理清楚主流的無線定位技術是個復雜的工作。因為定位技術的根基——無線通訊技術發展歷史已經比較久了，一直都是產業皇冠上的明星，長久以來持續得到理論技術屆和資本市場的垂青和追逐，所以有今天這個枝枝蔓蔓、百花齊放的局面倒也不算意外。

如果單純從技術層面上看，人類雖然一直沒有停下對于高精度位置能力感知的追求，不論是附屬于通訊網絡的無線定位技術、專用設計的全球衛星無線定位系統GNSS，還是各種針對密閉空間設計的室內無線定位技術……始終無法一勞永逸解決的問題恰恰就是：排除各種干擾而接近達到“足夠的位置精度”。

而所謂的“足夠的精度”是由層出不窮的具體應用和應用場景來定義的。就仿佛面臨一個變數極大的開放命題，我們無法確保手里一直可以拿到那張制勝的紅桃A。

舉一個非常直觀的實際案例。對于民航客機的位置定位，相對于現有技術水平來說，本來應該是一個非常簡單的命題。但10年前的馬航MH370，在眾目睽睽之下從泰國空管區域異常折返，從容穿越馬來西亞本島，再囂張地沿著印度尼西亞海岸線飛行超過一千公里，最后卻眼睜睜消失在印度洋深處……事后除了馬來軍方在拖延寶貴的一天之后才猶猶豫豫交出軍方的雷達定位數據能確定一小部分飛行路徑，其它的部分，到現在也都還是個令人心碎的謎。

在海事和民航界標配的海事衛星定位系統——Inmarsat也只能提供以小時為間隔的距離數據（小編：非位置數據，指從飛機到衛星的距離數據），因此只能在寬廣的印度洋上空繪制MH370有可能出現的巨大圓周弧線，如下圖：

圖一【huawei petal map-15.png】上圖來自@Captio的分析報告《How many straight-line trajectories for MH370?》

參閱上圖1，針對MH370失蹤案所帶來的巨大謎團，本質上就是“墜毀時洋面接觸點的位置信息”的謎團。上圖中的Arc1-7就是在這次事故中人類所能拿到的、置信度最高的MH370位置弧線。就算增加各種其它技術手段分析所得到的限制條件，MH370航線盡頭的墜毀位置依然是一個寬大的范圍，寬大到足以讓多國聯合搜救行動無法獲取實際突破。

上圖1中的黃色區域為MH370可能的航線區域，最底部黃色區域和紫色Arc7的交界處為可能的墜毀地點。這段代表著“墜毀洋面接觸點”的弧線區域，本身距離已經超過2000Km了。這個定位精度，是事故調查和搜救行動所無法接受的。

圖二【huawei petal map-16.png】上圖來自站點the search for MH370

關于MH370的墜毀點定位故事，估計可以講一天了。具體細節我們這里就不跑題展開了。但是關于MH370潛在位置估算的最新方法——WSPR（Weak Signal propagation Record）在理論上提出了一種之前從未采用過的無線定位手段，參見上圖2。

盡管WSPR本身不是被設計用來執行定位任務的，但這種業余無線電愛好者在空中所編織的無線網絡，即圖2中那些暗灰色的線條，客觀上起到了輔助定位的能力（小編：雖然是僅在理論上，具體位置還有待投資搜救后才能證實）。

由此可見，關于定位，未知的秘密和值得一用的技術手段還有很多。在大氣層內找到低成本、高普及率和足夠精度的無線定位技術，不管是一種技術通吃還是幾種技術無縫協調，始終都應該是人類發展道路上不可或缺的關鍵任務。

【注：如果有希望了解WSPR在定位方面原理的讀者，可以后臺私信小編，歡迎單獨聊。】

無線定位技術的一些背景知識

無線定位技術的綜合論述，還得從下面這張圖開始，有代表性。伴生并橫跨2G、3G和4G的演進過程，以及一些通用的室內無線技術，如果明白這張圖的來龍去脈，基本就可以清楚過去20年來定位技術的走向了。在這個基礎之上，我們才有可能想象未來的無線定位技術會是一個什么樣的狀態。

