或电源供电的依赖。如图1所示，无源物联网作为目前高、中、低速物联网场景的有益补充，处在“万物互联”金字塔的最底端，将实现海量物联网终端的感知，打开千亿级物联网市场。 图1物联网连接金字塔模型 无源物联网的优势具体体现在： 免供电：端侧设备将通信的射频信号转换为电能，满足自身电路工作的供电需求，除此之外，环境中的光能、风能、压力、温差等也可作为补充能量来源，实现端侧设备自采能，无需电池或电源供电； 低成本：无源物联网自采能脱离了电池的束缚，反向散射极简通信技术简化了射频电路的设计，导致其成本远低于其它通信技术的终端，目前无源物联网典型产品UHF（超高频）RFID标签市场价仅几毛钱，而市场上最便宜的蓝牙标签几块钱，而其他的技术产品价格则更高； 小尺寸：IoT设备脱离了电池的束缚，可以做到更小的尺寸与更灵活的形态，甚至是柔性贴片式的形态，以方便应用； 易部署：标签无需供电、形态多、可贴附至各类物品，可在高温或低温等复杂的工作环境中正常工作； 免维护：标签无需更换电池，一旦部署，可永久使用。 随着无源物联网技术的不断演进，产业界存在基于RFID、蓝牙、WiFi和LoRa等无源物联通信技术。其中，UHFRFID系统理论传输距离为1~10米，标签种类多样，生态成熟，产业链完善，且在功耗，成本等方面同样具备显著优势，使用范围最广，涉及物流、制造业、零售业等众多行业。中国移动也积极推动无源物联网的技术发展，提出单点式无源物联1.0、组网式无源物联网2.0、蜂窝式无源物联网3.0技术演进路线，实现无源物联从传统UHFRFID的“单点读取”向“网络覆盖”的跨越式发展[1]。 其中组网式无源物联网将传统RFID设备升级为中心节点与分布式节点设备，中心节点负责下发盘点指令给分布式节点，分布式节点转发来自中心节点的指令信号给无源物联网终端，并向无源物联网终端供能。中心节点负责接收和解调来自无源物联网终端的信号，读取盘存信息。实现设备一对一、一对多、多对多的组网协同工作，并兼容符合ISO18000-6C标准的超高频RFID标签，支持企业平滑升级网络覆盖及管理手段，已经在仓促物流、商超零售等室内局域场景落地应用[2]。 蜂窝式无源物联网利用基站或中继设备，实现对蜂窝无源物联网终端标签的激励和信息采集，通过全域覆盖、移动性管理等，实现中远距离传输和规模化覆盖[2]。3GPP相关标准正在有序推进中，在已经冻结的3GPPRel-18版本中，提出了5G-Advanced以及关于蜂窝无源物联网的理念，Rel-19版本也正在开展蜂窝无源无线空口及核心网相关课题研究，预计2025年下半年冻结标准，届时无源物联网将纳入到蜂窝通信产业中，释放无源物联网的庞大市场潜力。 本白皮书基于单点式、组网式和蜂窝式无源物联网架构开展定位技术的研究。 2.无源物联网定位概述 2.1.无源物联网定位定义 无源物联网定位，指基于无源物联网的架构，无源物联网设备获取标签反向散射信号的强度、相位等定位测量量，在定位解算平台计算待定位标签的位置。在蜂窝无源物联网中，无源物联网设备包括基站、中继设备或手机等，如图2所示。在应用场景上，定位作为无源物联仅次于盘存的应用范式，具有成本低、应用广、非视距、终端免供电、高性能等优点，有望成为最广泛的室内定位技术之一。 图2无源物联网定位示意图 从定位维度区分，无源物联网定位分为零维存在定位、一维线性定位、二维平面定位及三维立体定位： 零维定位：用于存在性检测，常见的应用场景是监测人员或者物是否在一个特定的区域内。系统硬件方面通常只需要一个无源物联网设备和定位标签即可实现； 一维定位：适用于巷道、管廊、隧道等狭长定位区域中人员、物品、车辆定位，只需要定位目标在这个长条区域的实时相对位置，由于宽度不大，在做室内定位的时候一般不会定位区域的宽度； 二维定位：二维平面定位，需要确定在空间平面的X、Y坐标。一般基于3个及以上的无源物联网设备天线，在一个标准的二维平面内确定无源定位标签的实时位置； 三维定位：需要求出被定位目标的XYZ三维坐标，即在平面定位的基础上增加高度信息。 从定位模式区分，无源物联网定位包括主动定位和被动定位： 主动定位：是指被定位目标携带定位标签，通过标签与无源物联网设备之间的信号交互，以测距或非测距的方式实现对目标的定位。主动定位需要定位目标主动参与定位过程，无源定位绝大多数场景都是基于主动定位实现； 被动定位：定位目标不与无源物联网设备进行定位信号交互，通过分析定位目标对部署在其周围环境中的参考标签定位测量量的影响，确定定位目标的位置。 