劉銘 李聽聽 陳劉偉 程博

【摘要】? ? 衛(wèi)星定位受限于衛(wèi)星信號室內(nèi)覆蓋能力弱，一般在室內(nèi)環(huán)境下無法工作。而基于運(yùn)營商移動通信網(wǎng)絡(luò)基站的定位技術(shù)以及基于WiFi的無線定位技術(shù)精度一般較低，通常為3-10米。這樣的定位精度對于一些室內(nèi)應(yīng)用如5G賦能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景還遠(yuǎn)不夠，需將室內(nèi)無線定位精準(zhǔn)度提升至分米級、厘米級。本文分析和對比了現(xiàn)有室內(nèi)定位方案，提出5G NR高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案?；谌斯ぶ悄軐?shí)現(xiàn)室內(nèi)復(fù)雜時變環(huán)境下實(shí)時無線信道估計(jì)，為實(shí)時定位提供基礎(chǔ)支撐，利用5G NR OFDM波形特征降低室內(nèi)多徑對定位精度的干擾，最后，采用時間反演理論完成時空聚焦，可支持室內(nèi)多目標(biāo)厘米級高精度室內(nèi)實(shí)時定位。

【關(guān)鍵詞】? ? 室內(nèi)定位? ? 5G NR? ? 高精度? ? 人工智能? ? 時間反演

Design of the 5G NR high precision indoor positioning system

Liu Ming，Li Tingting， Chen Liuwei*

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， GuangZhou 510310， China）

Abstract：Subjected to the weak coverage ability， Satellite positioning is not available indoors. The positioning technology based on base station of operators and WiFi has low accuracy， which is 3-10m. Such positioning accuracy is not enough for some indoor applications such as 5G enabled industrial Internet of things and other application scenarios， and it needs to be further improved to centimeter level. This paper analyzes and compares the existing indoor positioning schemes， and puts forward the design scheme of the 5G NR high-precision positioning system. Based on artificial intelligence， real-time wireless channel estimation in indoor complex time-varying environment is realized to provide basic support for real-time positioning. The characteristics of the 5G NR OFDM waveform is used to reduce the interference of indoor multipath on positioning accuracy. Finally， time inversion theory is used to complete space-time focusing， which can support indoor multi-target centimeter level high-precision real-time indoor positioning.

Key words：Indoor positioning; 5G NR; high-precision; artificial intelligence; time reversal.

引言：

5G時代帶來的萬物互聯(lián)需求對室內(nèi)定位的市場需求將起到極大的推動作用，5G時代將是以室內(nèi)定位技術(shù)為基礎(chǔ)的位置服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)在市場挑戰(zhàn)下取得突破的重要機(jī)遇。5G可以獲得手機(jī)和基站之間的信號傳輸時間以及手機(jī)相對基站的方位。從精度方面來說，5G的大帶寬特性正好彌補(bǔ)了藍(lán)牙等現(xiàn)有窄帶定位技術(shù)在高定位精度的空白。隨著5G+建設(shè)的不斷深入，新的場景對定位精度和實(shí)時性要求更高，對新的亞米級更高精度室內(nèi)定位技術(shù)需求愈發(fā)迫切。在智慧城市、智能制造等5G落地應(yīng)用過程中，室內(nèi)高精度定位技術(shù)將扮演越來越重要的角色。

