面向智慧醫療應用的5G+UWB高精度室內定位

張景峰　李騰飛　農華斌　李瑞　李旭周

【摘要】 ? ?隨著5G新一代通信技術向各行各業滲透發展，智慧化服務與應用顯得越來越重要。面向智慧醫療應用很少包含室內定位這一解決方案。本文提出一種基于超寬帶（UWB）技術的高精度室內定位+5G承載網傳輸方案：由多個定位錨節點和目標節點組成定位系統;根據不同空間場景配置不同定位算法（TDOA、AOA、DS-TWR），以提高定位精度，并自主連接組成多簇樹狀網絡用于數據傳輸，醫、護、患可通過電腦，5G終端可查看實時軌跡、越區警告等，實現融合通信，為5G新基建融合滲透發展提供一種新的思路。

【關鍵詞】 ? ?UWB高精度定位 ? ?智慧醫療 ? ?室內定位 ? ?超寬帶技術 ? ?5G新基建

5g + UWB high precision indoor positioning for smart medical application

Zhang Jingfeng 1， Li Tengfei 1， Nong Huabin 1， Li Rui 2， Li Xuzhou 3

（1. Shenzhen Institute of Radio Testing Technology， Shenzhen， Guangdong 518038）

（2. Department of Respiratory Medicine， The Second Affiliated Hospital of Zhengzhou University， Zhengzhou 450000， Henan）

（3. Shenzhen Branch of China Tower Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518038）

【Abstracts】 As 5G technology penetrates and develops in all walks of life， intelligent services and applications become more and more important. For smart medical applications， it rarely includes indoor positioning. This paper proposes a high-precision indoor positioning + 5G bearer network transmission scheme based on ultra-wideband （UWB） technology： a positioning system composed of multiple positioning anchor nodes and target nodes; different algorithms （TDOA， AOA， DS- TWR） to improve positioning accuracy， and independently connect to form a multi-cluster tree network for data transmission， to achieve convergent communication， and to provide a new idea for the integration and penetration of 5G new infrastructure.

【Keywords】 UWB high-precision positioning; smart medical treatment; indoor positioning; ultra-wideband technology; 5G new infrastructure

引言：

超寬帶技術（Ultra Wideband）是新一代無線通信技術之一，其工作特點利用非正弦波窄脈沖，高速大帶寬傳輸數據，工作周期在納秒（ns）至皮秒（ps）級，工作頻率在1GHZ以上。其核心是時間調制技術，實現高速率傳輸數據，且功耗低，同時具有天生的定位優勢。

UWB帶寬的定義方式有2種：相對帶寬≥20%，絕對帶寬≥500MHz，見圖1。

UWB標準化工作由IEEE 802.15工作組制定，歸屬于IEEE 802無線個人局域網（WPAN）標準，其下含藍牙、WiFi等熱門標準。

當前，新一代無線網絡技術（UWB+5G）正加速與醫療行業深度融合，重構新一代無線網絡的高精度室內定位新模式，將對醫療行業產生深遠的影響。由于UWB+5G連通性的增強使其應用于諸多類的醫療設備，進而使得醫療設備物物相連，又進一步促使支持采集和傳輸醫療數據的傳感器、物聯感知網絡、服務系統及應用軟件的進步，本文在兼顧成本與精度的背景下最終將醫療設備和二三維矢量地圖交互相連，從而持續自動傳輸定位數據，達到無線通信技術和醫療行業的有機耦合，為醫療行業智慧應用服務提供一種思路。

一、概述

1.1 5G+智慧醫療

新型基礎設施，其涉及7個領域，其與新一代無線通信技術緊密聯系。智慧醫療行業的核心便是“人-物交互”，人工智能亦是數據處理大腦與5G網絡共同蝶變賦予物聯網低延遲、高速率和多終端交互能力。因此，“5G+智慧醫療”背景下的智慧應用就新一代通信技術筑建新基建將，憑借其卓越的數字孿生能力，將是數據經濟的重要算力。

聚積新一代無線通信技術，將UWB+5G部署患者與醫務人員、醫療機構、醫療設備之間的互動，逐步達到信息化定位的基礎上推出二/三維矢量地圖及各種物聯網可視化接口，能滿足各種基于位置的服務和應用，有助于快速的推進項目落地，也能為終端用戶提供多樣化的位置服務，如動態電子圍欄、實時定位、軌跡回放、虛擬巡更等。利用物聯感知設備，借助大數據、云計算、人工智能等先進技術，亦可防撞檢測、地下勘察、穿墻檢測，應用前景開闊！

1.2 UWB自身特點

1.2.1系統容量大，傳輸速度快

香農信道容限公式知C=W log2（1+S/N），W越寬，最大傳輸速率C越大。由于頻帶窄的傳統載波通信系統須采用MASK調制或能使其傳輸速率≥100Mbps，由上述定義知UWB通信的工作帶寬在≥500MHz，可知C≥1Gbps。

