室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試方法研究

1 概述

 

在日常生活中，室外可通過(guò)衛(wèi)星等技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，在室內(nèi)環(huán)境中衛(wèi)星信號(hào)過(guò)弱，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此5G、UWB、藍(lán)牙等室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。室內(nèi)定位技術(shù)在智慧工廠、智慧醫(yī)院等眾多垂直行業(yè)場(chǎng)景均得到應(yīng)用，室內(nèi)定位技術(shù)的市場(chǎng)潛力巨大，是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

 

室內(nèi)定位技術(shù)眾多，不同的定位技術(shù)有其優(yōu)勢(shì)也存在局限性。面向不同的場(chǎng)景選取合適的室內(nèi)定位技術(shù)時(shí)，需要對(duì)不同的室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。目前業(yè)界缺乏室內(nèi)定位系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)的有效手段，對(duì)于定位精度、定位時(shí)延等關(guān)鍵性能指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織及產(chǎn)業(yè)界尚未形成統(tǒng)一的評(píng)測(cè)方法。針對(duì)以上問(wèn)題本文對(duì)測(cè)試環(huán)境、測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試評(píng)估模型等進(jìn)行研究，旨在為不同定位系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供統(tǒng)一的有效的方法，推動(dòng)室內(nèi)定位領(lǐng)域發(fā)展。

 

本文首先分析了室內(nèi)定位系統(tǒng)的架構(gòu)和現(xiàn)有測(cè)試方法的挑戰(zhàn)；其次基于零維、一維、二維、三維及多樓層的多維度測(cè)試環(huán)境建筑構(gòu)型，研究并提出了室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試的方法，包括室內(nèi)定位系統(tǒng)性能評(píng)估模型、系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)和性能測(cè)試指標(biāo)；最后以5G+UWB融合定位系統(tǒng)測(cè)試為例進(jìn)行多維度評(píng)估，驗(yàn)證所提評(píng)估模型的有效性。

 

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)及性能測(cè)試現(xiàn)狀

 

室內(nèi)定位系統(tǒng)的通用架構(gòu)，包括定位服務(wù)器、定位基站、定位終端。定位終端或定位基站發(fā)送和測(cè)量參考信號(hào)，形成測(cè)量結(jié)果并將測(cè)量結(jié)果上報(bào)至定位服務(wù)器，定位服務(wù)器根據(jù)測(cè)量結(jié)果和基站位置計(jì)算終端精確位置，并基于此提供豐富的位置服務(wù)。

 

目前眾多室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試方法大多各自為戰(zhàn)，缺乏適用于多種定位技術(shù)的多維度室內(nèi)定位系統(tǒng)測(cè)試方案，主要面臨如下挑戰(zhàn)：

 

首先，缺乏多維度的統(tǒng)一的室內(nèi)定位系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位測(cè)試方法通常采用定點(diǎn)測(cè)試和移動(dòng)測(cè)試，然而在不同的測(cè)試點(diǎn)定位性能可能存在較大差異，缺乏多維度的統(tǒng)一的測(cè)試環(huán)境。

 

其次，統(tǒng)一的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用參數(shù)設(shè)置影響系統(tǒng)性能。不同定位技術(shù)的定位原理不同，不同定位系統(tǒng)基于自身技術(shù)特點(diǎn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)定，以平衡精度、容量、時(shí)延、功耗等性能的綜合表現(xiàn)。現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)測(cè)試方法設(shè)置統(tǒng)一的基站部署間距、基站設(shè)備數(shù)量、發(fā)射功率等系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用參數(shù)，該種方式有可能改動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)，破壞室內(nèi)定位系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象的獨(dú)立性和完整性。

 

最后，室內(nèi)定位系統(tǒng)性能缺乏多維度的評(píng)測(cè)體系?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位測(cè)試評(píng)價(jià)維度主要包括定位時(shí)延和定位精度等，然而在具體的應(yīng)用中，不同定位業(yè)務(wù)要求更多的定位性能指標(biāo)，不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景性能指標(biāo)的要求也具有差異性。定位性能指標(biāo)如定位精度、定位時(shí)延、并發(fā)容量、同步性能、功耗性能、射頻性能等。目前的方案缺乏多維度的定位系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)體系。

 

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試方法

 

不同行業(yè)、不同業(yè)務(wù)的定位環(huán)境不同，對(duì)于定位的精度、時(shí)延、終端功耗和成本等指標(biāo)需求差異巨大，面對(duì)垂直行業(yè)差異化的室內(nèi)定位性能需求，亟需形成統(tǒng)一的室內(nèi)定位測(cè)試評(píng)估環(huán)境、建立完善的定位性能測(cè)試和評(píng)估體系，通過(guò)全面的定位性能測(cè)試實(shí)現(xiàn)不同定位系統(tǒng)性能的對(duì)比，本章分別對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境、性能測(cè)試方法進(jìn)行分析研究，解決現(xiàn)階段不同室內(nèi)定位系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行性能對(duì)比的問(wèn)題。

