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室内定位技术和测试方法
摘 要：随着室内定位需求的日益强烈,近几年基于多种室内定位技术的室内定位方案已被广泛应用.本文介绍了室内定位常见的应用场景及相应的室内定位技术、系统架构、技术现状及发展趋势；并对室内定位的国内外标准化情况及室内定位技术目前的通用测试方法进行了介绍.
关键词：室内定位；系统架构；测试方法
1 引言
随着移动互联网技术的发展,基于互联网的LBS（Location Based Service）业务呈爆发式增长,导航定位服务已经成为人们的日常生活必需.同时,大多数人群在室内的活动时间远大于室外,在陌生、复杂的室内环境中（如商场、展览中心、机场、车站、地下停车场等）的定位需求日益强烈,有必要借助于所携带的移动通信终端来获取室内环境下的自身实时定位、目的地导航等基于位置信息的各类服务.高精度的室内定位服务不仅能满足人们的需求,还会带来价值创新和商业附加值.根据最近的市场分析,截止到2019 年,全球室内定位市场将从2014 年的9.35 亿美元增长到44.2亿美元,年复合增长率达（CAGR）36.5%.
美国联邦通信委员会（FCC）继在1996 年制定了用于应急救援的E911 室外定位标准之后,又于2015年颁布新法令,要求室内E911 用户需满足一定的定位精度,并且要求从2017 年起到2021 年,每年逐步提升定位精度.因此,北美运营商AT&T、T-Mobile 等也在大力研究室内定位技术并已开始分阶段部署室内定位网络.
2 室内定位及发展趋势
（1）室内定位应用场景
在GPS、北斗等卫星信号覆盖不到的室内,有多种技术可以实现室内定位,如WLAN、蓝牙、射频识别（RFID）、超宽带技术（UWB）、LED/VLC/Li-Fi、红外线、超声波、TBS（Terrestrial Beacon System）、蜂窝网定位等.由于室内场景复杂多样,每种定位技术可能只适用于某一种或几种特定的场景,因此多种室内定位技术混合协作可以在较低成本下提供更好的定位体验.
室内定位应用场景分为对人的定位场景和对物体的定位场景.对人的定位应用场景主要包括人员实时定位、室内导航指引、位置数据分析（人员流动分析）、访问控制/地理围栏（基于位置的报警）、基于位置的信息推送、环境交互（情景智能）、基于位置的营销、基于位置的社交等.对于人的定位更多是消费级的应用,需要的定位精度一般在米级,能够定位到室内的楼层、房间、电梯、服务台等,对成本和兼容性要求较高,需要容易部署实施,且易于集成在手机终端中,便于推广和应用,主要技术包括WLAN（如Wi-Fi 等）、蓝牙、蜂窝网定位、LED/VLC/Li-Fi、TBS等.
对于物体的定位场景主要包括物体实时定位、货物追踪、机器人指引、位置数据分析等,更多的是工业级的应用,需要的定位精度在分米/厘米级,主要技术包括射频识别（RFID）、超宽带技术（UWB）、超声波等,同时需要特殊的定位标签.
（2）室内定位技术系统架构
室内定位联盟（InLocation Alliance,ILA）成立于2012 年8 月,是IEEE 行业标准和技术组织（IEEEISTO）的联盟成员,成员包括高通、博通、Intel、Here、SONY、CTTL-T、Spirent 等.ILA 致力于提升移动用户室内定位体验,加快室内定位的推广部署.目前,ILA起草的架构白皮书2.0 中提出了一种通用的室内定位系统架构（见图1）,适用于通过定位网络进行定位的各种技术,包括WLAN、蓝牙、无线蜂窝定位、基站辅助卫星导航定位等.该系统架构支持大部分的室内场所及应用场景,可以应用于小到个体商户,大到企业园、大学校园、体育场、交通枢纽等场所,也可以应用于全球零售连锁店等非常分散的场所.
该架构包括以网络为中心和以移动通信终端为中心的定位模式.支持通过位置应用服务器发起的（网络发起的）定位服务请求和通过移动通信终端（终端上的应用程序）发起的定位服务请求.
在以网络为中心的定位模式下,终端不会主动参与自身的定位过程,位置服务器从定位网络获取用于定位的测量数据.
在以终端为中心的定位模式下,终端主动参与自身的定位过程,包括基于终端的定位和终端辅助定位.其中,定位网络包括可以用于定位的任何网络,如WLAN、蓝牙、无线蜂窝网络、基站辅助卫星导航定位网络等,纯粹用于通信的网络不在此范围内.
