5G环境下LBS技术应用与演进分析

5G环境下LBS技术应用与演进分析

肖海勇

诺基亚东软通信技术有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：随着大数据、云计算等新兴业务的蓬勃发展，信息技术正加速与其他行业融合发展，产业数字化水平不断向纵深发展。其中，地理信息服务与信息技术加速渗透，步入发展快车道。在室内场景、智能交通、智能制造及智慧城市等领域的发展中，位置服务具有基础性的作用，已然成为运营商的发展重点之一。因此，识别和预警我国电信运营商在位置服务产业发展中面临的潜在风险和挑战，对我国电信运营商未来的发展具有积极意义。本文对5G环境下LBS技术的应用进行分析，给行业发展方向提供参考。

关键词：LBS技术；应用与演进分析；5G环境

1. 技术介绍及背景概览

1.1基于位置的服务LBS技术

基于位置的服务（LBS）的业务是通过定位技术获得移动台的位置信息，如经纬度坐标数据，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务，狭义地说，业务是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下提供相应服务的增值业务。移动位置服务的移动性、实用性 、捆绑性 、即时性和个性化的特点，在很多环境下有行业应用的场景。通过移动互联网向定位设备提供信息资源和基础服务。用户可利用定位技术确定自身的空间位置，随后便可通过移动互联网来获取与位置相关资源和信息。LBS服务中融合了移动通讯、互联网络、空间定位、位置信息、大数据等多种信息技术，利用移动互联网络服务平台进行数据更新和交互，使用户可以通过空间定位来获取相应的服务。

1.2关于5G定位技术简介

5G 定位是 5G 移动通信网络通过测量无线信号来确定 UE 地理位置信息的技术。5G定位服务使用户可以在任何时间、任何地点获得基于定位信息的地理信息服务，满足无线世界中“何人、何事、何时、何地”的确定位置的要求。通过和垂直行业的深度融合，5G 高精度定位可以在不同领域实现灵活多样的业务创新，为企业用户带来安全、效率和商业等方面的价值。

5G定位能力开放产业白皮书中提到：3GPP R16 协议版本于 2020 年中冻结并首次将定位能力引入到 5G 网络标准。除了传统的 E-CID、OTDOA 和 UTDOA 等定位技术，5G 定位结合 5G 宽频谱和多波束的特性，进一步支持了 multi-RTT、UL-AoA 和 DL-AoD 等多种定位技术。 R16 协议要求 5G 定位能力可以达到室内 3 米@80%以及室外 10 米@80%的精度，满足普通商用场景米级定位的需求。以生产制造行业为例，通过使用含 5G 精准定位功能的标签，工作人员可以随时随地查找到资产位置，大大提高盘点的效率。通过使用含 5G 精准定位功能的防护用品、工牌和标签等，5G 定位可实现对厂区内人员、物料和车辆的全覆盖。结合定位平台，为保障化工企业安全生产提供各类应用，如人员滞留报警、应急响应人员清点、安全指数热力图、电子围栏准入管理、SOS 报警、承包商管理、化工车辆规定路线和指定目的地、化工设备定位场景包括库存清点和备件查询等。

1.3LBS及5G背景概况

LBS发展背景介绍：21 世纪之后，空间定位技术与移动网络迎来了快速的发展，互联网的使用形式开始转变，由 PC 等“固定终端”向智能手机、平板电脑等“移动终端”发展。据中国卫星导航定位协会发布的《2018 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》表明，近年来我国卫星导航和位置服务业发展迅速，其中 2017 年相关领域的总产值高达 2550 亿元，较前一年增长 20.4%。其中，芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备等与卫星导航技术直接相关的产业核心产值占 35.4%，达到 902 亿元。到 2017 年底，与卫星导航和北斗应用相关的共有 58 家上市公司(包含新三板)，卫星导航和位置服务领域的企业数量保持在 1.4 万家左右。涉及到卫星导航与位置服务的上市公司的相关产值占到全国总产值的 11.85%。随着移动终端和导航技术的不断发展，精确定位和个性化导航满足了人们日益频繁的交通需求，同时也推动了基于位置服务应用的普及。LBS 最初用于军事领域，美国国防部使用 GPS 全球定位系统来监控和跟踪目标。1996 年，美国联邦通信委员会（FCC）宣布了对 E911 定位的需求，网络运营商必须能够为发出 E911 紧急呼叫的移动设备用户提供准确的位置服务，使LBS得到了真正的发展。许多商业公司已经开始广泛使用 LBS 来根据其地理位置提供服务。目前，LBS 为人们提供了交通导航、近邻兴趣点查询、网络交友和广告推送等多个方面的便捷服务。