一、室內(nèi)定位技術(shù)概述

1.1 室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展

上世紀(jì)90年代，美國AT&T研究室提出了基于紅外的室內(nèi)定位系統(tǒng)—Active Badge，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下驗(yàn)證了室內(nèi)定位的可行性，但受限于紅外的傳輸機(jī)理，存在定位距離較近，定位角度小等問題。隨后，微軟公司采用微波開展了無線電定位的試驗(yàn)研究，利用射頻信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，室內(nèi)定位技術(shù)快速發(fā)展。加利福尼亞大學(xué)綜合考慮了達(dá)時間與射頻信號強(qiáng)度，利用兩維信息實(shí)現(xiàn)定位。2006年，北京航空航天大學(xué)利用設(shè)計(jì)了新的Weyes定位系統(tǒng)，大大提升了定位精度。2011年，北京郵電大學(xué)提出了TC-OFDM系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)3米的水平定位精度。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，蘋果公司于2013年推出了基于藍(lán)牙4.0的iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展了無線室內(nèi)定位的應(yīng)用。近年來，隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，基于無線電的室內(nèi)定位技術(shù)已逐漸成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1][2]。隨著通信技術(shù)的演進(jìn)和用戶行為習(xí)慣的改變，室內(nèi)成為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量新的增長點(diǎn)，機(jī)構(gòu)預(yù)測，5G時代室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將承載全部業(yè)務(wù)量的80%以上。未來，無線室內(nèi)定位技術(shù)將成為運(yùn)營商的核心競爭力，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)且豐富的移動網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)對比

1.超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術(shù)

UWB無線定位技術(shù)可提供相對精準(zhǔn)的定位精度，具有功耗低、抗多徑效果好等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于其傳輸帶寬大，傳輸速率上限可達(dá) 1Gbps。但存在建設(shè)成本高，復(fù)雜度高等問題。

2.射頻識別（RFID）技術(shù)

RFID技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，使用無線電激活無線標(biāo)簽，完成近距離的信息交互。RFID的覆蓋距離一般較近，從幾厘米到十幾米[4][5]。其典型應(yīng)用主要基于人員考勤系統(tǒng)的拓展， RFID 主要用來對區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行辨識，僅能粗粒度的定位人員位置，無法支持人員移動的實(shí)時跟蹤，此外，RFID定位技術(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)體系支撐。

3. WI-FI 技術(shù)

Wi-Fi 定位一般通過局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)部署無線接入節(jié)點(diǎn)，檢測被定位 Wi-Fi 設(shè)備的電磁信號特征，結(jié)合無線接入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定被定位 Wi-Fi 設(shè)備的位置坐標(biāo)[6]。Wi-Fi 定位技術(shù)可基于現(xiàn)有無線設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)定位功能。Wi-Fi 定位精度低于UWB定位技術(shù)，由于基于標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò)，其安全性較差。

4.藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

其具體定位原理是基于RSSI信號強(qiáng)度定位，首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)藍(lán)牙信標(biāo)，由 Beacon 發(fā)射信號，藍(lán)牙設(shè)備接收信號并反饋，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入范圍內(nèi)時，估算系統(tǒng)中各藍(lán)牙設(shè)備之間的距離。通過這種技術(shù)，定位系統(tǒng)在確定特定設(shè)備的位置時，精確度可達(dá)到米級[7]。藍(lán)牙定位技術(shù)存在的主要問題包括：穩(wěn)定性低，藍(lán)牙設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下易受到干擾，此外，藍(lán)牙設(shè)備受限于功耗，其覆蓋范圍小。

5. 超聲波室內(nèi)定位技術(shù)

超聲波定位通常采用反射測距法。系統(tǒng)一般包含主測距器和電子標(biāo)簽，主測距器通常位于移動載體上，而各電子標(biāo)簽則固定布置于室內(nèi)[8]。超聲波定位步驟如下：首先，各個電子標(biāo)簽接收來自上位機(jī)的同頻信號，再將同頻信號反射傳輸給主測距器，根據(jù)到達(dá)時間、信號能量等維度的信息可以獲得主測距器與各電子標(biāo)簽的間距，通過計(jì)算得到定位坐標(biāo)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

隨著通信技術(shù)的演進(jìn)和用戶行為習(xí)慣的改變，室內(nèi)成為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量新的增長點(diǎn)，研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，5G時代室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將承載全部業(yè)務(wù)量的80%以上。在5G時代，如何為用戶提供增量、優(yōu)質(zhì)、豐富的移動應(yīng)用，將成為運(yùn)營商重點(diǎn)關(guān)注的問題[1]。

伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，業(yè)務(wù)種類持續(xù)增加，行業(yè)邊界不斷擴(kuò)展，如何與行業(yè)伙伴合作，為移動用戶提供更便捷豐富的線上應(yīng)用是運(yùn)營商面臨的重要議題。人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，促使基于位置服務(wù)（LBS）的行業(yè)應(yīng)用，如室內(nèi)導(dǎo)航、智慧商業(yè)、智能停車、智能辦公、智慧倉儲等增值業(yè)務(wù)需求迅速增長。融合運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位技術(shù)以及智能網(wǎng)絡(luò)管理的室內(nèi)綜合應(yīng)用，將允許運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)提供更豐富的優(yōu)質(zhì)增值服務(wù)。

在個人消費(fèi)領(lǐng)域，個人用戶對于個性化服務(wù)的需求，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展不斷提升，室內(nèi)定位技術(shù)可以助力大型商業(yè)區(qū)為用戶提供多樣化的移動服務(wù)，包含實(shí)時導(dǎo)引、個性化營銷推廣等。不僅為用戶帶來便利，同時也進(jìn)一步挖掘商業(yè)區(qū)的營銷潛力，提升商業(yè)效益。

在公共服務(wù)領(lǐng)域，定位技術(shù)可進(jìn)一步賦能智慧交通應(yīng)用場景，在停車場、交通樞紐等場所為用戶提供定位導(dǎo)航和線路規(guī)劃，精確引導(dǎo)車輛、人群，提升運(yùn)營效率，保障運(yùn)營安全。在醫(yī)院、醫(yī)療中心等場所，室內(nèi)定位可進(jìn)一步提升醫(yī)療區(qū)域病患精準(zhǔn)管理與導(dǎo)引。同時，定位與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備定位，便于醫(yī)療設(shè)備管理及調(diào)配。在應(yīng)急救援領(lǐng)域，基于建筑物內(nèi)人員、設(shè)備的位置信息，安排救援路線，調(diào)度救援物資，提升救援效率。

在工業(yè)制造領(lǐng)域，將位置信息和控制技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)倉儲智能管理、全過程追溯、自動化運(yùn)輸、加工、巡檢等，加快工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，有利于降本增效。在部分場景下，支持人員位置實(shí)時定位跟蹤和操作流程追溯，降低生產(chǎn)事故發(fā)生概率。室內(nèi)定位在商超、電力、制造、物流、醫(yī)療等大多數(shù)行業(yè)均有良好市場前景。預(yù)計(jì)至2022年，室內(nèi)定位的總市場規(guī)模將超過400億美元。

三、時空聚焦原理及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 時空聚焦

首先，為了實(shí)現(xiàn)時空聚焦，我們引入時間反演（time reversal）理論。時間反演是運(yùn)動的反演，通過時間反演信號處理技術(shù)，在時域上將來自目標(biāo)反射回波的信號進(jìn)行反轉(zhuǎn)，得到時間反演信號，再將其發(fā)射至目標(biāo)所在的區(qū)域，類似無線信號“先入后出”[9]。反演電磁波經(jīng)過信號處理重發(fā)后，由于反演電磁波回傳的無線信道環(huán)境與實(shí)際接收回波經(jīng)歷的無線信道環(huán)境一致，因此，電磁信號將在目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)能量聚焦。時間反演技術(shù)除了具備抗多徑特點(diǎn)外，還支持時空同步的能量焦距，也就是時間反演技術(shù)所具有的時空聚焦特性。

在時域上，基于數(shù)字信號處理技術(shù)對無線電信號直接采樣，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。隨后，在頻域完成時間反演信號處理，將反演后的數(shù)字信號送入DA轉(zhuǎn)換器，得到時間反演射頻信號，經(jīng)功放、天線發(fā)射。在頻域上，時間反演的數(shù)字信號處理步驟如下：