1.2.2發射功率低

IR-UWB具有W≥1GHz頻率帶寬，故只需低的發射功率。在短距離無線通信應用中，發射機發射的UWB信號功率要≤1mW，基于此，長電池壽命，長系統工作時間，微幅射。

1.2.3多徑分辨率高

UWB信號采用皮秒級到納秒級窄脈沖，短周期保證了較強的時間和空間分辨率，因此具有優質的抗多徑性能。

1.2.4系統保密性好

UWB發射功率低≤1mW， 功率譜密度要遠遠低于普通的白噪聲，UWB信號的安全私密性得以保障，保證醫療數據安全傳輸。

1.2.5穿透能力強

窄脈沖天生具備很強的脈沖穿透能力，可以幫助比如護士搜尋隔墻的兒童老人等。

1.2.6定位精度高

UWB信號具有超寬頻帶的特性導致其可達到厘米級分辨精度，在高精度領域其他窄帶系統不可企及的。

1.3 5G通信技術的特點

1.3.1增進性移動寬帶（eMBB）

這是針對醫院主要技術場景。既滿足院區連續廣域覆蓋，又滿足住院區、門診等人群集中熱點地區高容量。醫、患、護都能時時處處獲得≥100Mbps體驗速度和極高流量密度需求。

1.3.2超可靠低時延通信（uRLLC）

針對超低時延場景，面向高精度聯網外科手術、遠程醫療高精度機械臂、急救車-車聯網、等醫療場景。提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。

1.3.3大規模機器互聯（mMTC）

主要面向智慧醫療設備以傳感和數據采集為目標的應用場景，具有小數據包、低功耗、低成本、大規模互聯的特點，密度要求M x/Km2。注：x代表不同連接終端。

總之，5G網絡不僅繼續提高人與人聯網的通信速度，還將滿足人與物、物與物通信需要的低時延、高可靠和高密度的性能。5G將開啟一個萬物互聯的時代。

二、5G+UWB系統設計

2.1 智慧醫療系統架構

智慧醫療系統架構設計繼承智慧城市系統架構，但是有所區別。本系統架構設計“4橫3縱”，“4橫”分別為：1.終端層借助UWB等新一代通信技術持續、快速地感知醫療原始定位等數據。2.網絡層繼承5G實時、可靠、安全的醫療數據傳輸。3.平臺層利用可視化界面，智能、準確、地管理醫療數據。4.應用層實現多樣化、人性化的醫療應用，如實時定位，地圖軌跡展示。“3縱”分別指安全安全保障體系、標準規范體系、運維保障體系。

其中基于UWB、5G協議的胸卡、手環等無線終端為智慧醫療架構中終端感知層，起脈絡感知，互聯互通的作用。

2.2組網拓撲與定位引擎算法選擇

本次組網為1臺5G核心網交換機，1臺應用服務器、1臺5G BBU基帶處理單元，新部署到醫院數據中心，樓層弱電間機柜安裝一臺POE交換機，1臺5GHUB，冗余接口，方便線路調試安裝，在醫院內部天花部署5G室分吸頂天線5G AAU以及UWB錨節點。其他無線終端40余臺。系統組網采用樹形組網結構，點位布點針對不同房間大小，部署不同數量的基站，本文不再對算法原理做過多贅述。

由于5G信號室內外協同覆蓋，故小型基站掛載到室外鐵塔或多功能智慧桿。考慮到成本原因，故對不同場景使用不同算法（成本、結構）產品。小房間考慮成本效益，部署一個基于AOA算法的錨節點（內置天線陣列，使用到達矢量角度測距）;走廊、隧道等一維空間，部署至少2個錨節點（單基站成本低，可使用TDOA到達時間差算法，或DS-TWR雙邊測距算法），三維大空間可靈活部署，至少3個錨節點，4個更佳，使用DS-TWR可以滿足，但可能存在單點故障，若經濟條件允許，可全部部署AOA錨節點。

2.3 TDOA與AOA混合定位研究

1、使用TDOA/AOA混合定位算法，相較與TDOA技術在較少基站兒TDOA無法求解的條件下，可利用AOA側向信息完成移動臺的定位;

2、使用TDOA/AOA混合定位算法，相較與AOA技術，可利用時差信息提高起定位精度;

3、目前雷達系統通常具有時差測量與測向能力，本發明提供了一種將兩類信息進行融合定位的方法，比較單一定位方法，充分利用了可獲得的信息提高了定位系統的整體性能。

2.4結果與討論

實驗結果表明：該系統可以實時檢測實驗者在室內的位置，定位頻率可達35 次/s;在室內靜止狀態下定位誤差最大為0.32 m，行走狀態下的UWB 數據經過卡爾曼濾波器后，運動軌跡更接近真實軌跡;動態定位誤差最大為0.6 m，相比于原始UWB 數據誤差減小50%。在實際樓宇環境中的測試結果表明，該系統可實現較大空間的室內定位功能，可為需要進行室內定位的場景提供參考。