定位网络数据库可以存储并向位置服务器提供定位网络的年历信息,位置服务器可以利用这些信息并结合与定位网络相关的测量信息来计算移动通信终端的位置.
位置服务器具有位置计算的能力和提供辅助数据的能力,辅助数据可以直接传递到移动通信终端或者通过定位网络传递给移动通信终端.
（3）室内定位技术发展趋势
室内定位技术的定位精度取决于覆盖场景遮挡情况以及多径性、定位节点密度、信号强度、信号的码片速率、待测量的参考信号长度和自相关/互相关特性、采用的定位算法等多种因素,表1 是在典型覆盖半径（如Wi-Fi 有最大覆盖半径、RFID有最小覆盖半径）、信号连续覆盖和覆盖较好、较开阔环境实际应用的定位精度及各项指标对比.
室内定位性能和系统成本呈一定的正比关系,比如增加WLANAP、蓝牙Beacon 的部署密度,可以增加定位精度.但是,当定位精度达到1m左右时,将会出现一个门限,即定位精度优于1m时,系统成本和复杂度将会急剧增加.
对每种室内定位技术来说,都有各自的优势和局限性,目前尚未形成与GNSS 类似的普适性解决方案.除了定位精度,室内定位方案需综合考虑覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间等因素.目前,约90%的室内定位服务提供商都在部署混合室内定位方案,即通过多种室内定位技术联合使用,形成优势互补,达到最佳的室内定位体验.随着加速度计、陀螺仪等惯性导航器件在智能终端中的普及,惯性导航结合Wi-Fi 或蓝牙的定位方案应用逐渐增多.另一方面,室内定位技术和传统的卫星导航定位系统（A-GNSS/GNSS）定位技术若进行有效的结合,可以实现室内、室外定位的无缝衔接.
互联网企业或新兴的室内定位提供商更倾向于采用Wi-Fi、蓝牙、UWB、RFID 等室内定位技术,尤其是Wi-Fi 和蓝牙.目前,全球有超过20 万个大型的建筑内都部署有Wi-Fi 热点和蓝牙天线,基于这两种技术来实现室内定位,相比其他技术更容易实施和推广.然而,对于传统的移动网络运营商来说,更倾向于采用基于蜂窝网基站的定位技术,一方面是工作在授权频段,易于控制；另一方面是覆盖范围广,能够实现城域的室内、室外覆盖.目前,蜂窝网定位技术应用最多的是基于LTE网络的增强型小区ID（ECID）、观察到达时间差OTDOA两种定位方法.然而前者的定位精度一般在50~100m范围内,后者的定位精度一般在十几米的范围内,定位精度并不能完全地满足室内定位的需求,因此大部分的北美运营商都采用OTDOA、Wi-Fi、蓝牙、气压传感器等多种室内定位技术为E911 用户提供室内定位服务.
随着物联网技术的发展以及NB-IoT 的大量部署,给室内定位技术的应用推广带来新的机遇.NB-IoT的广覆盖、低成本特点,可以应用在室内定位领域,不过现阶段的应用方案是基于“NB-IoT+定位终端/标签”的方案,借助于定位终端/标签中集成的定位模块以及室内事先部署好的定位网络进行位置计算,NB-IoT 主要用于数据回传.在NB-IoT 的Release14 版本即将加入OTDOA定位功能,可以直接利用NB-IoT 网络的定位测量信息进行位置计算.
3 室内定位标准现状及测试方法
（1）国际标准现状
室内定位联盟（ILA）、开放地理空间信息联盟（OGC）、开放移动联盟（OMA）、3GPP等国际组织都在开展室内定位标准化工作.其中,室内定位联盟发布了室内定位架构白皮书《ILAArchitecture White Paper,Release 2.0》；3GPP TS 36.355 在定位协议LPP（LTEPositioning Protocol）Release 13 版本中加入了对WLAN、蓝牙、TBS、气压传感器等室内定位技术的支持；OMA在《LPPExtensions SpecificationV1.0》中定义了LPP Extensions（LPPe）消息,在支持A- GNSS、OTDOA、ECID 定位技术的基础上,还支持WLAN、蓝牙、气压传感器的定位测量信息上报和定位结果上报.另外,3GPPTR37.857 中总结了关于室内定位的研究项目“Study on Indoor Positioning Enhancements forUTRAandLTE”的部分成果.主要介绍了3部分内容：
● 介绍了基于UTRA、LTE 网络的OTDOA、UTDOA（UplinkTime Difference of Arrival）等室内定位技术的评价用场景和精度要求.