1.首先，通過傅里葉變換（FT）將信號 f（t）由時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號;

2.然后，在各頻率分量上進(jìn)行相位共軛變換，實(shí)現(xiàn)時域信號的時間反演轉(zhuǎn)換;

3.最后，通過逆傅里葉變換（IFT）將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域信號，最終得到時間反演信號 f（-t）。

3.2 5G NR高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)直接利用5G接入網(wǎng)的基站，對用戶終端進(jìn)行室內(nèi)定位，如圖2所示，共分三個階段實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位：

1.當(dāng)5G接入網(wǎng)的某個終端需要發(fā)起定位服務(wù)后，5G NR基站首先向終端發(fā)送一個脈沖信號。這被稱為信道探測階段;

2.終端對從5G NR基站接收的波形進(jìn)行時間反演（如果信號為復(fù)數(shù)，則進(jìn)行共軛），并使用波形的時間反轉(zhuǎn)版本將信息發(fā)送回5G NR基站;

3.再次發(fā)射的TR信號將沿入射路徑折返，在預(yù)定位置形成信號的構(gòu)造和，從而導(dǎo)致信號功率在空間分布中出現(xiàn)峰值。

在室內(nèi)環(huán)境下，電磁波傳輸會存在多徑。終端在不同位置接收到的來自5G NR 基站的波形經(jīng)歷不同的反射路徑和延遲，多徑配置對于每個位置都是唯一的。通過利用這個獨(dú)特的位置特定的多徑配置，5G NR基站可以在預(yù)定的位置產(chǎn)生空間聚焦效果，即接收到的信號在預(yù)定的位置相干地相加，但在任何非預(yù)定的位置不相干地相加。

3.3 基于大數(shù)據(jù)和人工智能的室內(nèi)定位算法模型

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)，將室內(nèi)定位問題構(gòu)建成一個匹配識別問題，即在信道脈沖響應(yīng)的數(shù)字空間中匹配識別終端位置。因此，將室內(nèi)定位算法分為兩個階段：

第一階段是離線訓(xùn)練階段，建立一個信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，將物理地理位置映射到信道脈沖響應(yīng)空間的邏輯位置;

第二階段是在線定位階段，將待定位終端的信道脈沖響應(yīng)與信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，識別終端位置。

1.離線訓(xùn)練階段

考慮5G NR波形基于OFDM調(diào)制，在OFDM系統(tǒng)中存在大量的分區(qū)信道，信道狀態(tài)信息為定位提供了豐富的信息。在豐富的散射室內(nèi)多徑環(huán)境中，信道脈沖響應(yīng)是特定于位置的，并且對于每個位置都是唯一的，即每個信道脈沖響應(yīng)對應(yīng)于一個物理地理位置。利用這種獨(dú)特的特定位置的信道脈沖響應(yīng)，通過將信道脈沖響應(yīng)與地理空間位置相匹配來定位終端。

構(gòu)建信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，對室內(nèi)空間內(nèi)地理位置的信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行連續(xù)采樣，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中完成離線訓(xùn)練。離線訓(xùn)練階段建立的數(shù)據(jù)庫，具體來說，對于每個預(yù)定位置，收集信道脈沖響應(yīng)的信息如下：

Hi={hi（t=t0），hi（t=t1），...，hi（t=tN）}（1）

其中hi（t = tl）表示位置pi在時間tl時估計(jì)的CIR信息。

2.在線定位階段

基于第一步構(gòu)建的信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫和訓(xùn)練后的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將估計(jì)的終端的信道脈沖響應(yīng)與信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，完成終端定位。由時間反演原理可知，在數(shù)據(jù)庫中把時間反演的信道脈沖響應(yīng)和實(shí)際信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積時，只有在預(yù)定的位置才會產(chǎn)生峰值，對于預(yù)定位置以外的位置，沒有聚焦效果[10]。因此引入時間反演共振強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)處理。

