群雄並起,室內定位技術大比拼|大和有話說

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隨著全球衛星定位系統(GPS)達到10公尺以內的精準度,戶外定位服務(Location-Based Service;LBS)已日趨成熟。然而,由於衛星訊號無法穿透建材,使得「室內定位」一直是衛星訊號的盲區。

室內定位的應用不僅廣泛,且具備高度商業價值,諸如醫療長照(老人追蹤)、工廠倉儲(資產監控)、機場車站(路徑指引)、文化展館(AR互動)、百貨商場(室內導購)都是常見的應用場域。也因此,室內定位日漸成為兵家必爭之地。

 

6大室內定位技術規格比較

事實上,「室內定位」並不是新穎的名詞,早在十多年前就有Wi-Fi室內定位技術了,只是因為其精準度不佳、安裝不易、過於耗電等,使得近年來仍有多種技術相繼被提出,如藍牙、紅外線、RFID、ZigBee、UWB、超聲波等室內定位技術。

定位技術比較

  • 「精準度」大比拼

精準度最高的是超寬頻(Ultra Wide Band;縮寫:UWB)技術,最高可以達到10 cm以內的精準度。其次為藍牙,由蘋果(Apple)所提出的藍牙iBeacon協定最高可達1~2公尺的精準度,甚至透過與設備廠的調校,可達到30 cm的精準度。而紅外線/雷射原本就是高精度指向性設備,因此也納入「公分級」的行列。

至於無線射頻(RFID)、Wi-Fi及ZigBee,三者精準度接近,實驗室成果皆約2~3公尺,與UWB的「公分級」精準度差距甚大。就室內定位而言,「公分級」的精準度可說是室內定位的及格門檻,因為在「室內」的幾公尺誤差,可能就是一個房間的距離,因此RFID、Wi-Fi及ZigBee在精準度項目已出局。

  • 「耗電量」大比拼

由於室內定位須長時間的連續運作,因此高耗電的裝置實用性就不佳,Wi-Fi即屬於此類,UWB更是超高耗電的技術。至於RFID若要作為室內定位,須使用主動式設備,耗電量亦趨近於Wi-Fi。而紅外線/雷射原本就非作為穿戴之用,所以在「耗電量」的比較中,只有藍牙、ZigBee通過標準。

  • 「成本面」大比拼

回到實務面,在導入室內定位時,最看重的還是成本的比較,這包含了設備成本、施工成本以及調校成本。綜合來說,UWB的建置成本最高,RFID、Wi-Fi、ZigBee居次,藍牙因為功耗低、傳輸量少、穿戴式設備普及等因素,成本相對較低。

  • 「行動設備結合度」大比拼

若以行動設備結合度來看,目前手機的標配晶片只有藍牙跟Wi-Fi,RFID仍有半數手機不支援,更不用說是其他技術了。

因此,綜合精準度、耗電量、建置成本、行動設備結合度等比較項目,我們可以判定「藍牙」算是目前室內定位較佳的技術。

 

4種室內定位的「訊號處理」方式

上一段中,所比較的是「設備面」的最佳技術,而在有了設備的訊號作為媒介後,接下來就得進入「訊號處理」的部分,才能算出明確的定位座標。

定位演算中,最常見的是「三角定位」,大部分的訊號處理都是基於三角定位所衍生出來的技術,最主流的有以下幾種:

三角定位概念圖

  • RSSI(Received Signal Strength Indicator

「接收端」收到來自不同「基地台」的訊號,因為傳輸距離的不同,會造成不同程度的訊號衰減。透過所接收到的訊號衰減程度,可計算出接收端與個別基地台的距離,再套上「三角定位公式」,就能計算出接收端所在的座標。

比方說,若已知1米距離的RSSI數值,那麼大於該值就意味著距離小於1米,小於該值則意味著距離大於1米。透過佈署多個基地台,就可以透過與兩個或多個基地台的相對距離(三角定位),來找到用戶位置的大致區域。

然而,RSSI也並非毫無缺點,當室內有任何會造成訊號衰減的因素時,計算就會失準,例如複雜的裝潢、穿梭的人潮等等,因此RSSI的實用性有限,定位精準度亦難以提升。

  • AOA(Angle of Arrival

AOA為當前精準度最高的技術,接收端配置「指向式天線」或「天線陣列」,透過不同的天線接收同一個發射端傳出的訊號所造成的訊號差異,而計算出「發射端」相對於「接收端」的角度,再定義出接收端的平面高度,交匯計算出發射端的座標。

一般來說,只要天線陣列配置得宜,掃描頻率夠高,即可精準定位,且不受室內裝潢擺設的影響。缺點則是發射端與接收端的距離越遠,誤差值越大,且接收端由於配置天線陣列,所以設備成本較高。此外,AOA技術難度頗高,全球研發成功的公司並不多。

AOA定位概念圖

  • TOA(Time of Arrival

TOA與RSSI類似,都是透過「接收端」接收來自不同「發射端」的差異,以計算出座標。只不過,與RSSI不同的地方在於,TOA靠的不是訊號的衰減,而是各個「發射端」將訊號傳送至「接收端」的時間。透過時間,可計算出接收端與個別發射端的距離,再套上三角定位公式,就能算出接收端的座標。

TOA的缺點在於因為訊號傳播速度極快,即便是1微秒(百萬分之一秒)的時間差距,亦可能造成數百公尺的距離誤差,因此各設備對時間同步的要求極為嚴苛,實作的難度高,不大符合室內定位空間小,成本有限的特性。

  • TDOA(Time Difference of Arrival

此方法為TOA的衍生技術,差別在於原本TOA的配置為1個接收器+多個發射器,而TDOA則是透過「多個接收器」針對「同一訊號發射端」所接收到的時間的不同,計算出各接收器與發射端之間的距離,再代入雙曲線方程式中,以計算出發射端的座標。

TDOA的缺點也與TOA相同,在設備同步性上是個很大的考驗,且室內結構只要略影響訊號接收,就會造成極大的誤差,所以難用於室內場域。

 

群雄並起,各有所長!

室內定位技術已進入群雄並起的階段,不論是使用Wi-Fi、UWB、Beacon等技術,最主要的考量點仍在於整體環境、應用目的與成本之間的均衡,特別在導入室內定位技術後,如何與既有系統做有效的連結,將會是企業導入室內定位的挑戰。

另一方面,過去的室內定位技術雖能夠提供人員粗略的位置與運動軌跡,在商場或一般空間已可滿足初步需求,但就狹窄的工廠產線而言,由於對空間的使用相當集約,且若定位有誤,恐怕會造成生產失誤或是產線的延宕。因此,我們也可以預期,高精度的「公分級」室內定位需求將會日益增加。

 

參考資料

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