5G发展背景介绍：2020 年，随着国家发改委明确新基建范围，强调加快推进 5G 网络建设，我国 5G 基站进入高速建设阶段，5G 产业随之快速发展。工信部数据显示，2020 年我国新增 58 万个 5G 基站，推动共建共享的 5G 基站 33 万个，已实现所有地级市都有 5G 覆盖。到 2020年底我国 5G 基站累计建设超过 71.8 万座，5G 终端连接数居世界第一，已超过 2 亿，5G 套餐用户累计发展超过 3.2 亿。同时，各类 5G 应用也在蓬勃发展。根据《中国 5G 发展和经济社会影响白皮书》(2020 年)，2021-2022 年预计基于超高清视频的直播与监控、智能识别等 5G 应用将率先落地，如 4K/8K 超高清直播、高清视频安防监控、基于机器视觉的 5G 质量检测、5G 远程实时会诊、移动执法等。随着物联网技术的发展，围绕人员、物体的室内位置服务需求愈加强烈，室内定位技术将在企业管理、安防监护、应急救援、智慧养老等领域发挥重要作用。而 5G 凭借其多天线、基站布局密集、大带宽等特点，与室内定位应用相结合，基于 5G 的位置应用将大大丰富 5G 生态。作为运营商，把握住行业核心领域 5G应用的发展是必不可少的，基于 5G 的位置能力也必将作为后续的主要发展方向。

2. LBS技术系统的特点及应用

2.1LBS技术特点

LBS的主要特点包括：

（1）覆盖范围广。对于LBS服务体系，企业一方面要求定位服务需要覆盖足够大的范围，另一方面要求一定要将室内也进行全覆盖，这是因为LBS的设备或者用户大部分时间都处于室内，所以需要保证可以对每个角落进行覆盖。根据LBS定位系统覆盖的范围，大致可分为3种定位服务：整个本地网、覆盖部分本地网、提供漫游网络服务类型。基于此，移动蜂窝通信技术、全球定位系统以及技无线网络技术、蓝牙技术等在不同程度上相互影响，满足人们对于新时代下位置服务的运用需求。
（2）定位精度高。根据不同用户的需求提供不同程度的精确服务，并且提供用户选择精确度的便利，同时辅助WWAN技术可通过远程公共网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用无线服务提供商所维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域。
（3）操作简便。LBS功能主要基于Web服务器和LDAP服务器二者之上。
（4）应用广泛。LBS包含很多内容，多个行业、多个领域都在应用LBS服务，可以根据服务对象的特点，分为：家庭应用、行业应用、公共安全应用、运营商内部应用。

（5）个体感知强。个体感知是指系统从用户的角度出发，结合空间、时间信息以及个体用户周围环境的信息，自适应地提取当前用户感兴趣的信息。这是智能系统的一个主要体现。系统实现场境感知或位置感知，自适应系统以用户个体为中心移动和服务从传统的人机交互模式转变成人与环境的交互模式。用户可 以不过多地与自己的移动设备交互，而是与所处的周边环境直接交互，系统通过特别的方式或事件驱动的模式在移动设备上展示用户感兴趣的信息。

LSP服务器架构图

LSP（Location Service Platform）是实现获取用户位置的LBS基础设施，其支持定位网关、AGPS服务器或者应用服务器发送的定位请求，依照定位结果质量要求（QoP），选择定位技术作位置计算，现阶段LSP支持2/3/4G控制面（Control Plane）Cell ID和Cell ID+TA定位技术。当LSP需要完成用户面（User Plane）AGPS定位时，LSP请求AGPS服务器完成该功能。

2.2LBS技术应用方向

（1）大众应用

移动位置服务满足了不同用户的各种不同需求，包括生活、娱乐、工作等，主要应用可以分为以下几类：位置信息查询。位置信息查询使用户能够获取其所想要的周边信息如周边银行、宾馆酒店、加油站等。当前位置信息如自己或朋友目前所处的位置等、交通信息如最新交通状等。移动互联网技术与移动定位业务相结合，可以轻易地实现移动环境下的信息查询。

移动黄页查询。互联网的黄页查询是一项发展迅速的网络增值业务。用户可以在互联网查询自己所在区域范围内的相关信息，包括附近存在的饭店、商场、天气情况、附近各公司的电话号码，所在位置等等。移动互联网技术与位置服务相结合就可以轻而易举地实现移动黄页查询。游戏娱乐开放位置信息。移动终端游戏如阵地战、地缘速配等和位置信息相关，其中位置信息可以使用户所处的实际地理位置，也可以是终端用户定制的虚拟社区位置。在游戏中加入位置因素，使用户在娱乐中体验到空间归属感。

