室内精确定位算法

【摘  要】室外精确定位的方法有很多，通过GPS、北斗等可以完成精确定位，但是室内定位主要依赖于基站扇区和Wi-Fi位置完成，定位精度很差。如何在室内进行精确定位是一个技术热点。通过演算、推导等室内定位算法，结合当前的技术水平，提出精度达0.3 m左右的精确室内定位算法，为室内无线网络优化、无线应用、无人商店、智能机器人控制提供了广阔应用前景。

【关键词】天线定向;时间延迟;绝对参考时钟测量;室内定位算法

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.012      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）08-0068-04

引用格式：李咏东. 室内精确定位算法[J]. 移动通信， 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、北斗等定位系统精确定位终端的位置，但是，当室内无法收到GPS、北斗信号的时候，可以通过基站的扇区交叠或者Wi-Fi的AP位置大致来定位终端位置，但这对于室内定位来说精度远远不够，使很多应用受到局限。因此，如何实现室内精确定位有很广阔的前景。

2   室内精确定位算法

按照无线电波的传播规律，在室内接收无线电信号的路径主要有：直视到达、折射到达、直视与折射共存、不同折射到达。文章通过对不同场景进行论证演算，得到相应的计算公式，并按照实际可能出现的场景对结果进行修正。

随后，阐述“采用LTE芯片解析”以及“读取LTE系统TA”等实现方法的不可操作性及精度不足的缺陷，否定了上述两种方法的可行性。最后阐述并引用具体数据说明并论证本文的“室内精确定位算法”的可行性。

2.1  直视范围算法

在室内分布系统中，安装了许多分布式天线，可获得室内建筑的每层二维图。设某室内分布天线位置为O，在直视范围内测试前的准确位置为A，移动至B（如图1所示）。设L=AB，ΔL=OB-OA，可得到：ΔL=L，推导如下：

但是，这只会出现在道路转折的、在其它方向有信号泄露的极个别点，可以通过下一次的计算，验证上一次的计算结果是否出现大的偏差来修正。

2.3  演算结论

无论直视到达、折射到达、直视与折射共存、不同折射到达的哪种场景，采用L=ΔL=ΔT*C都可得到准确的移动距离，对于特殊场景，可以通过前后结果对比验证修正。

3   室内精确定位算法实现方法

3.1基于解调LTE信号的室内精确定位的精度为9.78 m且不可行LTE最小时间单位为1 Ts，即可测量的时延最小周期为1 Ts。Ts实际为一个FFT采样点的时间长度，子载波间隔为15 000 Hz，OFDM符号长度是1/15 000 s，FFT点数为2 048。

采样间隔=时间/点数=（1/15000）/2048=33 ns     （4）

一般人快速行走的速度小于20 km/h，人移动1 m的时间=60*60/（20*1 000）=0.18 s，远远大于33 ns，因此，人移动1 m可得到不同多次的时间延迟参数。

距离=传播速度（光速）*1Ts         （5）

1Ts对应的距离=3×108×1/（15000×2048）=9.78 m，

故基于解调LTE信号方法的室内精确定位的精度为9.78 m，即在9.78 m范围内的时间延迟都是一样的。

实际上基于此方式的定位方法是不可行的，因为LTE芯片每完成一次FFT采样，就需要完成一次信号时延的测试。接收LTE信号的芯片尚未完成对LTE信号的解调，也不可能完成对LTE信号的时延检测。

3.2  基于UE的TA得到的室内精确定位精度太差

LTE的TA最小时间单位是Ts。按3GPP协议规定，TA调整量以16 Ts为步长。TA调整单位16 Ts=0.520 8 μs。对应距离为=0.5208×3×108×10-6/2=78.12 m。基于UE的TA得到的室内精确定位精度为78.12 m。

基于LTE TA来完成定位的方法存在下面两个问题：

（1）TA的获得需要移动终端与室内分布基站建立连接，TA的数据可能来自于室外基站或另外的天线，导致TA值可能不准确;

（2）TA方式的定位精度太差。

因此，该方案不具备可行性。

3.3  使用纳秒脉冲发生器的定位精度为0.3 m

（1）LTE信号在传输过程中的多径现象

实际LTE信号的传输多径如图3所示，如果只测量LTE信号功率，那么接收机将不需要解调LTE信号，测量时间精度可以得到进一步的提高。

（2）采用高速采样接收机可以满足1 ns的测量周期

罗德与施瓦茨公司的TSMW测量接收机，在不解调任何信号的情况下，采样速率可达22 Msample/s，即每次测量周期已达到45 ns。实际上，在定位测量中对信号的功率准确度要求并不高，因此，在降低ADC的比特位数的情况下测量速度可以进一步加快。接收机在针对此场景优化运算后是完全可以达到1 Sample/1 ns测量速度的。

（3）高速接收机的局限

在实际应用过程中高速接收机存在一个缺陷：自带的晶振无法达到1 ns的精度，通常在5 ns～50 ns范围。因此需要一个高精度时间间隔的脉冲触发器来触发接收机稳定测量，以纳秒级的脉冲触发器时刻为参考，得到精确的时间延时分布，进而得到纳秒精度的不同位置的时间延迟差异。

（4）纳秒脉冲触发器可以达到的精度

如果以LTE的下行帧边界为计算对象，1 ns PPS脉冲发生器触发测量接收机测量A、B两点LTE下行帧边界时间偏移差值的情况如下：

（5）采用纳秒脉冲触发器可能遇到的问题

（6）采用此方案实现的可行性

罗德与施瓦茨用于室外基站定位的方案中，其脉冲触发器的脉冲输出重复周期远大于1 ns。但是通过上文的论述可知：高速接收机的测量速度可以达到1 ns的要求;当今技术水平已可生产纳秒级的脉冲发生器。因此，以1 ns为周期触发采集多径信号，得到精度為1ns的多径信号分布是可行的。

3.4  推论

当移动距离可知，采用“定向天线+罗盘水平仪”（例如采用罗德与施瓦茨公司的FSH+HL300+K40）的方式可以获得准确的移动方向，“距离+角度”即可精确计算出每个移动点的准确位置。

4   结束语

通过证明L=ΔL=ΔT*C公式的正确性，采用纳秒PPS脉冲输出配合接收机检测A、B点LTE下行帧边界最小时间延迟差异，可精确计算出室内移动距离，精确范围理论可达0.3 m。采用“定向天线+罗盘水平仪”获得准确移动方向，通过获得“准确的初始位置+移动方向+移动距离”三要素，即可打破室内分布由于无GPS、北斗等定位信号导致无法精确定位的困境，从而为优化室内分布信号、跟踪人员移动等网络优化、国安行动、无人商店等应用提供高精度定位服务，甚至为将来在无人空间内实现智能机器人控制提供了可能。此算法来自于实践，提炼于思考，希望能对室内精确定位技术提供有益建议。