室內定位，誰主沉浮
—— 談美國聯邦通信委員會（FCC）室內定位技術測試

· 文| 北京空間科技信息研究所 趙爽

室內定位，誰主沉浮
—— 談美國聯邦通信委員會（FCC）室內定位技術測試

· 文| 北京空間科技信息研究所 趙爽

2013年3月，美國聯邦通信委員會（FCC）公布了其針對室內定位各技術解決方案集中開展的一系列實驗測試的結果，力圖推動手機室內定位技術的發展以及相關標準的制定。室內定位技術一直是PNT（定位、導航與授時）技術中最難解決的問題，而一旦該問題得以解決，將會給相關定位系統帶來前所未有的性能提升。

據不完全統計，在手機高度普及的今天，有一半以上的移動電話呼叫都發生在室內，而緊急呼叫的比例與之大體相同，并且這一數量還在不斷的增加。

在美國，緊急呼叫業務與室內定位服務密不可分。FCC早在2001年就明確要求運營商為室內呼叫提供E911緊急求助服務。這項在2001年制定的法案規定，無論是使用固定電話還是移動電話，所撥打的緊急呼叫都必須能夠提供呼叫者的精確位置信息。該位置信息將被透明地發送到各個公共安全響應點（PSAPS），以便使911中心派遣的消防、救援或警務人員不僅能夠到達正確的街區，而且能夠順利抵達多層建筑的正確樓層。

FCC通信安全、可靠性和互操作性理事會（CSRIC）第三工作小組（WG3）的基于位置服務分組致力于發掘室內定位相關技術，并研究這些技術如何工作，以及如何應用于911服務。

2013年3月14日，FCC通過其CSRIC發布了《室內定位測試平臺報告》，公布了其第三工作小組針對室內定位各技術解決方案集中開展的一系列實驗測試的結果。測試環境涵蓋了密集市區、普通城區、郊區、鄉村這四種場景，并包含了數以千計的測試地點和各種建筑物類型。

一、測試內容與流程介紹

1.測試內容

Polaris Wireless公司的射頻模式匹配/指紋識別技術是一種基于無線信號網絡的定位技術。信號傳播時由于對地理環境的依賴性而體現出很強的站點特殊性。結合多徑特征以及其它信號特征，可以創建出特定地點的獨特信號特征，即信號指紋。根據該指紋來推斷目標位置，無需移動通信基礎設施的額外投入，相對節約。缺點在于需要事先預制所需的場景數據庫，而且當場景發生變化時，必須重建該數據庫。

Qualcomm公司的混合定位技術，結合了AGPS和AFLT兩種技術。AGPS是一種在一定輔助配合下進行GPS定位的運行方式。它可以利用手機基站的信號播發星歷等輔助信息，配合傳統GPS衛星信號，讓定位的速度更快。AFLT運用于CDMA系統中，是一種基于前向鏈路的定位方法。在進行定位操作時，手機同時監聽多個基站(至少3個基站)的導頻信息。利用碼片時延來確定手機到附近基站的距離，最后用三角定位法算出用戶的位置，見圖1。

>> 圖1 AFLT技術示意圖

相對于前兩種系統，NextNav公司的無線信標技術撇開現有的基礎設施，在地面部署一個完全獨立的信標定位網絡，這里每個信標站就類似于GPS系統的一顆衛星，只不過導航信號是在地面上播發。

2.測試流程

FCC開展的室內定位測試采用實際場景測試，測試流程見圖2。第三工作組選擇了舊金山海灣地區作為第一階段室內試驗的測試地點，該地區涵蓋了最常見的無線使用環境和建筑物類型，包括4種具有代表性的場景：密集市區、普通城區、郊區和鄉村。

測試共選取了19幢建筑物，其中6幢位于密集市區，5幢位于普通城區，6幢位于郊區，2幢位于鄉村地區。在這19幢建筑物中，共選擇了75個測試點。在每一個測試點上，分別對NextNav、Polaris Wireless以及Qualcomm三家公司的定位技術進行了固定呼叫測試，并對呼叫測試的結果進行取樣統計分析。

多家具有代表性的無線技術及運營公司參與試驗，其中Polaris Wireless公司的測試結果主要代表了美國電話電報公司（AT&T）和德國T-Mobile公司的網絡；Qualcomm公司的測試結果則主要代表了美國Sprint公司和Verizon公司的網絡；而NextNav公司則實際上是作為一個獨立覆蓋的定位網絡進行運營的。

二、測試結果

此次測試不僅數據充分，而且覆蓋廣泛并具有代表性。針對三種不同的技術，試驗組分別從測試點收集了13000多個有效的呼叫記錄。三家公司的測試結果見表1，表中用NN代表NextNav公司，用PW代表Polaris Wireless公司，用QC代表Qualcomm公司。基于測試結果，可以得到這些定位技術的性能指標，包括水平定位精度、垂直定位精度、首次定位時間（TTFF）、報告的不確定性等。下面按照密集市區、普通城區、郊區和鄉村四種場景對測試結果做簡要介紹。

EM斷路器外殼導體大多為規則立方體，多選導熱性良好的鋁為材料，為便于計算，假設整個立方體壁面的穩態熱流量為恒定值，由傅里葉熱傳導基本方程可知，在單位長度上的熱流密度為

