室內精確定位算法

【摘? 要】室外精確定位的方法有很多，通過GPS、北斗等可以完成精確定位，但是室內定位主要依賴于基站扇區和Wi-Fi位置完成，定位精度很差。如何在室內進行精確定位是一個技術熱點。通過演算、推導等室內定位算法，結合當前的技術水平，提出精度達0.3 m左右的精確室內定位算法，為室內無線網絡優化、無線應用、無人商店、智能機器人控制提供了廣闊應用前景。

【關鍵詞】天線定向;時間延遲;絕對參考時鐘測量;室內定位算法

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.012? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）08-0068-04

引用格式：李詠東. 室內精確定位算法[J]. 移動通信， 2019，43（8）： 68-71.

[Abstract]?The outdoor precise positioning can be achieved in many ways such as GPS， BeiDou， etc.， but indoor positioning mainly depends on the locations of base station sectors and Wi-Fi and it merely has poor positioning accuracy. Hence， how to perform precise indoor positioning is a hot topic. Through the derivation of indoor positioning algorithm and the combination with the current technical level， a precise indoor positioning algorithm with an accuracy of about 0.3m is proposed， which provides a broad prospect for indoor wireless network optimization， wireless applications， unmanned shops and intelligent robot control.

[Key words]antenna direction; time delay; absolute reference clock measurement; indoor positioning algorithm

1? ?引言

室外可以通過GPS、北斗等定位系統精確定位終端的位置，但是，當室內無法收到GPS、北斗信號的時候，可以通過基站的扇區交疊或者Wi-Fi的AP位置大致來定位終端位置，但這對于室內定位來說精度遠遠不夠，使很多應用受到局限。因此，如何實現室內精確定位有很廣闊的前景。

2? ?室內精確定位算法

按照無線電波的傳播規律，在室內接收無線電信號的路徑主要有：直視到達、折射到達、直視與折射共存、不同折射到達。文章通過對不同場景進行論證演算，得到相應的計算公式，并按照實際可能出現的場景對結果進行修正。

隨后，闡述“采用LTE芯片解析”以及“讀取LTE系統TA”等實現方法的不可操作性及精度不足的缺陷，否定了上述兩種方法的可行性。最后闡述并引用具體數據說明并論證本文的“室內精確定位算法”的可行性。

2.1? 直視范圍算法

在室內分布系統中，安裝了許多分布式天線，可獲得室內建筑的每層二維圖。設某室內分布天線位置為O，在直視范圍內測試前的準確位置為A，移動至B（如圖1所示）。設L=AB，ΔL=OB-OA，可得到：ΔL=L，推導如下：

但是，這只會出現在道路轉折的、在其它方向有信號泄露的極個別點，可以通過下一次的計算，驗證上一次的計算結果是否出現大的偏差來修正。

2.3? 演算結論

無論直視到達、折射到達、直視與折射共存、不同折射到達的哪種場景，采用L=ΔL=ΔT*C都可得到準確的移動距離，對于特殊場景，可以通過前后結果對比驗證修正。

3? ?室內精確定位算法實現方法

3.1基于解調LTE信號的室內精確定位的精度為9.78 m且不可行LTE最小時間單位為1 Ts，即可測量的時延最小周期為1 Ts。Ts實際為一個FFT采樣點的時間長度，子載波間隔為15 000 Hz，OFDM符號長度是1/15 000 s，FFT點數為2 048。

采樣間隔=時間/點數=（1/15000）/2048=33 ns? ? ?（4）

一般人快速行走的速度小于20 km/h，人移動1 m的時間=60*60/（20*1 000）=0.18 s，遠遠大于33 ns，因此，人移動1 m可得到不同多次的時間延遲參數。

