室内定位，谁主沉浮—— 谈美国联邦通信委员会（FCC）室内定位技术测试

· 文| 北京空间科技信息研究所 赵爽

室内定位，谁主沉浮
—— 谈美国联邦通信委员会（FCC）室内定位技术测试

· 文| 北京空间科技信息研究所 赵爽

2013年3月，美国联邦通信委员会（FCC）公布了其针对室内定位各技术解决方案集中开展的一系列实验测试的结果，力图推动手机室内定位技术的发展以及相关标准的制定。室内定位技术一直是PNT（定位、导航与授时）技术中最难解决的问题，而一旦该问题得以解决，将会给相关定位系统带来前所未有的性能提升。

据不完全统计，在手机高度普及的今天，有一半以上的移动电话呼叫都发生在室内，而紧急呼叫的比例与之大体相同，并且这一数量还在不断的增加。

在美国，紧急呼叫业务与室内定位服务密不可分。FCC早在2001年就明确要求运营商为室内呼叫提供E911紧急求助服务。这项在2001年制定的法案规定，无论是使用固定电话还是移动电话，所拨打的紧急呼叫都必须能够提供呼叫者的精确位置信息。该位置信息将被透明地发送到各个公共安全响应点（PSAPS），以便使911中心派遣的消防、救援或警务人员不仅能够到达正确的街区，而且能够顺利抵达多层建筑的正确楼层。

FCC通信安全、可靠性和互操作性理事会（CSRIC）第三工作小组（WG3）的基于位置服务分组致力于发掘室内定位相关技术，并研究这些技术如何工作，以及如何应用于911服务。

2013年3月14日，FCC通过其CSRIC发布了《室内定位测试平台报告》，公布了其第三工作小组针对室内定位各技术解决方案集中开展的一系列实验测试的结果。测试环境涵盖了密集市区、普通城区、郊区、乡村这四种场景，并包含了数以千计的测试地点和各种建筑物类型。

一、测试内容与流程介绍

1.测试内容

Polaris Wireless公司的射频模式匹配/指纹识别技术是一种基于无线信号网络的定位技术。信号传播时由于对地理环境的依赖性而体现出很强的站点特殊性。结合多径特征以及其它信号特征，可以创建出特定地点的独特信号特征，即信号指纹。根据该指纹来推断目标位置，无需移动通信基础设施的额外投入，相对节约。缺点在于需要事先预制所需的场景数据库，而且当场景发生变化时，必须重建该数据库。

Qualcomm公司的混合定位技术，结合了AGPS和AFLT两种技术。AGPS是一种在一定辅助配合下进行GPS定位的运行方式。它可以利用手机基站的信号播发星历等辅助信息，配合传统GPS卫星信号，让定位的速度更快。AFLT运用于CDMA系统中，是一种基于前向链路的定位方法。在进行定位操作时，手机同时监听多个基站(至少3个基站)的导频信息。利用码片时延来确定手机到附近基站的距离，最后用三角定位法算出用户的位置，见图1。

>> 图1 AFLT技术示意图

相对于前两种系统，NextNav公司的无线信标技术撇开现有的基础设施，在地面部署一个完全独立的信标定位网络，这里每个信标站就类似于GPS系统的一颗卫星，只不过导航信号是在地面上播发。

2.测试流程

FCC开展的室内定位测试采用实际场景测试，测试流程见图2。第三工作组选择了旧金山海湾地区作为第一阶段室内试验的测试地点，该地区涵盖了最常见的无线使用环境和建筑物类型，包括4种具有代表性的场景：密集市区、普通城区、郊区和乡村。

测试共选取了19幢建筑物，其中6幢位于密集市区，5幢位于普通城区，6幢位于郊区，2幢位于乡村地区。在这19幢建筑物中，共选择了75个测试点。在每一个测试点上，分别对NextNav、Polaris Wireless以及Qualcomm三家公司的定位技术进行了固定呼叫测试，并对呼叫测试的结果进行取样统计分析。

多家具有代表性的无线技术及运营公司参与试验，其中Polaris Wireless公司的测试结果主要代表了美国电话电报公司（AT&T）和德国T-Mobile公司的网络；Qualcomm公司的测试结果则主要代表了美国Sprint公司和Verizon公司的网络；而NextNav公司则实际上是作为一个独立覆盖的定位网络进行运营的。

二、测试结果

此次测试不仅数据充分，而且覆盖广泛并具有代表性。针对三种不同的技术，试验组分别从测试点收集了13000多个有效的呼叫记录。三家公司的测试结果见表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。基于测试结果，可以得到这些定位技术的性能指标，包括水平定位精度、垂直定位精度、首次定位时间（TTFF）、报告的不确定性等。下面按照密集市区、普通城区、郊区和乡村四种场景对测试结果做简要介绍。

EM断路器外壳导体大多为规则立方体，多选导热性良好的铝为材料，为便于计算，假设整个立方体壁面的稳态热流量为恒定值，由傅里叶热传导基本方程可知，在单位长度上的热流密度为

