室內(nèi)定位，誰主沉浮
—— 談美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）室內(nèi)定位技術(shù)測試

· 文| 北京空間科技信息研究所 趙爽

室內(nèi)定位，誰主沉浮
—— 談美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）室內(nèi)定位技術(shù)測試

· 文| 北京空間科技信息研究所 趙爽

2013年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）公布了其針對室內(nèi)定位各技術(shù)解決方案集中開展的一系列實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果，力圖推動(dòng)手機(jī)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。室內(nèi)定位技術(shù)一直是PNT（定位、導(dǎo)航與授時(shí)）技術(shù)中最難解決的問題，而一旦該問題得以解決，將會給相關(guān)定位系統(tǒng)帶來前所未有的性能提升。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在手機(jī)高度普及的今天，有一半以上的移動(dòng)電話呼叫都發(fā)生在室內(nèi)，而緊急呼叫的比例與之大體相同，并且這一數(shù)量還在不斷的增加。

在美國，緊急呼叫業(yè)務(wù)與室內(nèi)定位服務(wù)密不可分。FCC早在2001年就明確要求運(yùn)營商為室內(nèi)呼叫提供E911緊急求助服務(wù)。這項(xiàng)在2001年制定的法案規(guī)定，無論是使用固定電話還是移動(dòng)電話，所撥打的緊急呼叫都必須能夠提供呼叫者的精確位置信息。該位置信息將被透明地發(fā)送到各個(gè)公共安全響應(yīng)點(diǎn)（PSAPS），以便使911中心派遣的消防、救援或警務(wù)人員不僅能夠到達(dá)正確的街區(qū)，而且能夠順利抵達(dá)多層建筑的正確樓層。

FCC通信安全、可靠性和互操作性理事會（CSRIC）第三工作小組（WG3）的基于位置服務(wù)分組致力于發(fā)掘室內(nèi)定位相關(guān)技術(shù)，并研究這些技術(shù)如何工作，以及如何應(yīng)用于911服務(wù)。

2013年3月14日，F(xiàn)CC通過其CSRIC發(fā)布了《室內(nèi)定位測試平臺報(bào)告》，公布了其第三工作小組針對室內(nèi)定位各技術(shù)解決方案集中開展的一系列實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果。測試環(huán)境涵蓋了密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村這四種場景，并包含了數(shù)以千計(jì)的測試地點(diǎn)和各種建筑物類型。

一、測試內(nèi)容與流程介紹

1.測試內(nèi)容

Polaris Wireless公司的射頻模式匹配/指紋識別技術(shù)是一種基于無線信號網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。信號傳播時(shí)由于對地理環(huán)境的依賴性而體現(xiàn)出很強(qiáng)的站點(diǎn)特殊性。結(jié)合多徑特征以及其它信號特征，可以創(chuàng)建出特定地點(diǎn)的獨(dú)特信號特征，即信號指紋。根據(jù)該指紋來推斷目標(biāo)位置，無需移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的額外投入，相對節(jié)約。缺點(diǎn)在于需要事先預(yù)制所需的場景數(shù)據(jù)庫，而且當(dāng)場景發(fā)生變化時(shí)，必須重建該數(shù)據(jù)庫。

Qualcomm公司的混合定位技術(shù)，結(jié)合了AGPS和AFLT兩種技術(shù)。AGPS是一種在一定輔助配合下進(jìn)行GPS定位的運(yùn)行方式。它可以利用手機(jī)基站的信號播發(fā)星歷等輔助信息，配合傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號，讓定位的速度更快。AFLT運(yùn)用于CDMA系統(tǒng)中，是一種基于前向鏈路的定位方法。在進(jìn)行定位操作時(shí)，手機(jī)同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)基站(至少3個(gè)基站)的導(dǎo)頻信息。利用碼片時(shí)延來確定手機(jī)到附近基站的距離，最后用三角定位法算出用戶的位置，見圖1。

>> 圖1 AFLT技術(shù)示意圖

相對于前兩種系統(tǒng)，NextNav公司的無線信標(biāo)技術(shù)撇開現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，在地面部署一個(gè)完全獨(dú)立的信標(biāo)定位網(wǎng)絡(luò)，這里每個(gè)信標(biāo)站就類似于GPS系統(tǒng)的一顆衛(wèi)星，只不過導(dǎo)航信號是在地面上播發(fā)。

2.測試流程

FCC開展的室內(nèi)定位測試采用實(shí)際場景測試，測試流程見圖2。第三工作組選擇了舊金山海灣地區(qū)作為第一階段室內(nèi)試驗(yàn)的測試地點(diǎn)，該地區(qū)涵蓋了最常見的無線使用環(huán)境和建筑物類型，包括4種具有代表性的場景：密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村。