圖三【huawei petal map-12.png】初始來源不詳，從與非網文章《5G的高精度定位》截圖獲取

上圖3通過五種顏色的曲線，給出了截至目前，曾經出現過的、彼時和現下得到普遍部署的五種無線定位技術，它們從右上角開始，逐步逼近整體位于左側的終極目標。它們分別是：

Cell-ID：以通訊網絡的小區基站的經緯度位置信息為顆粒度的粗定位方式；

RFPM：在Cell-ID的基礎上，增加了RF Pattern特征來增加定位精度的方式；

TDoA：在Cell-ID的基礎上，增加了根據時間折算路徑后增加定位精度的方式；

GNSS：標準的衛星導航定位方式；

Hybrid：這里指GNSS+室內無線技術的混合定位方式；

截止目前，在精度上表現最好的Hybrid無線定位技術，也只在Rural鄉村無遮擋的地區實現了小于1m的定位精度，而這種實際的位置獲取能力遠遠不能滿足密集區域甚至室內定位的場景需求。所以在上圖3中才會有左下角的期望“Future standard location methods”，灰色的虛線圈。

不明白以上專業術語沒關系，讀者主要還是要明白他們之間的演進關系，以及他們分別適用的定位場景。從1Km到1cm，每一種定位技術都有其對應的價值，考慮到實現成本問題，定位系統所能提供的能力也并非精度越高越好。

基于Cell-ID小區標識的定位

圖四【huawei petal map-21.png】初始來源不詳，從與非網文章《5G的高精度定位》截圖獲取，

大規模在人口聚集區域部署傳統蜂窩移動網絡的過程中，我們頭一次獲取了一個在地理上以“泛在形態”存在的無線網絡。其核心構成要素——基站（小編：2G被稱為BTS，3G被稱為NodeB，4G被稱為eNodeB，5G則叫做gNB。它們的命名規則和差別主要體現在無線通訊功能上，和定位無關），通常被分為三個扇區，一個扇區對應一個小區，每扇區通常120度，每個小區都有不同的識別碼（Cell ID）。

由于基站的經緯度在基站選址和建立過程中是經過測量和確定的，因此終端根據獲取的Cell ID就可以大致鎖定自身的位置。但一個小區的覆蓋范圍很大，通常幾百米到幾公里不等，僅基于Cell ID的定位誤差非常大，這也是后來繼續發展E-CID增強定位技術的原因。

圖五【huawei petal map-17.png】來源為nytimes.com的一篇移動網絡資費推廣文章《The best cell phone plans》，

上圖5為紐約某運營商的基站覆蓋，六邊形的點代表覆蓋的扇區，不同的顏色可以代表著不同的網絡制式。通常說，新的網絡制式的基站建設量會比較少，所以上圖中推測紅色六邊形代表更高級別的網絡制式（比如5G）。在資本主義的自由市場體制下，移動運營商不像國內為國家主導和控股，而是徹頭徹尾的私有化公司。

核心的利益是通過提供移動網絡服務來賺取利潤，而非為市民和國民提供普遍的基礎通訊業務。這一點上和國內的國有控股移動網絡運營商構成重大區別。因此讀者可以看到即便在類似紐約這樣的核心城市內，網絡覆蓋也是高度和人群密度相關的：住宅區、辦公區、公路周邊和商業區是首選的覆蓋密集區域，而其它區域則存在不少的覆蓋空白，很簡單低價值區域賺不到錢，賺不到錢就不可能有大規模足額厚度的網絡覆蓋。在地廣人稀的美國，這種現象非常普遍。

大家可以根據圖5來感受一下，如果單純采取Cell-ID定位技術，定位結果將體現兩個嚴重缺陷：第一精度只能下探到六邊形扇區這個顆粒度；第二，存在定位能力斷續的可能性。但也并不是不能用，恰恰相反，Cell-ID作為最早的附著于移動通訊網絡的定位技術，在早期還是發揮了不少作用的。2010年前后互聯網時代進入“移動互聯網時代”的時候，很多移動應用的存在和推廣，對于手機位置的獲取能力是個必要的前提。Cell-ID就是那個時段的核心定位技術。

