室内定位系统性能测试方法研究

1 概述

 

在日常生活中，室外可通过卫星等技术实现精准定位，在室内环境中卫星信号过弱，无法实现精准定位，因此5G、UWB、蓝牙等室内定位技术应运而生。室内定位技术在智慧工厂、智慧医院等众多垂直行业场景均得到应用，室内定位技术的市场潜力巨大，是国内外关注的热点技术之一。

 

室内定位技术众多，不同的定位技术有其优势也存在局限性。面向不同的场景选取合适的室内定位技术时，需要对不同的室内定位系统进行测试评估。目前业界缺乏室内定位系统性能评测的有效手段，对于定位精度、定位时延等关键性能指标，国内外标准组织及产业界尚未形成统一的评测方法。针对以上问题本文对测试环境、测试内容、测试评估模型等进行研究，旨在为不同定位系统的性能评价提供统一的有效的方法，推动室内定位领域发展。

 

本文首先分析了室内定位系统的架构和现有测试方法的挑战；其次基于零维、一维、二维、三维及多楼层的多维度测试环境建筑构型，研究并提出了室内定位系统性能测试的方法，包括室内定位系统性能评估模型、系统级配置参数和性能测试指标；最后以5G+UWB融合定位系统测试为例进行多维度评估，验证所提评估模型的有效性。

 

2 室内定位系统架构及性能测试现状

 

室内定位系统的通用架构，包括定位服务器、定位基站、定位终端。定位终端或定位基站发送和测量参考信号，形成测量结果并将测量结果上报至定位服务器，定位服务器根据测量结果和基站位置计算终端精确位置，并基于此提供丰富的位置服务。

 

目前众多室内定位技术的测试方法大多各自为战，缺乏适用于多种定位技术的多维度室内定位系统测试方案，主要面临如下挑战：

 

首先，缺乏多维度的统一的室内定位系统测试环境。现有的室内定位测试方法通常采用定点测试和移动测试，然而在不同的测试点定位性能可能存在较大差异，缺乏多维度的统一的测试环境。

 

其次，统一的系统级应用参数设置影响系统性能。不同定位技术的定位原理不同，不同定位系统基于自身技术特点对参数进行综合设定，以平衡精度、容量、时延、功耗等性能的综合表现。现有的室内定位系统测试方法设置统一的基站部署间距、基站设备数量、发射功率等系统级应用参数，该种方式有可能改动系统内部的参数，破坏室内定位系统作为测试对象的独立性和完整性。

 

最后，室内定位系统性能缺乏多维度的评测体系。现有的室内定位测试评价维度主要包括定位时延和定位精度等，然而在具体的应用中，不同定位业务要求更多的定位性能指标，不同的业务场景性能指标的要求也具有差异性。定位性能指标如定位精度、定位时延、并发容量、同步性能、功耗性能、射频性能等。目前的方案缺乏多维度的定位系统性能评测体系。

 

3 室内定位系统性能测试方法

 

不同行业、不同业务的定位环境不同，对于定位的精度、时延、终端功耗和成本等指标需求差异巨大，面对垂直行业差异化的室内定位性能需求，亟需形成统一的室内定位测试评估环境、建立完善的定位性能测试和评估体系，通过全面的定位性能测试实现不同定位系统性能的对比，本章分别对室内定位系统测试环境、性能测试方法进行分析研究，解决现阶段不同室内定位系统无法进行性能对比的问题。

 

3.1 测试环境设计

 

对不同行业定位需求场景进行分类总结，室内定位测试环境可归纳为零维测试环境、一维测试环境、二维测试环境、三维测试环境及多楼层测试环境。

 

5G+UWB融合定位系统的测试环境设计

 

零维测试环境：至少3个相邻的小型房间，每个房间测试点包括测试区域栅格中的测试点和房间的四角、左右侧面墙壁中间位置等；

 

一维测试环境：直线型区域选择一组固定间隔的测试点；

 

二维测试环境：选取大型房间作为测试区域，在测试区域内划分栅格，在每个栅格中间选定测试点。在房间内设置立柱等遮挡创造有遮挡环境；

 

三维测试环境：选取大型房间作为测试区域，高度在Ｈ米以上，选择房间四个角落及房间中心位置作为测试点，在每个测试点上每隔ｈ米高度取一个测试点（H＞h）；

 

多楼层定位测试环境：至少A个相邻的楼层（A为整数），并且为了使测试具有典型性，建议选取中庭空间形式。按照固定间隔选取测试点。

 

3.2 室内定位系统多维度性能评估

 

（1）室内定位系统多维度性能评估模型

 