測試共選取了19幢建筑物，其中6幢位于密集市區(qū)，5幢位于普通城區(qū)，6幢位于郊區(qū)，2幢位于鄉(xiāng)村地區(qū)。在這19幢建筑物中，共選擇了75個(gè)測試點(diǎn)。在每一個(gè)測試點(diǎn)上，分別對NextNav、Polaris Wireless以及Qualcomm三家公司的定位技術(shù)進(jìn)行了固定呼叫測試，并對呼叫測試的結(jié)果進(jìn)行取樣統(tǒng)計(jì)分析。

多家具有代表性的無線技術(shù)及運(yùn)營公司參與試驗(yàn)，其中Polaris Wireless公司的測試結(jié)果主要代表了美國電話電報(bào)公司（AT&T）和德國T-Mobile公司的網(wǎng)絡(luò)；Qualcomm公司的測試結(jié)果則主要代表了美國Sprint公司和Verizon公司的網(wǎng)絡(luò)；而NextNav公司則實(shí)際上是作為一個(gè)獨(dú)立覆蓋的定位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)營的。

二、測試結(jié)果

此次測試不僅數(shù)據(jù)充分，而且覆蓋廣泛并具有代表性。針對三種不同的技術(shù)，試驗(yàn)組分別從測試點(diǎn)收集了13000多個(gè)有效的呼叫記錄。三家公司的測試結(jié)果見表1，表中用NN代表NextNav公司，用PW代表Polaris Wireless公司，用QC代表Qualcomm公司?；跍y試結(jié)果，可以得到這些定位技術(shù)的性能指標(biāo)，包括水平定位精度、垂直定位精度、首次定位時(shí)間（TTFF）、報(bào)告的不確定性等。下面按照密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村四種場景對測試結(jié)果做簡要介紹。

EM斷路器外殼導(dǎo)體大多為規(guī)則立方體，多選導(dǎo)熱性良好的鋁為材料，為便于計(jì)算，假設(shè)整個(gè)立方體壁面的穩(wěn)態(tài)熱流量為恒定值，由傅里葉熱傳導(dǎo)基本方程可知，在單位長度上的熱流密度為

1.密集市區(qū)環(huán)境

>> 圖2 FCC開展的室內(nèi)定位測試流程

在密集市區(qū)場景下，衛(wèi)星信號（如GPS信號）穿透大型建筑物存在很大的挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)常需要使用AGPS的備用模式，例如AFLT。不過測試結(jié)果顯示，使用混合定位時(shí)卻出現(xiàn)了比較大的誤差。

射頻指紋識別技術(shù)（RF finger-printing）有望能在密集城市環(huán)境中展現(xiàn)最好的性能。因?yàn)檫@種測試環(huán)境是一個(gè)密閉的空間，而且包含眾多射頻基站和切換邊界，通過大量而廣泛的測量校準(zhǔn)，就可以構(gòu)建出比較理想的射頻特征圖譜。

在密集城市環(huán)境中，測試結(jié)果顯示，性能最理想的是地面信標(biāo)定位系統(tǒng)。然而，由于多徑效應(yīng)，最終的定位結(jié)果可能只是在絕對距離上接近測試點(diǎn)（例如，相差40m），但是經(jīng)常會出現(xiàn)定位到街對面的建筑物、鄰近建筑物，甚至幾個(gè)街區(qū)外的建筑物里的情況。

表1 參試公司的室內(nèi)水平方向精確度統(tǒng)計(jì)分析匯總表

2.普通城區(qū)環(huán)境

普通城區(qū)環(huán)境中,每一種測試建筑物會給定位帶來不同的挑戰(zhàn)，而參與測試的三種技術(shù)在不同程度上滿足了試驗(yàn)要求。

在一個(gè)聯(lián)盟棒球體育場內(nèi)，由于射頻信號的無遮擋傳輸，導(dǎo)致AGPS的備選定位結(jié)果距離被測點(diǎn)非常遠(yuǎn)。而在一些測試點(diǎn)上，運(yùn)動(dòng)場的特殊結(jié)構(gòu)也給射頻指紋識別技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

在某些情況下，會議中心可以視為深室環(huán)境，但是其內(nèi)部一般擁有來自室內(nèi)基站的很強(qiáng)的蜂窩信號。在此環(huán)境中，基于地面信標(biāo)的定位系統(tǒng)將不再像其他環(huán)境中表現(xiàn)的那么理想，因?yàn)閬碜越ㄖ獾男艠?biāo)信號的衰減會很大。而此時(shí)，AGPS和射頻指紋識別技術(shù)則能夠依靠建筑物內(nèi)部的蜂窩小區(qū)基站實(shí)現(xiàn)定位。

在一幢擁有中央天井的、厚實(shí)的舊樓里進(jìn)行測試時(shí)，測試結(jié)果會因?yàn)榫嚯x窗戶和天井的遠(yuǎn)近而產(chǎn)生巨大差異。這種環(huán)境下，NextNav公司和Qualcomm公司都出現(xiàn)了定位到街道對面建筑物的現(xiàn)象。而Polaris Wireless公司的射頻指紋識別技術(shù)的測試結(jié)果則相對集中，其多數(shù)定位結(jié)果都在目標(biāo)建筑物的街區(qū)附近。