例如即便大家現在也是經常使用的“大眾點評”和“貓眼電影”（小編：當然這些app實際上還可以調用手機本身所具備的其它的定位能力，比如GPS和WiFi小區定位等等，這是后話，不影響我們現在的討論），Cell-ID技術單獨提供的粗位置信息已經足夠提供給最終客戶查詢附近的美食和電影院服務了，畢竟誤差百米不會影響客戶對于待選服務所在位置和方向的判斷。

除此之外，十幾年前，很多城市建設所涉及的專業車隊（比如渣土車）也通常會在運營商購買基于Cell-ID的定位服務，從而對龐大的車隊穿越城市時進行路線監管，尤其是在GPS的弱覆蓋區域，Cell-ID是一個比較好的補充技術。諸如以上，都體現了“夠用即好用”的思想。

讀者需要關注的另一點是，這些網絡要素（Cell-ID、基站小區的覆蓋半徑設計等）設計的出發點還是為了滿足移動狀態下的通訊需求，并非天然具備“定位”能力。比如基站的小區覆蓋半徑，更精準的描述是基站的站間距，唯一的出發點就是盡可能滿足覆蓋區域內的信號質量（小編：SNR和RSSI是通常被用來描述小區內信號質量的關鍵指標，前者是信號質量后者是信號強度）。

移動通訊網絡的小區的半徑設計并不會考慮定位的需求而設計的規律且整齊，小區覆蓋的最終形態是犬牙交錯、形態各異的，規則的六邊形蜂窩只停留在設計階段；再比如Cell-ID這個變量，本身也是被設計用來對終端-client表明基站/小區的識別符，從而建立網絡和終端之間的“確定關系”——這種確定的關系在手機的通話建立、client漫游等核心業務的信令交互上都起到關鍵作用。即便在移動網絡下沒有定位業務的需求，他們也是一樣不可或缺的。

后續在3G和4G時代，E-CID（小編：增強的Cell-ID定位技術）的概念被提出并被落實，包括Cell ID+RTT、Cell+RTT+AoA等。

圖六【huawei petal map-18.png】來自CSDN技術文章《2G到5G蜂窩網絡的定位技術》，

參考圖6，從左往右看。最基礎的Cell-ID定位技術，只能做到在覆蓋的扇區內，對所有參與定位的client只能提供一個基礎位置信息，即基站本身地理位置的經緯度。而Cell ID+RTT，在小區Cell-ID的基礎上增加RTT（Round Trip Time）測量，即通過TA（Time Advance，時間提前量）得出信號從手機終端到達基站，或從基站到達手機的時間，再乘以光速（無線信號傳播速度）來估算手機與基站之間的距離。這樣在理論上就可以得到一個基本的帶狀地理信息限定，相對于單純的Cell-ID技術，前進了一步。

在技術實現上，還可以考慮在Cell ID+RTT的定位方式下，如果允許手機client可同時對附近的多個基站進行距離估算，來得出超過一個的有效帶狀地理信息，就可以進一步提升定位精準度。如上圖5的中間那幅小圖。

如果我們只講到這里，那就和一般的技術類公開文章沒什么差別了，基礎概念copy來copy去的重復過程而已。對于不在這個行業內的讀者來說（小編：尤其是針對那些沒有通訊業背景知識的讀者來說），其實更需要理解的是，到這一階段的定位精度為止，增加的RTT測距技術也依然不是為“定位業務”而專門設計的。

從手機clients發起的RTT測量過程和獲取RTT測量結果，本質上是為了保障通訊業務的正常進行。特別是小區內必然存在的，終端clients距離基站位置遠近各不相同的情況下，基站如何在時間上協調各個同時進行業務的終端互相不干擾呢？就只能依靠RTT的測量結果來判斷每個終端的具體距離和由此引發的時延，并最終在時間上對齊業務和消除干擾。

RTT過程恰恰是客觀上具備這個從手機clients到基站BTS的測距屬性，從而可以被定位業務所利用。在不對通訊基站網絡做出重大軟件修改的前提下，無線通訊網絡的定位精度得到大幅度提升，這很好。