跟踪导航。包括个人导航、行车导航及人物寻找跟踪等跟踪导航等移动定位应用。导航应用的目的是带领终端用户找到其目的地。目的地被输入终端后交通指南马上就会显示出来。终端用户可以选择纯文本、带有文字信息的记号，如指示箭头转弯或者距离是以地图的形式展现的指示记号。

（2）行业应用

行业用户指的是公安消防、交通、地理、企业、新闻媒体等领域用户。在预防水灾、火灾、地震自然灾害和灾后救援方面，LBS定位服务也有着卓越的贡献。通过LBS的定位系统，可以为公众提供基于位置的公共安全业务，向用户提供飓风、洪水、泥石流等自然灾害的警报，并且提供有危险的用户的精准地理位置，从而使救援可以及时、准确、有效地进行。

紧急救援。在用户遇到紧急或危险情况而不清楚其所处的地理位置的时候，根据用户的移动通讯设备查询位置服务，营救人员在获得求救信号后根据位置服务的网元获取求救者的位置信息，为快速、高效地开展救援活动提高效率，减少危险情况带来的伤亡和损失。

智能交通。智能运输系统工作中涉及到大量对车辆的定位处理，移动通信网提供的位置服务能满足山区和城市商业区的车辆导航和跟踪，只要为每一辆或每一列需要导航和跟踪的汽车或列车安装一个移动车载台，并提供较好的基站覆盖，通信网再为这些车载台提供位置信息，并将这些信息通过通信网本身传输给负责交通管理的调度中心就可以决速地在车和调度中心之间建立协调的运行管理和导航。

外勤人员管理和调度。根据外勤人员的特点，从公司管理和外勤人员本身的两个方面出发，界定不同的需求。需要对外派员工进行实时的管理，关于制定工作计划，查看工作汇报等情况，公司可通过定位平台了解外派人员最新或者指定时间段内的位置，并且可以在地图上显示该位置。外勤人员也可将工作情况及时汇报到公司，汇报内容包括声音、图像、位置和文字描述等。同时企业还可通过系统定位功能来跟踪和管理资产，从而实现物流和资产的智能管理。

新闻与商业信息接收。如果终端用户与基于位置应用提供商形成了合作关系当到达预定区域时，他们以消费者或是团体客户端的身份来触发位置敏感商业广告。终端用户可以向服务器定制自己感兴趣的新闻或商业信息，服务器将在固定的时间发送这些信息。此外LBS还涉及巡检管理等方面。如煤矿安全巡检、城市电力巡检、城市地下管线巡检等。

3. 应用中存在的问题及解决措施

3.1存在的问题

（1）定位精度。定位精度是LBS技术发展的前提和基础。目前移动运营商所采用的定位技术基本能满足部分商业领域的应用，提供的定位业务非常有限。精度最高的是GPS定位技术，但GPS在深度室内环境下将无法进行定位。而基于网络的定位精度较低，精度高的定位技术（如E-OTD）需要对网络进行大规模的改造和大量投资。因此，可行的做法是，对业务进行划分，将各种不同业务对定位精度的要求进行分类。对于精度要求高的业务，由网络端判断是否能够满足要求，并进行相应的处理。

（2）用户自身位置泄露。目前LBS在无线传输过程中的安全由现有的GPRS和GSM(3G网络)所提供的机制保障，并且在IP网上，所有服务器都安装了防护系统(如防火墙设备、防病毒黑客系统)。这种安全措施显然不够，一旦发现现有的机制漏洞，黑客就可以获得在LBS在定位过程中没有被加密的数据。如在处理紧急业务时，运营商与LBS服务提供商之间的信息交互直接采用移动台的MSISDN，而不是伪号码。若这种信息被他人截获，很可能就能掌握用户的MSISDN和其对应的地理方位。另外，目前有很多LBS并不是通过运营商提供的，因此存在第三方平台隐私泄露风险，使得服务用户面临暴露自身位置隐私的风险。

3.2解决措施

（1）关于定位精度采用基于移动终端的定位技术，通过移动终端实现定位解算功能。用户采用接收机将空中卫星导航信号接收，位置解算软件内置于接收机中，无需网络参与定位过程。在位置服务系统中，辅助 GPS 技术结合基于网络的定位技术是定位技术的主流。GPS 可用性不仅由网络定位技术进行弥补，在室内等比较微弱的 GPS 信号区域，主要手段就是基于网络定位。而且 GPS 参考网络引入移动通信网络中，可使基站间的时间保持同步，明显提高网络定位精度。

