群雄並起，室內定位技術大比拼｜大和有話說

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。

「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：

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。

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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