這里還需要注意的一點是，手機終端clients并非在每一種無線制式下，都可以實現同時對多個基站BTS進行RTT過程（小編：而從以上技術原理看，這是實現ECID定位的基礎）。比如GSM通訊體制下就沒有這個要求。GSM的技術發展背景決定了網絡需要確保的任務以話音和短文本信息業務為主，而并非追逐移動條件下完美的切換成功率。

但當移動技術發展到3G的WCDMA和4G的LTE時代時，手機對于多個基站（鄰區）同時進行RTT過程就是一個必要過程了（小編：這是3G和4G更好的漫游質量、以及更高的網絡容量需求，終端clients對于網絡的狀態檢測手段已經大大豐富了），從而在客觀上更進一步提升了終端clients的定位精度。

關于Cell ID+RTT+AoA的定位概念，大同小異。AoA，Angle-of-Arrival=到達角，就是利用手機信號傳送至基站的入射角度來進一步確定手機在該區域的位置。在Cell-ID的基礎上，增加RTT和AoA輔助可大幅提升定位精準度。如上圖6最右側小圖。

從國內2006年開始部署國產TDSCDMA的時代開始，移動通訊基站就開始具備測量終端信號到達角AoA的能力了。但是客觀上說，測量到達角需要基站天線具備更大的尺寸和更高的成本，這是多數運營商所需要極力避免的。因此在通訊業務下并非強制需要的前提下，可以準確測量到達角AoA的相控陣天線并未在3G和4G時代廣泛普及。

因此到達角所帶來的定位精度提升，甚至單一基站即可直接測量相對準確的終端clients位置能力并沒有受到市場追捧。但在可以預期的5G時代，相控陣天線的比例會適當增加，這是個利好。

綜上總體來說，E-CID，就是在Cell-ID的基礎上增加TA、AoA、RSRP、RSRQ等輔助信息來提升定位精準度的定位方法。本質上依然是以Cell-ID位置信息為核心的小幅度定位改進技術。在這個階段，定位業務的精度大致在數十米和數百米之間不等，且無法滲透入多徑環境十分復雜的密集城區和室內環境。

基于RFPM的定位技術

圖七【huawei petal map-22.png】初始來源不詳，從與非網文章《5G的高精度定位》截圖獲取，

在圖7當中，請讀者關注藍色線條所勾勒的區域在應用場景和定位精度上，都和上一章節所討論的Cell-ID方法（小編：橙色線條區域）有所區別。其所面對的部署場景主要集中在室內環境，且所對應的最佳定位精度下探到10m以下，尤其是在室內環境下。讀者可以按照我們之前提到的場景需求的差異來理解，如果在室內環境下部署無線定位系統，精度不能夠達到10m以下，那也確實沒有存在的必要了。

這種無線定位方法的全稱為，RFPM=Radio Frequency Pattern Matching，中文被稱作無線電信號匹配定位。RFPM定位技術和移動通訊網絡的制式沒有強捆綁關系，移動網絡運營商甚至普通的企業自身，只要具備無線網絡的實際部署，就都可以在其無線網絡的物理基礎之上部署RFPM定位技術。

比如：2G，3G和4G，也包含企業網常用的WiFi網絡或者藍牙BT網絡，皆可。這就是說，RFPM定位技術對于無線網絡通訊技術依然保持了松耦合的關系，盡可能降低對于通訊網絡的改進需求。在無線定位技術發展早期，定位精度需求并不是特別高的前提下，所慣用的思路。

RFPM技術的發明、落地和運作的推手實際在美國。FCC聯邦通訊委員會要求無線網絡的定位技術可以幫助用戶在室內環境下，即GPS失效，Cell-ID技術無法滿足精度要求的場景下（小編：Cell-ID技術在一些深度的室內場景，因為信號強度弱，以及無法克服的多徑效應，定位精度是非常差的），可以提供一個精度在10m這個級別的定位手段。

據說需求的觸發點來自于2007年發生在佛吉尼亞理工大學的大規模槍擊事件：當時躲在教室內的學生無法通過沉默不發聲的方式給911局方提供槍擊事件的基本信息，包括他們所躲藏的具體位置；而只能選擇話音溝通來上報，導致聲響泄露自身的位置信息而遭到槍手破門襲擊。因此，一個足夠精度的室內位置信息獲取方法是必須的，RFPM技術應運而生。