 

3.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

 

對(duì)不同行業(yè)定位需求場(chǎng)景進(jìn)行分類總結(jié)，室內(nèi)定位測(cè)試環(huán)境可歸納為零維測(cè)試環(huán)境、一維測(cè)試環(huán)境、二維測(cè)試環(huán)境、三維測(cè)試環(huán)境及多樓層測(cè)試環(huán)境。

 

5G+UWB融合定位系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

 

零維測(cè)試環(huán)境：至少3個(gè)相鄰的小型房間，每個(gè)房間測(cè)試點(diǎn)包括測(cè)試區(qū)域柵格中的測(cè)試點(diǎn)和房間的四角、左右側(cè)面墻壁中間位置等；

 

一維測(cè)試環(huán)境：直線型區(qū)域選擇一組固定間隔的測(cè)試點(diǎn)；

 

二維測(cè)試環(huán)境：選取大型房間作為測(cè)試區(qū)域，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)劃分柵格，在每個(gè)柵格中間選定測(cè)試點(diǎn)。在房間內(nèi)設(shè)置立柱等遮擋創(chuàng)造有遮擋環(huán)境；

 

三維測(cè)試環(huán)境：選取大型房間作為測(cè)試區(qū)域，高度在Ｈ米以上，選擇房間四個(gè)角落及房間中心位置作為測(cè)試點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上每隔ｈ米高度取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)（H＞h）；

 

多樓層定位測(cè)試環(huán)境：至少A個(gè)相鄰的樓層（A為整數(shù)），并且為了使測(cè)試具有典型性，建議選取中庭空間形式。按照固定間隔選取測(cè)試點(diǎn)。

 

3.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)多維度性能評(píng)估

 

（1）室內(nèi)定位系統(tǒng)多維度性能評(píng)估模型

 

垂直行業(yè)定位場(chǎng)景對(duì)定位系統(tǒng)的性能需求具有多維度、差異化的特點(diǎn)，除了對(duì)定位精度、定位時(shí)延等性能指標(biāo)有需求外，對(duì)定位基站數(shù)目、站間距等系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)也有差異化的需求，不同定位業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)級(jí)參數(shù)、性能指標(biāo)的關(guān)注也有不同的側(cè)重。本文提出一種室內(nèi)定位系統(tǒng)評(píng)估模型，將系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)納人系統(tǒng)性能評(píng)估，實(shí)現(xiàn)多維度的定位系統(tǒng)性能的綜合評(píng)估。

 

（2）室內(nèi)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)

 

考慮到生產(chǎn)環(huán)境以及商業(yè)利益等實(shí)際落地方面的要求，垂直行業(yè)關(guān)注定位系統(tǒng)中與成本、功耗等相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)，主要包括基站部署間距及數(shù)量、基站及終端成本、基站及終端發(fā)射功率、標(biāo)簽刷新率（即終端發(fā)送定位信號(hào)的頻率）等。由于定位標(biāo)簽刷新率對(duì)定位精度、容量、并發(fā)等定位性能有較大影響且互相制約，如提高刷新率有助于提升定位精度，但是會(huì)造成系統(tǒng)并發(fā)性能下降，因此以典型標(biāo)簽刷新率1 Hz對(duì)終端進(jìn)行配置。本文聚焦于影響系統(tǒng)性能的配置參數(shù)，選取基站部署間距為典型參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，其他系統(tǒng)級(jí)參數(shù)將在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。

 

為了在性能對(duì)比測(cè)試中保證不同定位系統(tǒng)的獨(dú)立性和完整性，系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)允許待測(cè)定位系統(tǒng)在典型值范圍內(nèi)自由配置，但是確定后不允許在后續(xù)性能測(cè)試中更改。

 

（3）室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能測(cè)試評(píng)分

 

室內(nèi)定位系統(tǒng)性能包括定位精度、定位時(shí)延、并發(fā)容量、組網(wǎng)性能、可用性等。不同性能評(píng)估方法如下

 

