室内定位白皮书
3 室內定位技術原理介紹
目前，室內定位技術眾多，考慮到市場應用普及性及技術應用前景，本章將從定位原理、定位方式及性能、產業鏈支持情況以及產業痛點分析這些維度，分析介紹 5G 基站定位、4G 基站定位、藍牙 4.2定位、藍牙 5.1 定位、Wi-Fi 定位、UWB 定位、vSLAM 等定位技術。
3.1 室內定位基本原理
室內位置解算分為終端側解算和網絡側解算兩種。其中，終端側解算是指不經過網絡傳輸，終端可直接解析其自身位置，室外以 GNSS為代表，室內需定位信標發送其坐標位置信息。目前室內定位技術多以網絡側解算為主。
無線定位信號測量主要包括功率測量、時間測量和角度測量。功率測量包括三角定位和指紋定位，時間測量包括 TOA、UTDOA 和 OTDOA，角度測量包括 AoA 和 AoD。
3.1.1 基于功率測量
基于場強測量的定位技術可以分為 2 種，分別是三角定位技術和指紋定位技術。
? 三角定位技術
通過接收信號強度（RSS, Received Signal Strength）計算得到終端到多個定位節點的距離，并以已知節點位置為圓心，終端距離節點的距離為半徑形成圓形，多個圓的交點就是終端位置，如圖 3.1-1 所示。
終端到基站的距離解算方程組如式（1）：
此種定位方式要求定位基站與定位終端間可直視，無墻體等阻擋， 可達到較高定位精度。
? 指紋定位技術
當定位信號存在非視距等環境影響因素時，測量到的場強等信息難以真實反映定位基站與終端間的實際距離時，可采用指紋定位技術減輕此類誤差。
指紋定位技術由離線與在線兩個階段構成。離線階段即指紋庫采集階段，首先進行定位區域的網格劃分，然后采集不同網格的信號特征值，將采集得到的信息建立定位指紋庫，特征值可為場強等信息。
在線階段即指紋定位階段，測量信號特征值，將測量的信號特征值與指紋庫中的預存信息進行指紋匹配，根據匹配算法得出終端坐標位置。
指紋定位流程如圖 3.1-2 所示：
指紋定位技術主要缺點在于指紋數據庫采集工作量大，且在后期維護過程中，隨著環境發生變化，需重新采集維護指紋數據庫。
3.1.2 基于時間測量
? TOA 測量
TOA（Time of Arrival）又稱 TOF（Time of Flight），一般又分為雙向測距和基于時鐘同步的 TOA 測距。常用的雙向測距法不需要定位標簽和定位基站之間嚴格時鐘同步，只需要未知點（即定位標簽）向參考點（即定位基站）發送信號，定位基站也向定位標簽發送信號，如圖 3.1-3 所示：
同理，確定該未知點與其他參考點之間的距離，根據至少三個距離即可確定該未知點的位置。例如當獲取到標簽到至少 3 個基站的間距時，即可根據三點定位方法實現定位，如下圖 3.1-4：
? TDOA 測量
基于時間到達差(TDOA，Time Deference of Arrival)的定位法要求參考點之間的時鐘嚴格同步，而對參考點與未知點之間則沒有時鐘嚴格同步的要求，這就能相對簡化定位系統，降低定位系統成本。
TDOA 定位法的定位過程：預先將所有參考點之間時鐘同步，未知點發出信號，不同參考點在不同時刻接收到該信號，選取某參考點接收到信號的時刻作為基準，其他參考點收到信號的時刻減去該基準得到定位信號到達時間差，該到達時間差即為 TDOA 值。根據未知點與兩個參考點之間的 TDOA 值可以建立一條雙曲線，實現二維定位需要至少三個參考點建立一組雙曲線方程求解得到未知點的位置估計，如圖 3.1-5 所示：
由于根據距離差做出的雙曲線相較于根據距離做出的圓而言，其呈發散型，因此，實際應用中通常需要至少 4 個基站來獲得多條雙曲線來獲取冗余 TDOA 值，并將誤差較大的 TDOA 值剔除之后再確定未知點的坐標，這樣可提高 TODA 定位的精度。
根據信號上下行，TDOA 測量技術可分為 OTDOA 和 UTDOA。
OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）：移動終端對基站下行定位信號進行測量。
UTDOA（Uplink Time Difference of Arrival）：移動終端發射上 行 測 量 信 號 ， 網 絡 側 基 站 或 者 定 位 測 量 單 元 （ LocationMeasurement Unit，LMU）測量得到時間差。
? TOA 測量和 TDOA 測量有各自的優勢：
TOA 測量的優勢在于：
? 精度較高，定位收斂；