从定位状态区分，无源物联网定位可以分为静态定位、动态定位： 静态定位：是指标签在一段时间内的位置保持不变进行的定位，如在商超零售和博物展览场景中定位人员或物品的静止位置； 动态定位：是指标签在一段时间内的位置朝某个方向变化的定位，如在仓储物流和智能制造场景中持续追踪人员或物品的位置变化或提供导航服务。在动态定位中需考虑定位对象移动速度对定位算法的影响。 从定位的结果区分，无源物联网定位可以分为相对定位、绝对定位： 相对定位：是指标签与定位设备之间的相对位置。如在物品查找中定位设备只需要获得标签的相对位置就可以完成找到物品； 绝对定位：是指标签在网络或者现实中的绝对坐标位置。比如在货物跟踪或宠物寻找等定位中，定位设备需要获得标签的绝对坐标位置才能完成跟踪或查找业务。 2.2.无源物联网定位优势与挑战 与无源物联网定位并列的定位技术包括5G、WiFi、蓝牙、UWB和RFID定位技术，每一类定位技术的特点和优劣势各异。具体分析如下： 5G定位技术：蜂窝网络可用于对移动手机等5G终端定位。蜂窝网络通过检测移动手机和多个基站之间传播信号的特征参数（RSSI、传播时间或时间差、入射角等），可采用邻近探测法、AOA（AngleofArrival，到达角）、TOA（TimeofArrival，到达时间）和OTDOA(ObservedTimeDifferenceOfArrival,观测到达时间差)实现定位。3GPPR16协议要求5G定位能力可以达到室内3米@80%[3]。3GPPR17协议制定5G定位能力的持续增强，基于5G大带宽、多天线、密集组网等优势，将定位精度提高至0.5米@90%甚至更高精度[4]。5G定位技术的优势在于其统一的全球标准，通信网和定位网可以合二为一，节省总体投资。 WiFi定位技术：WiFi定位技术可基于测距的定位方法和距离无关的定位方法，实现最大百米级别的覆盖，定位精度可达厘米级别。其中，基于测距的定位方法将考虑测距和测角相关的信道衰减模型或角度测量精度，而距离无关的定位方法不使用信道衰减模型进行定位，避免了由于衰减模型不准确导致的误差，其缺点在于功耗较大。 蓝牙定位技术：蓝牙定位技术包括基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator，接收信号强度指示）的测距方法、基于Beacon的定位方法和基于角度测量的测距方法，可实现最大400米的覆盖范围，定位精度为厘米级别，具有低成本、低功耗等优势。其中，基于RSSI测距的定位方法需要使用信号传播模型，而在室内环境中，情况复杂多变，很难找到通用的信号传播模型，导致该方法的定位精度较低；基于Beacon的定位方法需要在室内部署大量的Beacon信标，成本较高。2019年蓝牙联盟发布最新的蓝牙5.1技术标准[5]，提出了基于角度测量的测距方法，专门制定了信号IQ（In-phaseandQuadrature，同相正交）采样和CTE（ChannelTimingExtension，信道定时扩展）等技术要求，大幅提高了蓝牙定位精度。 UWB定位技术：由于超宽带技术信号波长较短，具有穿透能力强的优点，其覆盖范围达50-100m，定位精度为厘米级别。一般而言，基于测距的定位方法都适用于UWB定位技术，然而，由于超宽带设备的价格相对昂贵，且易受金属和液体等介质的干扰，导致超宽带技术未能得到广泛应用。 RFID定位技术：RFID定位应用中最常见的是基于无源物联网设备ID的区域定位场景。通过识别标签反馈的激励天线ID与接收天线ID，确定目标所处的大致区域范围，这种技术通常适用于零维定位场景。而对于一维和二维定位场景，RFID定位则主要依赖于信号强度分析的方法。通过深入分析信号强度与距离之间的关联，或构建详尽的指纹库，实现对目标的定位。 表1常见定位技术比较[6] 定位技术 覆盖 定位精度 功耗 优势 劣势 5G ~100m 几米~几十厘米 高 大带宽、多天线、密集组网 定位精度一般，功耗大 WiFi ~100m 几十厘米~几厘米 高 无处不在，低成本 定位精度低，功耗大 蓝牙5 ~400m 几米~几十厘米 很低 无处不在，低成本，低功耗 受干扰影响大，定位精度一般 UWB ~100m 几十厘米~几厘米 中 定位精度高，鲁棒 成本高，受金属和液 性好 体干扰 RFID ~10