①定位精度測(cè)試：對(duì)零維、一維、二維、寫維、多樓層測(cè)試環(huán)境下的定位精度性能進(jìn)行分級(jí)。零維測(cè)試環(huán)境下按照測(cè)試點(diǎn)67%的定位誤差是否可以定位到對(duì)應(yīng)的房間進(jìn)行劃分，當(dāng)全部測(cè)試點(diǎn)均可定位準(zhǔn)確則評(píng)定為2分，測(cè)試區(qū)四角或貼近墻壁區(qū)域定位不準(zhǔn)確評(píng)定為1分，若均不能定位準(zhǔn)確評(píng)定為0分。一維、二維、罵維及多樓層測(cè)試環(huán)境下根據(jù)水平、垂直方向的定位誤差指標(biāo)對(duì)定位精度進(jìn)行分級(jí)。

 

②定位時(shí)延測(cè)試：在動(dòng)態(tài)定位條件下測(cè)試，記錄終端到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間與定位服務(wù)器顯示終端位置信息的時(shí)間，計(jì)算定位時(shí)延。

 

③對(duì)并發(fā)容量、組網(wǎng)性能、可用性等測(cè)試并分級(jí)，得到不同性能評(píng)分。

 

4 定位系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)估實(shí)例

 

本章以5G+UWB融合定位系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了定位系統(tǒng)性能測(cè)試方法的可行性。系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)如圖3所示，其中藍(lán)色點(diǎn)位為UWB基站位置，UWB基站級(jí)聯(lián)在5G基站的POE口，由5G通信網(wǎng)為UWB基站供電并提供定位數(shù)據(jù)傳輸資源。基于3.1節(jié)測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)方法構(gòu)建零維、一維、二維的測(cè)試環(huán)境；其中零維定位的會(huì)議室和倉(cāng)庫(kù)分別部署1個(gè)定位基站，一維定位走廊部署2個(gè)，二維定位辦公區(qū)部署4個(gè)，所有的定位基站完成從會(huì)議室/倉(cāng)庫(kù)、走廊和辦公區(qū)的連續(xù)性定位覆蓋。由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地因素，測(cè)試基站部署間距按照12m進(jìn)行部署，設(shè)備發(fā)射功率符合無(wú)委會(huì)對(duì)UWB的發(fā)射功率要求，終端標(biāo)簽刷新率1 Hz。基站部署站間距為12m，相同基站數(shù)下覆蓋面積是典型站間距（20m）覆蓋面積的0.36倍，因此假設(shè)評(píng)分為0.36，其余參數(shù)均符合典型值，假設(shè)評(píng)分為1。

 

本次測(cè)試中對(duì)定位系統(tǒng)的定位精度、定位時(shí)延、并發(fā)性能進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于定位精度測(cè)試，在零維、一維、二維測(cè)試環(huán)境下每個(gè)測(cè)試點(diǎn)位分別采集100個(gè)位置數(shù)據(jù)。定位時(shí)延分別在一維、二維測(cè)試環(huán)境下測(cè)試，標(biāo)簽設(shè)置1 Hz。對(duì)于并發(fā)性能測(cè)試，300個(gè)標(biāo)簽有較高的定位精度（定位精度在0.3m左右），通訊成功率較高（丟點(diǎn)率不高于5%）。

 

假設(shè)某垂直行業(yè)定位業(yè)務(wù)僅包括二維定位場(chǎng)景，且對(duì)定位精度、定位時(shí)延、并發(fā)性能的參數(shù)權(quán)重分別設(shè)置為0.6、0.1、0.1，系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用參數(shù)基站部署間距權(quán)重為0.2，則根據(jù)4.2節(jié)所述性能評(píng)估模型對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，5G+UWB融合定位系統(tǒng)性能綜合性能評(píng)分為3.372分。

 

5G+UWB融合定位系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果

 

5 結(jié)束語(yǔ)

 

本文針對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試方法進(jìn)行研究，提出了統(tǒng)一的室內(nèi)定位系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法和評(píng)估模型。室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試面臨定位技術(shù)眾多、測(cè)試環(huán)境眾多、評(píng)價(jià)方法多樣的挑戰(zhàn)；面向垂直行業(yè)中的實(shí)際室內(nèi)定位場(chǎng)景，定義了零維、一維、二維、三維及多樓層測(cè)試環(huán)境，以室內(nèi)定位系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象完成定位精度、定位時(shí)延等性能指標(biāo)的測(cè)試與分級(jí)，將系統(tǒng)級(jí)配置參數(shù)和性能指標(biāo)作為評(píng)價(jià)室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)，基于多維度性能評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)差異化系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用參數(shù)條件下的性能評(píng)估；最后以5G+UWB融合定位系統(tǒng)為例驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性。本文提出的測(cè)試方法在測(cè)試評(píng)價(jià)過(guò)程維持了定位系統(tǒng)的獨(dú)立性和完整性，為業(yè)界室內(nèi)定位系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估提供理論和實(shí)踐依據(jù)，推動(dòng)室內(nèi)定位領(lǐng)域發(fā)展壯大。

 

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