而本文笔者以中国移动通信企业的位置业务LSP设备规范的技术为案例研究。中国移动的LBS规范案例显示其LBS模块中， LSP支持的触发定位为周期性定位（可选）。高精度周期性定位建议在客户端完成，低精度周期性定位可分为多个单次定位，不建议请求方使用周期性定位功能，为了后向兼容，服务器支持周期性定位，每个请求方帐户需要系统配置其是否有周期性定位功能，默认为不可使用周期性定位功能。周期性定位从LSP接收到请求开始执行。用户面（User Plane）定位流程根据业务平台发送定位请求中的QoP定位精度值判断定位功能。对于高精度定位，定位逻辑处理模块判断进行AGPS定位，转发消息到AGPS定位平台，若用户要求定位为尽力而为，需要回退，在AGPS定位失败情况下，回退到CellID定位；对于混合性定位，高精度最佳，也可以是低精度定位，LSP平台将此定位请求送到AGPS平台，由AGPS平台判断终端是否为AGPS终端并发起高精度定位，若终端为非AGPS终端，由AGPS平台返回错误码说明，由LSP平台再发起低精度定位；对于低精度定位、网络参数、长途区号定位，不需要高精度的定位结果，LSP平台向核心网网元发起低精度定位。（可选）混合定位时，LSP平台启动定时器，当到定时器设定的时间点还未返回要求的高精度（AGPS）定位时，LSP平台会向Cell定位平台要求低精度的Cell定位。定时器默认时间30s，可配置。该系列操作流程可进一步提升LBS系统的定位精度。

（2）关于隐私保护。采用混合式结构（由移动终端、可信匿名服务器和 LBS 服务器构成混合式体系结构）对用户隐私进行保护。当用户移动发送 LBS 服务请求时，用户会发送相关协议的协助广播信息，当其它用户收到该协助广播信息后，判断是否能够协助该用户，如果满足则对该协助广播进行响应，直到最后达到满足匿名需求的匿名组。该匿名组中的所有移动用户都能够使用该匿名组集合进行匿名区域的生成及请求，这种方案就是目前 P2P 分布式结构的处理方案。如果组中的用户数量达不到匿名需求时，则用户可以通过第三方匿名服务来实现隐私保护。混合式结构结合了集中匿名 P2P 匿名两种隐私保护方案的结构特点：1)在无法保证第三方匿名服务器安全性的时候或者当该地理区域的用户密度较大时，可以使用 P2P 分布式结构的形式，这能够解决匿名服务器带来的性能瓶颈问题，能够减轻客户端和匿名服务器之间的通信负载。2)当用户数量较少时，使用用户协作形成匿名组的方式进行查询较难实现，但是可以使用第三方匿名服务器来进行位置服务查询，以达到更好的通讯服务质量以及提高匿名成功率。

4.当前5G环境下LBS技术的发展趋势

当前，我国仍处于室内定位发展初期，国家及行业相关政策及标准较少，行业内尚无专注于室内定位的标杆企业，市场空白较大。国内电信运营商深耕室内定位领域时间较长，且已经具备完备的室内定位搭建能力，可提供完整的室内定位解决方案。5G时代，电信运营商可将自身室内定位能力与移动5G网络优势相结合，率先打造出“5G+室内定位”品牌，提升市场品牌影响力。5G大带宽的特性将更加有利于地图数据的传输，使得室内定位更易于实现。5G 也将为高精度距离测量和高精度角度测量提供基础，通过多基站协作的定位方式，实现室内高精度定位。

2018 年，我国网络安全投入为 495.2 亿元，预计2021年将达到926.8亿元，企业网络安全的意识逐步提升。46%的中国企业表示数据泄露是面临的最大挑战。随着5G时代、工业互联网时代的来临以及企业上云步伐加速，企业对网络安全的需求将会显著增长。同时北斗地基增强系统建设加速推进，开启了北斗高精度位置服务平台和特色应用服务的新阶段。基于位置的服务（LBS）将结合5G建设方向，与GPS等其他定位系统相互融合，共同打造新一代高精度定位导航系统。我国现已建成覆盖全国的北斗地基增强框架基准站网，初步完成基本系统研制建设，正在进行广域实时米级和分米级，全国范围的高精度位置服务对提升北斗系统服务质量，满足行业和大众对北斗高精度应用需求，以及创造差异化服务优势，加速推进北斗卫星导航应用与产业化具有重要意义。

5.结论

综上所述，未来在5G建设中，位置服务技术将在定位导航服务中占据极大的重要地位。5G 定位比传统 5G 服务生态更加复杂，且位置服务是 5G 的关键能力之一。作为 5G 赋能垂直行业的有力支点，位置服务技术与5G 定位协同发展，将在模组、终端、网络、运营和垂直行业应用等多个方面通过不断提升定位精度，丰富产品功能和形态，通过能力开放和生态合作，共同推动 5G 网络定位能力的成熟，锻造垂直行业 5G 定位解决方案，在数字化工厂、智能化制造等行业形成标杆案例，引领产业发展。

参考文献：
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