5G蜂窝室内定位精度提升方法

陈卫丰

（中国联合网络通信有限公司 淮安市分公司，江苏 淮安 223001）

1 蜂窝定位需求分析

在智慧工厂、智慧机场以及智慧医院等场景，对于员工管理、物资管理、风险管理、访客管理等方面有迫切的室内定位需求。某智慧工厂定位需求如表1所示。

表1 某智慧工厂定位需求

2 蜂窝定位技术

2.1 几何定位

几何定位的基本原理就是通过无线信号的强度、时延以及角度等测量信息，计算终端和基站之间的距离方向等。利用已知的基站坐标，建立几何方程进行终端位置计算的方法，目前主要有ECID、TDOA以及AoA等几种定位技术[1]。

2.2 指纹定位

以场强指纹说明指纹定位的基本原理。蜂窝网络中同一个位置点会被多个小区强度不同的信号所覆盖，每个位置点会与多个接收信号强度RSSI形成独特的映射关系，基于场强的指纹定位技术正是利用这种映射关系进行定位的。

3 5G的技术优势

蜂窝定位在2、3、4G的时候，精度往往都比较差，但是5G定位有天然的优势，使得其精度可以大大提升，达到与UWB等高精度定位技术相当的水平。

3.1 大带宽

5G的FR1频宽为100 MHz，FR2频宽为400 MHz，对于TDOA这种基于到达时间的定位方式，信号带宽越大，在时域的时间分辨率就越高，检测到的首径到达时间就越精确[2]。5G相比4G，由于频宽不同，具备5～20倍的定位精度优势。

3.2 多天线

多天线MIMO是5G的关键核心技术之一，除了能够提升通信的能力外，对AOA的测量更加精确，可以进一步提升5G的定位能力。

3.3 高可靠

相比其他无线定位技术，5G定位还有可靠性方面的优势，采用运营商授权频谱，不会被其他无线系统干扰。相比之下，UWB定位虽然可采用500 MHz频宽，但实际上所使用的频谱是与其他无线系统频谱重叠的，可能会被干扰。同时，UWB规范限制了功率谱密度，因而只适合10 m范围内的短距定位应用[3]。

4 5G蜂窝室内定位精度的提升方法

5G定位场景方案所需网络设备初期部署后，需通过一系列工作提升定位的精准度。

4.1 建立坐标系和位置定位

为了说明被定位物体的位置和轨迹等，必须选取坐标系。通常的坐标系有直角坐标系、3D坐标系以及地理坐标系等。应选择与上层应用系统一致的坐标系，室内多采用相对坐标系，如直角坐标系和3D坐标系，室外多采用地理坐标系。3种常见坐标系如图1所示。

图1 3种常见坐标系

选定坐标系后，需要通过使用标定设备获取以下位置信息，一是基站位置和高度，二是测试点的位置（标定时不需考虑高度），位置信息可以利用相应的测量仪器获取。

因室内场景无法基于卫星进行标定，所以可采用相对坐标系，在确定坐标系原点位置后，通过距离测量的方法获得相对坐标（x，y，z）或者（x，y）。测量设备可以采用激光测距仪或更先进的设备。

4.2 测试选点

采用栅格选点法选取测试点，以长为L，宽为W的场地举例，根据需求的定位精度确定栅格大小。当需求Tm定位精度时，栅格长宽应选择2Tm。将L×W的场地划分为多个2T×2T的栅格，选择每个栅格的中心点作为测试点。选点示意如图2所示。

图2 栅格示意图

4.3 测试方法

4.3.1 定点测试（静态测试）

测试人员手持定位终端，将终端依次放置于基于栅格选点法选出来的测试点上，并记录测试点上蜂窝定位的计算结果，每个测试点连续记录100次。

4.3.2 轨迹测试（动态测试）

测试人员手持定位终端，或者将定位终端固定于叉车/AGV等移动设备上，按照规划的轨迹移动，记录整个过程期间蜂窝定位的计算结果。

4.4 定位指标计算方法

4.4.1 定点精度指标

在已经标定的测试点上，基于记录的100次蜂窝定位结果统计所得以下内容。一是将100次定位结果按定位精度进行百分比统计，并绘制累计分布曲线。二是在累计分布曲线上，90%位置的精度为该测试点的定位精度。

基于栅格选点法，某一测试区域会存在N个测试点，每个测试点按照上述统计方法获得的定位精度为定点精度指标。定点指标是中间数据，是整体指标计算的关键输入。

4.4.2 最优点精度指标

由于环境的遮挡会影响定位精度，根据遮挡情况可以分为最优点和一般点。最优点说明如下，一是测试点与基站天线之间不存在遮挡，直达可视（LOS场景），二是至少3个定位基站直达可视，三是采用定点精度指标相同的统计方法，得到最优点精度指标。

最优点的精度一般要优于客户的定位精度需求，可以作为蜂窝定位系统的最优定位精度。一般选取一个最优点，也可选取不同位置多个最优点的精度指标用来展现蜂窝定位系统的最优定位能力。

4.4.3 整体精度指标

整体精度指标用来衡量测试区域蜂窝系统定位精度的可获得性。根据客户需求精度确定门限，如客户要求精度为Tm，则门限设置为Tm。去除定位目标不可能到达的栅格，即这类栅格的定点测试结果不纳入计算。比较剩余栅格的定点精度指标与门限，并统计精度优于或等于门限的点数占比。所得百分比即为蜂窝系统定位精度的可获得性，可以描述为Tm@X%（即X%的测试结果与实际轨迹的偏差小于Tm）。一般X%需要大于90%。

4.4.4 轨迹精度指标

轨迹精度指标用来衡量定位目标在移动时蜂窝定位系统的定位精度，基于Hausdorff距离的相似性度量方法来计算[4]。

轨迹测试执行完成之后，可以得到以下测试结果，包括实际运动轨迹、蜂窝定位结果以及定位结果拟合轨迹，具体如图3所示。

图3 拟合轨迹图

Hausdorff距离就是用来衡量两个点集间的距离，其方法为给定欧式空间中的两点集A={a1,a2,…}，B={b1,b2,…}，求解得：

图4 最大轨迹偏差示意图

统计两个点集间的距离，统计距离偏差小于T的点在整个点集中的占比为：

其表示的是定位结果与实际轨轨迹之间距离小于目标偏差T的概率。通过最大轨迹偏差和目标偏差概率组成轨迹精度指标，用来描述蜂窝定位结果与实际运动轨迹的关系，通过大量反复测试数据提升定位的精度。

5 结 论

高精度定位是5G网络的重点特性，本文描述了5G蜂窝室内定位精度的提升方法，通过循环、大量测试分析计算，提升定位的精度，高精度的定位可以推进5G网络ToB业务的发展，成为运营商ToB业务的有力支撑。