距離=傳播速度（光速）*1Ts ? ? ? ? （5）

1Ts對應的距離=3×108×1/（15000×2048）=9.78 m，

故基于解調LTE信號方法的室內精確定位的精度為9.78 m，即在9.78 m范圍內的時間延遲都是一樣的。

實際上基于此方式的定位方法是不可行的，因為LTE芯片每完成一次FFT采樣，就需要完成一次信號時延的測試。接收LTE信號的芯片尚未完成對LTE信號的解調，也不可能完成對LTE信號的時延檢測。

3.2? 基于UE的TA得到的室內精確定位精度太差

LTE的TA最小時間單位是Ts。按3GPP協議規定，TA調整量以16 Ts為步長。TA調整單位16 Ts=0.520 8 μs。對應距離為=0.5208×3×108×10-6/2=78.12 m。基于UE的TA得到的室內精確定位精度為78.12 m。

基于LTE TA來完成定位的方法存在下面兩個問題：

（1）TA的獲得需要移動終端與室內分布基站建立連接，TA的數據可能來自于室外基站或另外的天線，導致TA值可能不準確;

（2）TA方式的定位精度太差。

因此，該方案不具備可行性。

3.3? 使用納秒脈沖發生器的定位精度為0.3 m

（1）LTE信號在傳輸過程中的多徑現象

實際LTE信號的傳輸多徑如圖3所示，如果只測量LTE信號功率，那么接收機將不需要解調LTE信號，測量時間精度可以得到進一步的提高。

（2）采用高速采樣接收機可以滿足1 ns的測量周期

羅德與施瓦茨公司的TSMW測量接收機，在不解調任何信號的情況下，采樣速率可達22 Msample/s，即每次測量周期已達到45 ns。實際上，在定位測量中對信號的功率準確度要求并不高，因此，在降低ADC的比特位數的情況下測量速度可以進一步加快。接收機在針對此場景優化運算后是完全可以達到1 Sample/1 ns測量速度的。

（3）高速接收機的局限

在實際應用過程中高速接收機存在一個缺陷：自帶的晶振無法達到1 ns的精度，通常在5 ns～50 ns范圍。因此需要一個高精度時間間隔的脈沖觸發器來觸發接收機穩定測量，以納秒級的脈沖觸發器時刻為參考，得到精確的時間延時分布，進而得到納秒精度的不同位置的時間延遲差異。

（4）納秒脈沖觸發器可以達到的精度

如果以LTE的下行幀邊界為計算對象，1 ns PPS脈沖發生器觸發測量接收機測量A、B兩點LTE下行幀邊界時間偏移差值的情況如下：

（5）采用納秒脈沖觸發器可能遇到的問題

（6）采用此方案實現的可行性

羅德與施瓦茨用于室外基站定位的方案中，其脈沖觸發器的脈沖輸出重復周期遠大于1 ns。但是通過上文的論述可知：高速接收機的測量速度可以達到1 ns的要求;當今技術水平已可生產納秒級的脈沖發生器。因此，以1 ns為周期觸發采集多徑信號，得到精度為1ns的多徑信號分布是可行的。

3.4? 推論

當移動距離可知，采用“定向天線+羅盤水平儀”（例如采用羅德與施瓦茨公司的FSH+HL300+K40）的方式可以獲得準確的移動方向，“距離+角度”即可精確計算出每個移動點的準確位置。

4? ?結束語

通過證明L=ΔL=ΔT*C公式的正確性，采用納秒PPS脈沖輸出配合接收機檢測A、B點LTE下行幀邊界最小時間延遲差異，可精確計算出室內移動距離，精確范圍理論可達0.3 m。采用“定向天線+羅盤水平儀”獲得準確移動方向，通過獲得“準確的初始位置+移動方向+移動距離”三要素，即可打破室內分布由于無GPS、北斗等定位信號導致無法精確定位的困境，從而為優化室內分布信號、跟蹤人員移動等網絡優化、國安行動、無人商店等應用提供高精度定位服務，甚至為將來在無人空間內實現智能機器人控制提供了可能。此算法來自于實踐，提煉于思考，希望能對室內精確定位技術提供有益建議。