1.密集市区环境

>> 图2 FCC开展的室内定位测试流程

在密集市区场景下，卫星信号（如GPS信号）穿透大型建筑物存在很大的挑战。因此，经常需要使用AGPS的备用模式，例如AFLT。不过测试结果显示，使用混合定位时却出现了比较大的误差。

射频指纹识别技术（RF finger-printing）有望能在密集城市环境中展现最好的性能。因为这种测试环境是一个密闭的空间，而且包含众多射频基站和切换边界，通过大量而广泛的测量校准，就可以构建出比较理想的射频特征图谱。

在密集城市环境中，测试结果显示，性能最理想的是地面信标定位系统。然而，由于多径效应，最终的定位结果可能只是在绝对距离上接近测试点（例如，相差40m），但是经常会出现定位到街对面的建筑物、邻近建筑物，甚至几个街区外的建筑物里的情况。

表1 参试公司的室内水平方向精确度统计分析汇总表

2.普通城区环境

普通城区环境中,每一种测试建筑物会给定位带来不同的挑战，而参与测试的三种技术在不同程度上满足了试验要求。

在一个联盟棒球体育场内，由于射频信号的无遮挡传输，导致AGPS的备选定位结果距离被测点非常远。而在一些测试点上，运动场的特殊结构也给射频指纹识别技术带来了极大的挑战。

在某些情况下，会议中心可以视为深室环境，但是其内部一般拥有来自室内基站的很强的蜂窝信号。在此环境中，基于地面信标的定位系统将不再像其他环境中表现的那么理想，因为来自建筑外的信标信号的衰减会很大。而此时，AGPS和射频指纹识别技术则能够依靠建筑物内部的蜂窝小区基站实现定位。

在一幢拥有中央天井的、厚实的旧楼里进行测试时，测试结果会因为距离窗户和天井的远近而产生巨大差异。这种环境下，NextNav公司和Qualcomm公司都出现了定位到街道对面建筑物的现象。而Polaris Wireless公司的射频指纹识别技术的测试结果则相对集中，其多数定位结果都在目标建筑物的街区附近。

汽车旅馆的特殊结构也为室内定位带来了独特的挑战。在这种环境下，绝对距离（例如，50m或者150m）这一原来在评估室外定位效果时极其重要的参数，对于室内定位而言其作用将被削弱。因为在这个误差范围内，紧急派遣的搜救人员很容易进入错误的建筑或街区。尽管定位精确到邻近的街道已经要比定位到几个街区之外好得多，但这样的定位精度仍然无法达到某些应用服务或用户的要求。

在建筑物并不密集的圣何塞市区的一幢高大公寓楼内进行试验，发现AGPS的表现相对较差，信标系统的性能不够稳定，而射频指纹识别技术的定位性能则随着测试点的高度增加而不断退化。总之，上述城区的特殊环境，再加上相对稀疏的蜂窝基站，最终导致了普通城区环境中的定位效果略差于密集的城市环境。

3.郊区环境

郊区的建筑物相对于市区来说建筑结构将更为简单，且楼间距也将更大。在这种环境中，室内GPS定位的性能受到的影响将小得多，理想情况下几乎与室外定位的性能一样好，可以实现精确定位到某一楼层；在相同的环境中，从平均性能表现上看，基于信标的定位技术表现也同样出色；而射频指纹识别技术的性能相比于密集的城市环境则有所下降。

AGPS的性能随着郊区建筑物不断变高、变大而不断降低；而基于地面信标的定位技术则几乎不受建筑物高低、大小的影响；而射频指纹识别技术也是在相对较小的郊区建筑测试环境，定位性能有所提升，但是仍然会有很大一部分结果出现偏差，定位到街道、高速公路或者对面的建筑物上。

4.乡村环境

在乡村，拥有金属屋顶的宽敞单层结构建筑，将会对卫星信号的接收带来极大的挑战。在这些情况下，多采用混合定位方式，对传统卫星定位结果加以修正。金属房顶对基于地面信标网络的定位方式影响较小，因为它对地面信标的影响远远小于它对空中卫星信号的影响。因此，在这类环境中，基于信标的定位方式性能优于AGPS。当然，信标定位的性能优劣仍然取决于乡村地区部署的信标密度，而在此次测试中，是保证具有足够密度的。

在郊区环境和乡村环境中，由于蜂窝基站密度的减少，射频指纹识别定位技术的性能有所下降。

三、结束语

本次测试并没有涵盖所有的地域类型，其中一个关键原因就是成本问题。而在时间进度方面，同样也受到了成本的限制。不过，一些评论家已经得出如下结论：NextNav公司技高一筹，相比于其他两种技术，NextNav公司的解决方案能够更好的应对更多的挑战，因为它不像其他两种技术那样在很大程度上依赖于现有的基础设施。

目前，大规模的针对室内定位的研究与开发工作，都主要致力于商业应用，也就是手机应用。但是，这项工作也将最终影响到专业和高精度GNSS的使用。例如，机控仓储、工业装配、室内和地下测绘、地面和地底采掘，以及林业等空中视野受限的应用，最终都将会发现该项技术对其的重要价值。一旦满足室内定位要求的技术得以成功开发并广泛应用，将会给其参与者带来可观的收益，尤其是GNSS设备制造商和基于位置服务（LBS）的供应商。