基于5G小基站的室内定位技术与应用研究_封静娴.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第4期5G Vertical Industry Application5G垂直行业应用基于 5G 小基站的室内定位技术与应用研究封静娴，杨涛（中国电信研究院，北京 102209）摘 要：高精度室内定位技术与小基站通信网络结合能够有效降低室内定位的部署及运维成本，为各类定位应用场景提供了重要解决方案。首先归纳对比了常用定位技术，进一步分析了不同定位技术在小基站应用的可行性；然后，提出了基于 5G 小基站的室内定位方案，并对其架构进行了具体阐述，该方案具备传输网络易扩展、传输路径灵活化、定位接口开放化的优势；最后，给出了基于本方案选定的两种定位技术的应用场景及定位流程。结果表明，基于小基站的室内定位方案能够满足消费者领域及更加广泛的垂直行业的定位需求，具有重大意义及应用前景。关键词：5G；室内定位；小基站中图分类号：TN929.5 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223311中文引用格式：封静娴，杨涛.基于 5G 小基站的室内定位技术与应用研究J.电子技术应用，2023，49(4)：11-15.英文引用格式：Feng Jingxian，Yang Tao.Research and system design of indoor positioning scheme based on 5G small cellJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：11-15.Research and system design of indoor positioning scheme based on 5G small cellFeng Jingxian，Yang Tao(China Telecom Research Institute，Beijing 102209，China)Abstract：The combination of high-precision indoor positioning technology and small cell communication network can effectively reduce the cost of deployment and operation and maintenance,and provide important solutions for various positioning application scenarios.Firstly,the common positioning technologies were summarized and compared,and the feasibility of different positioning technologies in small cells was further analyzed.Then,an indoor positioning scheme based on small cells was proposed,and its architecture was described in detail.The scheme had the advantages of easy expansion of transmission network,flexible transmission path and open positioning interface.Finally,the application scenarios and positioning processes of the two positioning technologies selected based on this scheme were presented.The results show that the indoor positioning scheme based on small cells can meet the positioning needs of the consumers and a wider range of vertical industries,which has great significance and application prospects.Key words：5G；indoor positioning；small cells0 引言室内定位技术目的是获取室内设备或用户的位置信息，由于信号遮挡等原因，卫星定位已无法满足人们对室内位置信息的需求，因此涌现出了多种室内定位技术，常见的有 Wi-Fi、蓝牙、UWB、5G 定位等，但目前室内定位领域仍有许多问题亟待解决1。如需要对传输网络进行规划部署及后期运维，投入较大；室内定位技术百花齐放，但不同厂商兼容性不高，缺乏统一规范体系2。面对这些挑战，将室内定位网络与通信网络结合能够有效解决这些问题。随着移动通信网络的发展，5G 从消费者领域逐渐向更加广泛的垂直行业发展，部署成本低、灵活性强的 5G小基站已成为室内覆盖问题的主要解决方案3。借助通信网优势，室内定位信息可以复用 5G 小基站通信网络实现定位数据的汇聚、融合及传输，避免定位网络的重复部署4；通过规范定位设备与通信网的接口，促进室内定位产业健康有序发展。将室内定位技术与小基站通信网络相结合，具有天然优势，两者互相促进，共同推动产业界蓬勃发展。本文首先介绍并对比了常用定位技术，然后讨论了不同定位技术在小基站通信网络应用的可行性；接着，提出了基于小基站通信网的室内定位方案，对其网络架115G Vertical Industry Application5G垂直行业应用www.ChinaAET.com构进行了具体分析，并从易扩展的传输网络、灵活的传输路径、开放的定位接口三方面对该方案的优势进行了具体阐述；最后给出了两种定位技术的典型应用场景及定位流程。