兩個信道脈沖響應(yīng)h1=[h1[0]，h1[1]，…，h1[L-1]]和h2=[h2[0]，h2[1]，…，h2[L-1]]之間的時間反演共振強(qiáng)度η（h1，h2）如下：

（2）

其中，g2=[g2[0]，g2[1]，…，g2[L-1]]為h2的時間反轉(zhuǎn)共軛形式，且

（3）

記為估計(jì)的待定位終端的信道脈沖響應(yīng)，為了使與數(shù)據(jù)庫中的邏輯位置相匹配，首先使用每個位置的時間反演共振強(qiáng)度來提取特征。

具體來說，對于每個位置，計(jì)算最大TR共振強(qiáng)度ηi如下：

（4）

那么估計(jì)的位置簡單地說就是能給出最大ηi的位置，即

（5）

四、性能指標(biāo)對比

較為常見的室內(nèi)定位技術(shù)包括：基于UWB的室內(nèi)定位技、基于Wi-Fi的室內(nèi)定位技術(shù)、基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)等。與現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)相比，本文所提出的5G-NR高精度室內(nèi)實(shí)時定位技術(shù)在定位精度上有質(zhì)的提升，可以達(dá)到厘米級的定位精度。在設(shè)備復(fù)雜度和成本、部署成本和可維護(hù)性上，均有較大優(yōu)勢，具有極強(qiáng)的市場競爭力。

五、 結(jié)束語

本文基于時間反演理論、反向散射通信技術(shù)、人工智能輔助無線信道估計(jì)等技術(shù)，結(jié)合5G高帶寬、抗多徑的傳輸體制特征和室內(nèi)密集覆蓋的部署特點(diǎn)，提出5G NR高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，基于人工智能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)復(fù)雜時變環(huán)境下實(shí)時無線信道估計(jì)，為實(shí)時定位提供基礎(chǔ)支撐，利用反向散射通信降低室內(nèi)相鄰移動設(shè)備對被定位設(shè)備的時間反演回傳干擾。通過時間反演理論實(shí)現(xiàn)時空聚焦，支持室內(nèi)多目標(biāo)厘米級室內(nèi)高精度實(shí)時定位。所提出的5G-NR高精度室內(nèi)實(shí)時定位技術(shù)在定位精度，相比現(xiàn)有技術(shù)有較大性能提升。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]楊奎河， 胡新紅. 室內(nèi)定位技術(shù)研究綜述[J]. 信息通信， 2018， No.188（08）：112-115.

[2]陳永光， 李修和. 基于信號強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)[J]. 電子學(xué)報(bào)， 2004， 32（009）：1456-1458.

[3]牛群峰， 曹一帆， 王莉，等. 基于TW-TOF的UWB室內(nèi)定位技術(shù)與優(yōu)化算法研究[J]. 自動化與儀表， 2018， 033（001）：5-9.

[4]孫瑜， 范平志. 射頻識別技術(shù)及其在室內(nèi)定位中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2005（05）：232-235.

[5]王小輝， 汪云甲， 張偉. 基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)評述[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2009， 28（2）：1-3.

[6]羅宇鋒， 王鵬飛， 陳彥峰. 基于RSSI測距的WiFi室內(nèi)定位算法研究[J]. 測控技術(shù)， 2017（10）：28-32.

[7]徐超藍(lán)， 高軍禮， 張小花，等. 基于K-means和SVM的藍(lán)牙室內(nèi)定位算法[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2019， 38（02）：139-141+145.

[8]韓霜， 羅海勇， 陳穎，等. 基于TDOA的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2010.

[9]周洪澄， 王秉中， 丁帥，等. 時間反演電磁波在金屬絲陣列媒質(zhì)中的超分辨率聚焦*[J]. 物理學(xué)報(bào)， 2013.

[10]聶益芳， 李方偉. 基于頻率正交時間反演的空間聚焦虛擬覆蓋方法研究[J]. 通信學(xué)報(bào)， 2019（10）.