垂直行业定位场景对定位系统的性能需求具有多维度、差异化的特点，除了对定位精度、定位时延等性能指标有需求外，对定位基站数目、站间距等系统级配置参数也有差异化的需求，不同定位业务场景对系统级参数、性能指标的关注也有不同的侧重。本文提出一种室内定位系统评估模型，将系统级配置参数纳人系统性能评估，实现多维度的定位系统性能的综合评估。

 

（2）室内定位系统的系统级配置参数

 

考虑到生产环境以及商业利益等实际落地方面的要求，垂直行业关注定位系统中与成本、功耗等相关的系统级配置参数，主要包括基站部署间距及数量、基站及终端成本、基站及终端发射功率、标签刷新率（即终端发送定位信号的频率）等。由于定位标签刷新率对定位精度、容量、并发等定位性能有较大影响且互相制约，如提高刷新率有助于提升定位精度，但是会造成系统并发性能下降，因此以典型标签刷新率1 Hz对终端进行配置。本文聚焦于影响系统性能的配置参数，选取基站部署间距为典型参数进行评估，其他系统级参数将在后续工作中进一步研究。

 

为了在性能对比测试中保证不同定位系统的独立性和完整性，系统级配置参数允许待测定位系统在典型值范围内自由配置，但是确定后不允许在后续性能测试中更改。

 

（3）室内定位系统的性能测试评分

 

室内定位系统性能包括定位精度、定位时延、并发容量、组网性能、可用性等。不同性能评估方法如下

 

①定位精度测试：对零维、一维、二维、写维、多楼层测试环境下的定位精度性能进行分级。零维测试环境下按照测试点67%的定位误差是否可以定位到对应的房间进行划分，当全部测试点均可定位准确则评定为2分，测试区四角或贴近墙壁区域定位不准确评定为1分，若均不能定位准确评定为0分。一维、二维、骂维及多楼层测试环境下根据水平、垂直方向的定位误差指标对定位精度进行分级。

 

②定位时延测试：在动态定位条件下测试，记录终端到达测试点的时间与定位服务器显示终端位置信息的时间，计算定位时延。

 

③对并发容量、组网性能、可用性等测试并分级，得到不同性能评分。

 

4 定位系统性能测试评估实例

 

本章以5G+UWB融合定位系统为例，验证了定位系统性能测试方法的可行性。系统的测试环境设计如图3所示，其中蓝色点位为UWB基站位置，UWB基站级联在5G基站的POE口，由5G通信网为UWB基站供电并提供定位数据传输资源。基于3.1节测试环境设计方法构建零维、一维、二维的测试环境；其中零维定位的会议室和仓库分别部署1个定位基站，一维定位走廊部署2个，二维定位办公区部署4个，所有的定位基站完成从会议室/仓库、走廊和办公区的连续性定位覆盖。由于现场场地因素，测试基站部署间距按照12m进行部署，设备发射功率符合无委会对UWB的发射功率要求，终端标签刷新率1 Hz。基站部署站间距为12m，相同基站数下覆盖面积是典型站间距（20m）覆盖面积的0.36倍，因此假设评分为0.36，其余参数均符合典型值，假设评分为1。

 

本次测试中对定位系统的定位精度、定位时延、并发性能进行了测试。对于定位精度测试，在零维、一维、二维测试环境下每个测试点位分别采集100个位置数据。定位时延分别在一维、二维测试环境下测试，标签设置1 Hz。对于并发性能测试，300个标签有较高的定位精度（定位精度在0.3m左右），通讯成功率较高（丢点率不高于5%）。

 

假设某垂直行业定位业务仅包括二维定位场景，且对定位精度、定位时延、并发性能的参数权重分别设置为0.6、0.1、0.1，系统级应用参数基站部署间距权重为0.2，则根据4.2节所述性能评估模型对测试结果进行评估，5G+UWB融合定位系统性能综合性能评分为3.372分。

 

5G+UWB融合定位系统性能评估结果

 

5 结束语

 

本文针对室内定位系统性能测试方法进行研究，提出了统一的室内定位系统测试环境、测试方法和评估模型。室内定位系统性能测试面临定位技术众多、测试环境众多、评价方法多样的挑战；面向垂直行业中的实际室内定位场景，定义了零维、一维、二维、三维及多楼层测试环境，以室内定位系统作为测试对象完成定位精度、定位时延等性能指标的测试与分级，将系统级配置参数和性能指标作为评价室内定位系统的性能指标，基于多维度性能评估模型实现差异化系统级应用参数条件下的性能评估；最后以5G+UWB融合定位系统为例验证了测试方法的可行性。本文提出的测试方法在测试评价过程维持了定位系统的独立性和完整性，为业界室内定位系统的测试评估提供理论和实践依据，推动室内定位领域发展壮大。

 

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