這種以網絡為中心的定位方法基于從網絡和/或終端設備收集的無線電鏈路測量值（小編：也叫做Pattern），并依賴于提前生產并獲取的無線電環境的模型（小編：也叫做后臺位置數據庫）。基于RFPM的解決方案對測量結果進行比較，以估計設備的位置。簡而言之，它使用設備對于無線電信號的感知來識別其位置，從而消除了對衛星GPS的依賴。RFPM 在非視距條件下工作得非常好，例如密集的城市和室內環境，并且對于關鍵任務的公共安全應用非常可靠。

圖八【huawei petal map-19.png】來自Docin.com收集的畢業論文《基于電信號匹配的移動定位算法研究》，

根據圖8顯示，RFPM可以在一定的地理區域內，比如移動網絡的一個小區內（小編：比如上圖8中的正六邊形代表通訊基站所覆蓋的一個標準小區），進行地理上的柵格化處理。并在柵格化的基礎上，分別測量每個柵格區內的某些“電特征”。并以柵格作為索引將這些測量值存儲在網絡側后臺的數據庫里。

當需要確定客戶端設備在這個區域內的具體位置時，可以選擇從客戶端出發對網絡側發射的電信號進行測量（小編：也叫downlink測量），也可以選擇從網絡側出發對客戶端發射的電信號進行測量（小編：也叫uplink測量），然后將大于一定門限的測量值與后臺存儲的量按照某種方法進行匹配計算，按照一定的準則選取某一個最佳的柵格坐標來作為客戶端的位置估算結果。

我們這里以4G-LTE為實例，來看看RFPM方法中的關鍵概念“電特征”是如何定義和選擇的。首先需要說明的是，當移動通訊系統發展到4G這個階段，兼容定位功能、提供定位服務已經是無線移動網絡的一個設計目標之一了，這是和之前的GSM和WCDMA不同的地方。

LTE系統本身存在一些和位置相關的測量量，有一些是定位業務原生，比如PRS-Position Reference Signal；更多一些是通訊業務原生，但也可以利用起來確定手機的位置。比如：初始化小區搜索、小區選擇和重選、信道鏈路質量的評估等等。這些信號隱含了目標設備比如終端的位置的相關信息。這些測量結果可以在終端clients側實現測量，就是我們前面提到的downlink測量；也可以在eNodeB網絡基站側進行測量，就是我們前面提到的uplink測量。只要該測量結果包含有移動終端的位置信息，不管直接還是間接，就可以用來計算該移動終端的地理位置。

最近五六年，國內大型商業設施推進速度很快，比如各種連鎖的Shopping Mall如雨后春筍。主建方和運營方就常常選擇利用在室內批量部署WiFi或者專用的藍牙網絡來兼顧客戶Internet接入服務和客流的粗定位和分析，其本質就是RFPM技術，也叫做WiFi/BT“指紋定位技術/Fingerprint based Location System”，是一個意思。

圖九【huawei petal map-20.png】來自Docin.com收集的畢業論文《基于電信號匹配的移動定位算法研究》，

圖9描述的是3GPP release9版本中全新定義的定位系統框架。對于3GPP所倡導的移動通訊系統來說，圖9框架是一個創舉，它不僅僅針對RFPM定位方式，其它的ECID和TDoA定位方式也可以沿用這個框架。這意味著定位業務將由移動網絡運營商牢牢把握并賺取利潤。

但顯然理想豐滿現實骨干，移動互聯網上確實存在大量不依賴網絡運營商的第三方定位服務提供實體的存在，各具特色我們這里就不一一評論了。但移動網絡截至目前依然不能提供大大強于免費的GPS和一些眾包方法所獲取的位置精度和服務的穩定性，因此未能普及也就不難理解了。

對于包括運營商、標準制定者3GPP和眾多設備技術制造商的整個移動網絡生態來說，911安全需求的推動力依然勢微，現在的勝負手顯然在于5G vision。關于這個話題，我們下次找時間再談吧，敬請期待！

審核編輯：劉清