1.密集市區環境

>> 圖2 FCC開展的室內定位測試流程

在密集市區場景下，衛星信號（如GPS信號）穿透大型建筑物存在很大的挑戰。因此，經常需要使用AGPS的備用模式，例如AFLT。不過測試結果顯示，使用混合定位時卻出現了比較大的誤差。

射頻指紋識別技術（RF finger-printing）有望能在密集城市環境中展現最好的性能。因為這種測試環境是一個密閉的空間，而且包含眾多射頻基站和切換邊界，通過大量而廣泛的測量校準，就可以構建出比較理想的射頻特征圖譜。

在密集城市環境中，測試結果顯示，性能最理想的是地面信標定位系統。然而，由于多徑效應，最終的定位結果可能只是在絕對距離上接近測試點（例如，相差40m），但是經常會出現定位到街對面的建筑物、鄰近建筑物，甚至幾個街區外的建筑物里的情況。

表1 參試公司的室內水平方向精確度統計分析匯總表

2.普通城區環境

普通城區環境中,每一種測試建筑物會給定位帶來不同的挑戰，而參與測試的三種技術在不同程度上滿足了試驗要求。

在一個聯盟棒球體育場內，由于射頻信號的無遮擋傳輸，導致AGPS的備選定位結果距離被測點非常遠。而在一些測試點上，運動場的特殊結構也給射頻指紋識別技術帶來了極大的挑戰。

在某些情況下，會議中心可以視為深室環境，但是其內部一般擁有來自室內基站的很強的蜂窩信號。在此環境中，基于地面信標的定位系統將不再像其他環境中表現的那么理想，因為來自建筑外的信標信號的衰減會很大。而此時，AGPS和射頻指紋識別技術則能夠依靠建筑物內部的蜂窩小區基站實現定位。

在一幢擁有中央天井的、厚實的舊樓里進行測試時，測試結果會因為距離窗戶和天井的遠近而產生巨大差異。這種環境下，NextNav公司和Qualcomm公司都出現了定位到街道對面建筑物的現象。而Polaris Wireless公司的射頻指紋識別技術的測試結果則相對集中，其多數定位結果都在目標建筑物的街區附近。

汽車旅館的特殊結構也為室內定位帶來了獨特的挑戰。在這種環境下，絕對距離（例如，50m或者150m）這一原來在評估室外定位效果時極其重要的參數，對于室內定位而言其作用將被削弱。因為在這個誤差范圍內，緊急派遣的搜救人員很容易進入錯誤的建筑或街區。盡管定位精確到鄰近的街道已經要比定位到幾個街區之外好得多，但這樣的定位精度仍然無法達到某些應用服務或用戶的要求。

在建筑物并不密集的圣何塞市區的一幢高大公寓樓內進行試驗，發現AGPS的表現相對較差，信標系統的性能不夠穩定，而射頻指紋識別技術的定位性能則隨著測試點的高度增加而不斷退化。總之，上述城區的特殊環境，再加上相對稀疏的蜂窩基站，最終導致了普通城區環境中的定位效果略差于密集的城市環境。

3.郊區環境

郊區的建筑物相對于市區來說建筑結構將更為簡單，且樓間距也將更大。在這種環境中，室內GPS定位的性能受到的影響將小得多，理想情況下幾乎與室外定位的性能一樣好，可以實現精確定位到某一樓層；在相同的環境中，從平均性能表現上看，基于信標的定位技術表現也同樣出色；而射頻指紋識別技術的性能相比于密集的城市環境則有所下降。

AGPS的性能隨著郊區建筑物不斷變高、變大而不斷降低；而基于地面信標的定位技術則幾乎不受建筑物高低、大小的影響；而射頻指紋識別技術也是在相對較小的郊區建筑測試環境，定位性能有所提升，但是仍然會有很大一部分結果出現偏差，定位到街道、高速公路或者對面的建筑物上。

4.鄉村環境

在鄉村，擁有金屬屋頂的寬敞單層結構建筑，將會對衛星信號的接收帶來極大的挑戰。在這些情況下，多采用混合定位方式，對傳統衛星定位結果加以修正。金屬房頂對基于地面信標網絡的定位方式影響較小，因為它對地面信標的影響遠遠小于它對空中衛星信號的影響。因此，在這類環境中，基于信標的定位方式性能優于AGPS。當然，信標定位的性能優劣仍然取決于鄉村地區部署的信標密度，而在此次測試中，是保證具有足夠密度的。

在郊區環境和鄉村環境中，由于蜂窩基站密度的減少，射頻指紋識別定位技術的性能有所下降。

三、結束語

本次測試并沒有涵蓋所有的地域類型，其中一個關鍵原因就是成本問題。而在時間進度方面，同樣也受到了成本的限制。不過，一些評論家已經得出如下結論：NextNav公司技高一籌，相比于其他兩種技術，NextNav公司的解決方案能夠更好的應對更多的挑戰，因為它不像其他兩種技術那樣在很大程度上依賴于現有的基礎設施。

目前，大規模的針對室內定位的研究與開發工作，都主要致力于商業應用，也就是手機應用。但是，這項工作也將最終影響到專業和高精度GNSS的使用。例如，機控倉儲、工業裝配、室內和地下測繪、地面和地底采掘，以及林業等空中視野受限的應用，最終都將會發現該項技術對其的重要價值。一旦滿足室內定位要求的技術得以成功開發并廣泛應用，將會給其參與者帶來可觀的收益，尤其是GNSS設備制造商和基于位置服務（LBS）的供應商。