汽車旅館的特殊結(jié)構(gòu)也為室內(nèi)定位帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，絕對距離（例如，50m或者150m）這一原來在評估室外定位效果時(shí)極其重要的參數(shù)，對于室內(nèi)定位而言其作用將被削弱。因?yàn)樵谶@個(gè)誤差范圍內(nèi)，緊急派遣的搜救人員很容易進(jìn)入錯(cuò)誤的建筑或街區(qū)。盡管定位精確到鄰近的街道已經(jīng)要比定位到幾個(gè)街區(qū)之外好得多，但這樣的定位精度仍然無法達(dá)到某些應(yīng)用服務(wù)或用戶的要求。

在建筑物并不密集的圣何塞市區(qū)的一幢高大公寓樓內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)AGPS的表現(xiàn)相對較差，信標(biāo)系統(tǒng)的性能不夠穩(wěn)定，而射頻指紋識別技術(shù)的定位性能則隨著測試點(diǎn)的高度增加而不斷退化?？傊?，上述城區(qū)的特殊環(huán)境，再加上相對稀疏的蜂窩基站，最終導(dǎo)致了普通城區(qū)環(huán)境中的定位效果略差于密集的城市環(huán)境。

3.郊區(qū)環(huán)境

郊區(qū)的建筑物相對于市區(qū)來說建筑結(jié)構(gòu)將更為簡單，且樓間距也將更大。在這種環(huán)境中，室內(nèi)GPS定位的性能受到的影響將小得多，理想情況下幾乎與室外定位的性能一樣好，可以實(shí)現(xiàn)精確定位到某一樓層；在相同的環(huán)境中，從平均性能表現(xiàn)上看，基于信標(biāo)的定位技術(shù)表現(xiàn)也同樣出色；而射頻指紋識別技術(shù)的性能相比于密集的城市環(huán)境則有所下降。

AGPS的性能隨著郊區(qū)建筑物不斷變高、變大而不斷降低；而基于地面信標(biāo)的定位技術(shù)則幾乎不受建筑物高低、大小的影響；而射頻指紋識別技術(shù)也是在相對較小的郊區(qū)建筑測試環(huán)境，定位性能有所提升，但是仍然會有很大一部分結(jié)果出現(xiàn)偏差，定位到街道、高速公路或者對面的建筑物上。

4.鄉(xiāng)村環(huán)境

在鄉(xiāng)村，擁有金屬屋頂?shù)膶挸▎螌咏Y(jié)構(gòu)建筑，將會對衛(wèi)星信號的接收帶來極大的挑戰(zhàn)。在這些情況下，多采用混合定位方式，對傳統(tǒng)衛(wèi)星定位結(jié)果加以修正。金屬房頂對基于地面信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的定位方式影響較小，因?yàn)樗鼘Φ孛嫘艠?biāo)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它對空中衛(wèi)星信號的影響。因此，在這類環(huán)境中，基于信標(biāo)的定位方式性能優(yōu)于AGPS。當(dāng)然，信標(biāo)定位的性能優(yōu)劣仍然取決于鄉(xiāng)村地區(qū)部署的信標(biāo)密度，而在此次測試中，是保證具有足夠密度的。

在郊區(qū)環(huán)境和鄉(xiāng)村環(huán)境中，由于蜂窩基站密度的減少，射頻指紋識別定位技術(shù)的性能有所下降。

三、結(jié)束語

本次測試并沒有涵蓋所有的地域類型，其中一個(gè)關(guān)鍵原因就是成本問題。而在時(shí)間進(jìn)度方面，同樣也受到了成本的限制。不過，一些評論家已經(jīng)得出如下結(jié)論：NextNav公司技高一籌，相比于其他兩種技術(shù)，NextNav公司的解決方案能夠更好的應(yīng)對更多的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗幌衿渌麅煞N技術(shù)那樣在很大程度上依賴于現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，大規(guī)模的針對室內(nèi)定位的研究與開發(fā)工作，都主要致力于商業(yè)應(yīng)用，也就是手機(jī)應(yīng)用。但是，這項(xiàng)工作也將最終影響到專業(yè)和高精度GNSS的使用。例如，機(jī)控倉儲、工業(yè)裝配、室內(nèi)和地下測繪、地面和地底采掘，以及林業(yè)等空中視野受限的應(yīng)用，最終都將會發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)對其的重要價(jià)值。一旦滿足室內(nèi)定位要求的技術(shù)得以成功開發(fā)并廣泛應(yīng)用，將會給其參與者帶來可觀的收益，尤其是GNSS設(shè)備制造商和基于位置服務(wù)（LBS）的供應(yīng)商。