●给出了爱立信、华为、Intel、高通、LG 等公司提供的ECID/Cell ID、OTDOA定位技术在室内环境的水平精度误差和高度误差数据.
●介绍了几种增强的定位技术,包括OTDOA、ECID 等基于蜂窝网的定位技术以及基于TBS、Wi-Fi、蓝牙、气压传感器、惯性传感器的室内定位技术.美国NEXT N 公司推出了MBS（MetropolitanBeacon System）定位技术,MBS 是一种“路基星座”系统,部署方式和蜂窝网络类似,主要应用在室内以及大城市的市区,可以提供高精度室内定位.目前,MBS技术已经写入了3GPPTS 37.171《User Equipment (UE)performance requirements for RAT- Independent PositioningEnhancements》中.美国CTIA 也于2016 年成立MBS工作组,进行测试相关研究工作.
（2）国内标准现状
国内的室内定位应用非常广泛,已经渗透到了各行各业,但缺乏统一的标准在某种程度上制约了室内定位技术的推广.目前,相关的标准正在中国通信标准化协会进行制定,已发布了研究课题《室内定位技术研究》,而行业标准《移动通信终端室内定位技术要求和测试方法第1 部分：总体》正在制定中.
（3）室内定位测试方法
室内定位技术众多,针对不同的定位技术、不同的定位算法、不同的应用场景都有特定的测试方法.目前,多种室内定位技术通用的测试主要包括功能测试、协议一致性测试、定位精度和定位时延测试等.国内的室内定位服务提供商主要在实际场景进行测试,在实际部署室内定位网络的商场或大楼内,对终端定位精度、定位时延进行测试；同时,也使用性能稳定的终端对定位网络的性能进行测试.北美运营商目前主要依据OMA的LPPe 规范进行自定义的协议一致性测试.
移动通信终端的室内定位功能测试,主要测试项为AP个数探测能力,具体测试方法为：系统模拟一定数量的定位节点（如Wi-FiAP、蓝牙Beacon 等）,测试移动通信终端在要求的时间内检测到定位网络中定位节点的个数.应检查终端上报的所探测到的定位节点的标示码（ID）、信道频率、信号强度以及时间戳等信息是否准确.
移动通信终端的室内定位协议一致性测试,目前AT&T、T-Mobile 等北美运营商主要测试LPPe 协议的一致性,包括终端是否能通过LPPe 协议上报自身能力（支持的室内定位技术）、上报室内定位测量信息、上报定位结果或辅助信息、定位异常流程处理等.
移动通信终端的室内定位精度测试,目前较多采用实场测试,但是成本较高,并且很难选取具有代表性应用场景进行测试.可以通过接入第三方定位网络数据库（如谷歌、智慧图、千寻、百度等）,模拟定位网络,测试移动通信终端的定位精度、定位时延是否满足业务应用要求.另外,对于指纹定位算法,可用录制回放设备在各类典型的室内定位应用场景录制信号信息（信号强度信息,如RSSI）,然后在实验室进行信号回放测试.
4 结束语
本文主要介绍了室内定位应用场景和技术分类、系统架构、国内外标准及通用测试方法.室内定位测试目前还没有统一的标准,北美运营商主要测试移动通信终端的LPPe 协议一致性,还没有涉及定位精度等指标的测试；而一些新兴室内定位服务提供商更多是在实际环境测试,成本较高.由于室内场景复杂多样,室内定位技术众多,室内定位测试与传统的A-GNSS卫星定位的测试将会有很大的区别,未来会针对不同的定位技术、特定的应用场景进行测试方案制定.
参考文献
[1] 3GPP TR 37.857 V13.0.0 (2015- 09)3rd Generation PartnershipProject. Technical Specification Group Radio Access Network.Study on Indoor Positioning Enhancements for UTRAandLTE(Release13).
[2] 3GPP TS 36.355 V13.2.0 (2016- 09)3rd Generation PartnershipProject. Technical Specification Group Radio Access Network.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E- UTRA);LTEPositioning Protocol (LPP)(Release13).
[3] 3GPP TS 37.171 V13.0.0 (2016- 06)3rd Generation PartnershipProject. Technical Specification Group Radio Access Network.Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and EvolvedUTRA (E-UTRA). User Equipment (UE) Performance Requirementor RAT-Independent Positioning Enhancements (Release13).
[4] OMA- TS- LPPe- V1_0 (2016- 07- 14) LPP ExtensionsSpecification.
室内定位论文范文结:
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