三、結束語

本文針對傳統移動健康監護系統缺少室內定位的問題，提出1 種用于智慧醫療行業的超寬帶室內定位系統設計方法，在實際環境中，結合醫院CAD圖紙，做了信號仿真，優化布點。軟件側，對傳統的DS-TWR 測距方法進行簡化，提出多種算法 測距方法，減少了測距過程中消息發送的次數，提高了定位頻率，同時也減小了由于系統硬件造成的測距誤差，提高了測距精度。采用線性卡爾曼濾波器處理UWB 原始數據，可以有效地減小定位誤差。經研究分析，不同場景使用不同算法模型，有助于減少成本投入，經實地測量AOA/TDOA混合定位算法適應力最強，但涉及技術、調試復雜，需對不同場景設置參數，定制算法難度較大。單一算法實現比較簡單，在實測中定位誤差將控制到到系統誤差范圍內。本方案簡單利用后臺將算法處理數據，通過5G傳輸到手機等移動終端，方便查看，定位算法存在定位誤差，需一定優化，后期需結合智慧醫療平臺，做數據導通，融入醫生、護士、患者身份信息，提供智慧化、人性化服務。

參考文獻

[1] 王鵬，方震，夏攀，等. 面向移動健康應用的UWB 室內定位方法[J]. 導航定位學報， 2020， 8（6）： 37-45.（WANG Peng， FANGZhen， XIA Pan， et al. An UWB indoor positioning system for mobile health application[J]. Journal of Navigation and Positioning， 2020， 8（6）： 37-45.）DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20200606..

[2] ALNAFESSAH A， ALAMMAR M， ALHADHRAMI S， et al. Developing an ultra-wideband indoor navigation system for visually impaired people[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks， 2016， 12（7）： 15-25.

[3]Djosic， S.， Stojanovic， I.， Jovanovic， M.， Nikolic， T.， & Djordjevic， G. L. （2021）. Fingerprinting-assisted UWB-based localization technique for complex indoor environments. Expert Systems with Applications， 167， 114188.

[4] Rahman， M.， Haider， A.， & Naghshvarianjahromi， M. （2020）. A systematic methodology for the time-domain ringing reduction in UWB band-notched antennas. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 19（3）， 482-486.

[5]Jiang， C.， Shen， J.， Chen， S.， Chen， Y.， Liu， D.， & Bo， Y. （2020）. UWB NLOS/LOS classification using deep learning method. IEEE Communications Letters， 24（10）， 2226-2230.

[6]Yim， D.， Lee， W. H.， Kim， J. I.， Kim， K.， Ahn， D. H.， Lim， Y. H.， ... & Cho， S. H. （2019）. Quantified activity measurement for medical use in movement disorders through IR-UWB radar sensor. Sensors， 19（3）， 688.

[7]Aseeri， M. A.， Alyahya， M. A.， Bukhari， H. A.， & Shaman， H. N. （2018）. Compact Microstrip Lowpass Filter with Low Insertion Loss for UWB Medical Applications. Wireless Communications and Mobile Computing， 2018.

[8]Amit， S.， & Oshin， S. P. （2017， November）. Design， implementation and performance analysis of a high gain UWB slot wearable antenna with human phantom for medical application. In 2017 IEEE International Conference on Antenna Innovations & Modern Technologies for Ground， Aircraft and Satellite Applications （iAIM） （pp. 1-6）. IEEE.

[9]Miralles， E.， Andreu， C.， Cabedo-Fabrés， M.， Ferrando-Bataller， M.， & Monserrat， J. F. （2017， March）. UWB on-body slotted patch antennas for in-body communications. In 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation （EUCAP） （pp. 167-171）. IEEE.

[10]Kaushik， M.， Gupta， S. H.， & Balyan， V. （2021）. An Approach to Optimize Performance of CM3A Cooperative WBAN Operating in UWB. Sustainable Computing： Informatics and Systems， 100523.

通信作者：張景峰（1995-） 男 漢族 甘肅天水 深圳無線電檢測技術研究院 ，中級工程師，研究方向為信息化項目咨詢規劃設計

李騰飛（1987-） 男 漢族 廣東梅州 深圳無線電檢測技術研究院，高級工程師，研究方向為無線電設備檢測技術、無線電監測及通信技術研究，

農華斌（1995-）男 漢族 廣西崇左 深圳無線電檢測技術研究院，中級工程師，研究方向為軟件無線電，頻譜檢測技術研究，

李瑞（1995-）女 漢族 甘肅天水 鄭州大學第二附屬醫院 ，住院醫師，研究方向為呼吸內科，

李旭周（1994-）男 漢族 甘肅武威 中國鐵塔股份有限公司深圳市分公司，中級工程師，研究方向為鐵塔運維監控，項目管理，