? 基站邏輯簡單；
? 結合一定的算法，可以實現小房間內單基站存在性檢測；
TDOA 的優勢在于：
? 容量大；
? 標簽功耗低；
? 標簽邏輯簡單，省去基站；
? 搜尋機制。
3.1.3 基于角度測量
? AOA 測量
到達角（Angle of Arrival, AOA）是發射器通過單一天線發送特殊的數據包，接收器通過多天線接收，由于各個天線到發射器的距離不同，會產生相位差。通過相位差和天線間的距離計算出相互之間的角度關系。
采用到達角測量在視距傳播時定位精度較高，在非視距傳播時定 位精度顯著降低。
? AOD 測量
出發角（Angle of Departure, AOD）與到達角相反，接收器是單天線，發射器多個天線發射特殊的數據包，接收器根據產生的相位差、天線距離，計算出相對的方向和距離。
4 室內定位評測體系
目前，能夠實現室內定位的技術眾多，不同技術各具優勢但同時也各有局限性。如何選擇不同的定位技術滿足業務層面對定位精度、定位時延、容量等方面的需求，同時兼顧設備成本、部署難度等，將需要對多個維度的關鍵指標進行評估測試。本章將介紹評價不同定位技術的關鍵指標，以及相應的測試方法。
4.1 室內定位關鍵性能評價指標
4.1.1 關鍵指標定義
定位精度：定位精度是評價室內定位技術性能最重要的指標，是指定位系統計算得到的終端位置信息與其真實位置之間的接近程度，通常用兩者之間的歐式距離表征。
為便于下文表述，將不同定位精度的定義約定如下:
? 厘米級定位精度：固定概率模型下，定位系統計算得到的位置信息準確度在 0.01-0.1 米；
? 分米級定位精度：固定概率模型下，定位系統計算得到的位置信息準確度在 0.1-1 米；
? 米級定位精度：固定概率模型下，定位系統計算得到的位置信息準確度在 1-10 米；
**定位時延：**指從定位終端到達特定位置與定位平臺穩定顯示該終端位置的時間差，主要包括定位信號傳輸時延和平臺解算時延；
**并發容量：**定義為在單位時間內，在滿足定位精度和定位時延性能的條件下，單個定位基站可以支持的定位終端數量；
**同步性能：**在定位系統中，為了提高定位精度，通常多采用多站聯合定位，同步性能指的是多站定位中對基站時間同步的要求；
單站距離：指特定定位精度下，單個定位基站的覆蓋距離；
功耗性能：指基站和定位終端在特定狀態下的耗電，包括在休眠狀態、定位數據傳輸狀態以及位置信息解算狀態的耗電；
射頻性能：指基站和定位終端的發射功率、測量精度、解調能力等射頻能力滿足應用要求。
4.1.2 不同定位技術關鍵指標
4.2 室內定位關鍵性能評測方法
4.2.1 室內定位精度
定位精度是評價室內定位技術性能最重要的指標，指的是定位系統計算得到的終端位置信息與其標定真實位置之間的接近程度，在二維定位中為平面位置，三維定位中還包括高度。嚴格來說，定位精度包括“準確度”和“精確度”，“準確度”表示測量值與標定真實值的接近程度，用于表明測量值的正確性；“精確度”表示多次測量結果相互之間的符合程度，用于表明測量值的可重復性。影響定位精度的重要因素為定位解算算法，同時定位基站部署密度和位置、遮擋和干擾、設備測量誤差等均會對定位精度產生影響，在測試中需要考慮到。
如圖 4.2-1 所示，定位系統包含定位解算平臺、定位基站以及定位終端。定位基站和定位終端承擔了底層通信，獲取通信信號的原始信息并上傳到定位平臺，定位平臺進行位置解算，最終定位結果在定位平臺呈現。
定位精度可在實際環境下選定測試點進行測試，將定位平臺解算出來的位置坐標和標定的實際位置坐標進行比對，計算定位誤差。根據應用場景不同，室內定位模式可分為零維定位、一維定位、二維定位和三維定位。其中零維定位為存在性測試，僅用于檢測定位標簽是否位于特定房間內；一維定位為線性定位，應用于走廊、隧道等場景，通常忽略線性區域的寬度，僅關注標簽的 X 坐標；二維定位為平面定位，關注標簽在空間內的具體位置（X、Y 坐標）；三維定位是在二維定位基礎上增加對標簽所處高度的測算。
為覆蓋較為全面的使用場景，如圖 4.2-2 所示，測試環境可包含一個正方形大房間、長度適宜的走廊以及相鄰的兩到三個小房間，分別用于測試二維、一維及零維定位性能。同時考慮到環境中是否存在遮擋對定位精度是有影響的，可在二維測試的大房間中，利用立柱等構造遮擋環境。
總結
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