1 室内定位技术图 1 所示为室内定位四级架构，由定位标签、定位基站、传输网络及计算应用平台组成。其中，传输网络的选择至关重要，决定了部署、运维成本以及定位系统的规模，且传输网络需要对应选取合适的定位技术，下面对定位技术进行具体介绍，并对不同技术在 5G 小基站通信网的适用性进行分析。1.1 室内定位技术对比根据定位精度、定位方法、定位技术的优缺点及应用场景对常用定位技术进行对比分析，如表 1 所示。Wi-Fi 定位一般采用指纹定位算法5，其定位精度取决于基准点密度，一般为 510 m。基于蓝牙 4.0 规范的低功耗蓝牙具有体积小、成本低、功耗低的特点,多采用基于RSSI 的定位算法6，定位精度一般为米级；蓝牙协议 5.1版本加入了高精度方向定位功能，其定位精度可达厘米级别7。UWB 定位具有时间分辨率高、空间穿透力强的特点8，精度能达到厘米级。5G 定位通过对参考信号进行测量来估算距离，并采用多种算法对移动终端位置进行估算9。1.2 室内定位技术在 5G 小基站的适用情况分析Wi-Fi 通过宽带接入到 Internet 网络，无法复用无线通信接入网，对于基于小基站网络的定位场景不适用。5G 定位的精度与射频单元的部署密度密切相关，但 5G部署以覆盖为主，定位精度无法保证，而提高部署密度势必造成成本浪费，因此需要达到成本与定位精度的平衡。此外，对于小基站而言，为了降低前传带宽，会对业务数据进行射频合并，合并后的数据不具备位置属性，因此在小基站上实现 5G 定位需要特定切分方式的基站设备。蓝牙、UWB 对基于小基站通信网络的定位较为适用，由于目前定位数据量较小，带宽占用可忽略，且定位数据一般放在前传接口的控制管理通道中，不会对定位数据进行合并。小基站可以为蓝牙及 UWB 设备提供供电等资源，还可以对不同产品的接口进行规范，且两种定位技术分别应用于对定位精度要求有差异的消费者行业及工业场景，因此能够满足大部分应用场景需求。2 5G 小基站室内定位方案小基站室内定位方案2.1 方案架构小基站室内定位解决方案主要由定位标签、定位基站、5G 小基站通信网络、定位服务器、应用平台组成，其方案架构如图 2 所示。2.1.1 定位设备定位设备指的是定位基站和定位标签，基于定位技术在小基站适用情况的分析，采用 UWB 及蓝牙作为定位基站。本方案中通信网络与定位设备间接口为定位接口，硬件部分，通过 PoE 网线方式对定位基站供电；软件部分，在定位基站增加格式转化模块，达到对数据格式规范的目的。通过对接口的统一设计，避免在不同应图 1室内定位系统架构表 1室内定位技术对比定位技术Wi-Fi蓝牙 4.0蓝牙 5.1UWB5G 定位定位精度米级米级厘米级厘米级米级定位算法指纹RSSIAoAToA/TDoA信号测量优点易安装成本低精度高精度高、抗多径无需专用定位设备缺点精度低、安全性差精度低、稳定性差稳定性差成本高基站部署要求高应用场景用于消费者定位场景用于消费者定位场景用于消费者定位场景用于工业场景用于消费者定位场景图 2基于小基站通信网络的室内定位方案架构125G Vertical Industry Application5G垂直行业应用电子技术应用 2023年 第49卷 第4期用场景替换不同定位设备时对硬件或软件的更改。2.1.2 传输网络本方案采用 5G 小基站通信网络进行传输。小基站采用三级架构，由基带单元 BBU、扩展单元 HUB、拉远单元 pRRU 组成，BBU 部署在远端机房，扩展单元部署在弱电井，pRRU 采用吸顶方式部署在室内，小基站的扩展型架构及灵活的部署方式为室内定位提供了有利条件，定位基站与 pRRU 部署比例可根据应用场景的精度具体测算10，达到定位精度与成本的最佳平衡。2.1.3 定位服务器定位服务器是定位系统的核心部分，完成位置计算、路径规划等功能，是应用平台和定位设备的通信枢纽。本方案定位服务器由数据库、算法模块、消息收发模块、数据处理模块、位置估计模块及路径规划模块构成，下面对各模块功能进行具体介绍。（1）算法模块该模块主要实现数据预处理算法、定位算法和路径优化算法。由于传感器测得数据存在噪声和误差11，因此通过数据预处理算法对初始数据进行优化处理；由于基本的三边定位算法往往得到的是一个位置区域，因此需要结合其他定位算法对位置进行精准估计；路径优化算法在导航时为运动标签规划最优路径。独立的算法模块可供其他模块调用，且为算法优化、算法融合留出了空间，具备可扩展性。（2）数据库数据库主要用于存储历史定位数据及地图数据，以满足定位、导航、历史轨迹查询等功能需求。存储的数据主要包括：参考点坐标数据表、定位标签测量结果数据表、定位标签位置数据表及地图数据表。参考点坐标数据表存储已知参考点位置信息，在位置计算时调用；定位标签测量结果数据表存储经过预处理后的测量数据；定位标签位置数据表存储经过计算后的标签位置，供应用平台调用，是路径预测模块的数据来源；地图数据表用来存储定位区域典型坐标点位置，供导航及路径规划时调用。（3）消息收发模块该模块负责控制消息及定位数据的上下行接收及发送。一方面，定位服务器要与应用平台进行交互，获取平台侧定位请求指令、历史信息查看指令，并向平台侧发送实时位置信息、历史轨迹数据等；另一方面，定位服务器与定位设备进行交互，向定位设备下发控制消息、导航路径，并接收定位设备的响应消息、实时定位数据等。（4）数据处理模块该模块负责对定位数据包进行解析，提取关键信息(如标签标识、时间戳信息、测量信息等)，并将数据存储在数据库中，经过预处理后的数据能够降低数据存储量并方便其他模块调用。（5）位置估计模块模块将处理后的测量数据以及参考点位置信息作为数据输入，调用算法模块，对标签位置进行计算，计算后的标签位置信息存储在数据库中，供应用平台显示并进行位置的实时刷新。（6）路径规划模块该模块目的是实现运动标签的最优路径规划。模块需要调用数据库中已存储的地图数据以及算法模块的路径优化算法，并根据标签的