5G蜂窩室內定位精度提升方法

陳衛豐

（中國聯合網絡通信有限公司 淮安市分公司，江蘇 淮安 223001）

1 蜂窩定位需求分析

在智慧工廠、智慧機場以及智慧醫院等場景，對于員工管理、物資管理、風險管理、訪客管理等方面有迫切的室內定位需求。某智慧工廠定位需求如表1所示。

表1 某智慧工廠定位需求

2 蜂窩定位技術

2.1 幾何定位

幾何定位的基本原理就是通過無線信號的強度、時延以及角度等測量信息，計算終端和基站之間的距離方向等。利用已知的基站坐標，建立幾何方程進行終端位置計算的方法，目前主要有ECID、TDOA以及AoA等幾種定位技術[1]。

2.2 指紋定位

以場強指紋說明指紋定位的基本原理。蜂窩網絡中同一個位置點會被多個小區強度不同的信號所覆蓋，每個位置點會與多個接收信號強度RSSI形成獨特的映射關系，基于場強的指紋定位技術正是利用這種映射關系進行定位的。

3 5G的技術優勢

蜂窩定位在2、3、4G的時候，精度往往都比較差，但是5G定位有天然的優勢，使得其精度可以大大提升，達到與UWB等高精度定位技術相當的水平。

3.1 大帶寬

5G的FR1頻寬為100 MHz，FR2頻寬為400 MHz，對于TDOA這種基于到達時間的定位方式，信號帶寬越大，在時域的時間分辨率就越高，檢測到的首徑到達時間就越精確[2]。5G相比4G，由于頻寬不同，具備5～20倍的定位精度優勢。

3.2 多天線

多天線MIMO是5G的關鍵核心技術之一，除了能夠提升通信的能力外，對AOA的測量更加精確，可以進一步提升5G的定位能力。

3.3 高可靠

相比其他無線定位技術，5G定位還有可靠性方面的優勢，采用運營商授權頻譜，不會被其他無線系統干擾。相比之下，UWB定位雖然可采用500 MHz頻寬，但實際上所使用的頻譜是與其他無線系統頻譜重疊的，可能會被干擾。同時，UWB規范限制了功率譜密度，因而只適合10 m范圍內的短距定位應用[3]。

4 5G蜂窩室內定位精度的提升方法

5G定位場景方案所需網絡設備初期部署后，需通過一系列工作提升定位的精準度。

4.1 建立坐標系和位置定位

為了說明被定位物體的位置和軌跡等，必須選取坐標系。通常的坐標系有直角坐標系、3D坐標系以及地理坐標系等。應選擇與上層應用系統一致的坐標系，室內多采用相對坐標系，如直角坐標系和3D坐標系，室外多采用地理坐標系。3種常見坐標系如圖1所示。

圖1 3種常見坐標系

選定坐標系后，需要通過使用標定設備獲取以下位置信息，一是基站位置和高度，二是測試點的位置（標定時不需考慮高度），位置信息可以利用相應的測量儀器獲取。

因室內場景無法基于衛星進行標定，所以可采用相對坐標系，在確定坐標系原點位置后，通過距離測量的方法獲得相對坐標（x，y，z）或者（x，y）。測量設備可以采用激光測距儀或更先進的設備。

4.2 測試選點

采用柵格選點法選取測試點，以長為L，寬為W的場地舉例，根據需求的定位精度確定柵格大小。當需求Tm定位精度時，柵格長寬應選擇2Tm。將L×W的場地劃分為多個2T×2T的柵格，選擇每個柵格的中心點作為測試點。選點示意如圖2所示。

圖2 柵格示意圖

4.3 測試方法

4.3.1 定點測試（靜態測試）

測試人員手持定位終端，將終端依次放置于基于柵格選點法選出來的測試點上，并記錄測試點上蜂窩定位的計算結果，每個測試點連續記錄100次。

4.3.2 軌跡測試（動態測試）

測試人員手持定位終端，或者將定位終端固定于叉車/AGV等移動設備上，按照規劃的軌跡移動，記錄整個過程期間蜂窩定位的計算結果。

4.4 定位指標計算方法

4.4.1 定點精度指標

在已經標定的測試點上，基于記錄的100次蜂窩定位結果統計所得以下內容。一是將100次定位結果按定位精度進行百分比統計，并繪制累計分布曲線。二是在累計分布曲線上，90%位置的精度為該測試點的定位精度。

基于柵格選點法，某一測試區域會存在N個測試點，每個測試點按照上述統計方法獲得的定位精度為定點精度指標。定點指標是中間數據，是整體指標計算的關鍵輸入。

4.4.2 最優點精度指標

由于環境的遮擋會影響定位精度，根據遮擋情況可以分為最優點和一般點。最優點說明如下，一是測試點與基站天線之間不存在遮擋，直達可視（LOS場景），二是至少3個定位基站直達可視，三是采用定點精度指標相同的統計方法，得到最優點精度指標。

最優點的精度一般要優于客戶的定位精度需求，可以作為蜂窩定位系統的最優定位精度。一般選取一個最優點，也可選取不同位置多個最優點的精度指標用來展現蜂窩定位系統的最優定位能力。

4.4.3 整體精度指標

整體精度指標用來衡量測試區域蜂窩系統定位精度的可獲得性。根據客戶需求精度確定門限，如客戶要求精度為Tm，則門限設置為Tm。去除定位目標不可能到達的柵格，即這類柵格的定點測試結果不納入計算。比較剩余柵格的定點精度指標與門限，并統計精度優于或等于門限的點數占比。所得百分比即為蜂窩系統定位精度的可獲得性，可以描述為Tm@X%（即X%的測試結果與實際軌跡的偏差小于Tm）。一般X%需要大于90%。

4.4.4 軌跡精度指標

軌跡精度指標用來衡量定位目標在移動時蜂窩定位系統的定位精度，基于Hausdorff距離的相似性度量方法來計算[4]。

軌跡測試執行完成之后，可以得到以下測試結果，包括實際運動軌跡、蜂窩定位結果以及定位結果擬合軌跡，具體如圖3所示。

圖3 擬合軌跡圖

Hausdorff距離就是用來衡量兩個點集間的距離，其方法為給定歐式空間中的兩點集A={a1,a2,…}，B={b1,b2,…}，求解得：

圖4 最大軌跡偏差示意圖

統計兩個點集間的距離，統計距離偏差小于T的點在整個點集中的占比為：

其表示的是定位結果與實際軌軌跡之間距離小于目標偏差T的概率。通過最大軌跡偏差和目標偏差概率組成軌跡精度指標，用來描述蜂窩定位結果與實際運動軌跡的關系，通過大量反復測試數據提升定位的精度。

5 結 論

高精度定位是5G網絡的重點特性，本文描述了5G蜂窩室內定位精度的提升方法，通過循環、大量測試分析計算，提升定位的精度，高精度的定位可以推進5G網絡ToB業務的發展，成為運營商ToB業務的有力支撐。