家庭无线定位技术应用探讨

2022-08-16 作者:中兴通讯 赵家伟

 

随着智能家居业务的快速发展,在家庭网络环境中,基于用户位置和行为的智能化和个性化业务对室内定位的需求日益增强,例如用户靠近感知自动开锁、手势识别智能控制家电等。而家庭无线信道环境复杂,多径效应明显,使得家庭室内定位对测量精度要求更高,定位算法对各种误差的鲁棒性要强,且要有更高的安全性。

 

家庭室内定位主要技术

 

家庭室内定位需要搭建小范围的无线定位传感器网络,主要定位技术有Wi-Fi定位技术、蓝牙定位技术、UWB(超宽带)定位技术、毫米波雷达定位技术等。各种技术的特性决定了其所适用的室内定位应用场景。早期Wi-Fi和蓝牙定位技术多基于接收信号强度(RSS),通过信号衰减模型计算定位基站和终端之间的距离。但RSS受室内环境影响大,定位精度、准确性和安全性不高。Wi-Fi IEEE 802.11az、蓝牙低功耗5.1、UWB的最新技术标准和毫米波雷达技术引入了更加精准的定位功能,为创新的家庭无线定位应用奠定了技术基础。

 

IEEE 802.11az下一代定位(NGP)标准基于 IEEE 802.11mc标准版本中的精细定时测量(FTM)功能构建。FTM使用往返时间信息来估算Wi-Fi AP和STA客户端之间的距离,并通过NGP标准改进传统FTM,使用与802.11ax/Wi-Fi 6标准一致的多项增强功能,从而进一步提高测距精度、效率和安全,并可以基于家庭Wi-Fi基础设施平滑升级。

 

蓝牙5.1标准增加了寻向(direction finding)功能,定义了到达角(AOA)和离开角(AOD)两种方法。定位基站通过阵列天线,根据天线之间的相位差、信号波长和天线之间的距离来计算入射角,从而确定来波方向,结合其他定位方法,可以实现1m以内的定位精度。

 

UWB基于IEEE 802.15.4z-2020 HRP ERDEV(增强型测距设备),可提供高精度和安全定位。其采用飞行时间(TOF)双向测距代替RSS测距,不容易受室内多径信号环境影响,其极短脉冲信号(1ns)特性和超宽频谱带宽可以提供厘米级定位精度,结合AoA技术可提供精确位置信息。UWB也可以使用TDOA(到达时间差),多基站配合实现精确定位。

 

毫米波雷达技术特性决定其可以提供精确的距离、速度和角度信息,并且具备全天候探测能力,可以实现产品小型化设计,在家庭老人健康监测等场景下具有良好的应用前景。

 

家庭定位技术应用的整体系统框架如图1,主要包括设备层、定位层和应用层。

 

Network diagram
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家庭无线定位技术应用探讨

发布时间:2022-08-16  作者:中兴通讯 赵家伟  阅读量:

图1   家庭室内定位系统框架

 

家庭定位技术应用

 

研究室内定位技术与家庭网络和智慧家庭业务的结合,有助于为家庭用户提供更好的业务体验。家庭室内定位技术从应用场景上可以分为家庭网络类、无感访问类、智能家居类、健康类等四种类型。

 

家庭网络类应用

基于家庭Wi-Fi或蓝牙网络基础设施,利用802.11az NGP或蓝牙等定位技术,可实现新型定位应用的开发。例如,基于用户位置的Wi-Fi网络负载均衡解决方案。家庭网络多AP覆盖场景下,AP设备融合802.11az NGP定位技术,无需新增硬件部署,就可以实现家庭Wi-Fi无线定位传感网络,实现基于用户位置的Wi-Fi网络的负载均衡。通过用户的位置信息,APs可以控制用户终端接入的AP和信道,即负载平衡过程,可以极大地改善用户体验,尤其是在高密度情况下。进一步,当用户在AP间移动漫游时,系统能够基于用户位置信息的更新,在AP间实现更有效、更精准的资源调度,有效降低时间敏感型业务的丢包和时延。

 

无感访问类应用

支持人脸识别的智能门锁价格高,且存在安全隐私风险。随着智能手机对UWB技术的支持,智能门锁通过集成UWB和BLE,借助两种无线技术协同定位方案,既可以准确测量用户位置和移动轨迹,区分用户所在门内或门外区域,也可以在用户移动中,完成用户安全认证,可实现用户回家靠近门锁则自动认证开锁,而在室内不会误操作。

 

智能家居类应用

智能家居场景下的智能控制方式是提升用户体验的关键。支持UWB的智能手机,借助阵列天线和AOA定位方法,可以基于位置和角度精确控制集成UWB的各种智能设备,实现根据智能手机指向的智能设备,自动显示相应的操作控制界面。毫米波雷达技术可以实现模组和天线的微型化,适合集成到智能家居设备中,借助其精确的雷达定位技术,通过特征提取和智能算法赋能,可以识别用户手势,完成智能设备的控制。手势识别方案可以集成到房间控制面板、智能电视等设备中,为用户提供全新的操作体验。同样借助毫米波雷达技术,可以实现人体存在监测、动态控制智能照明,实现家庭节能。

 

健康类应用

独居老人居家健康状况监测需求日益增多,毫米波雷达定位方案相比佩戴型监测产品和摄像头产品,会更舒适,更好保护隐私,同时可以捕捉行动、身体姿势、心率、呼吸等多种类型数据,在家庭健康场景中具有很好的应用前景。

 

智慧家庭业务的核心是智能化和场景化,近年来伴随IoT技术和AI技术的不断创新,家庭室内定位服务需求也日益凸显,适合不同场景的室内定位技术为智慧家庭带来了全新的位置服务功能。随着室内定位技术的持续研究及发展,构建高精度、高安全性和高可靠性的家庭无线定位传感网络,将进一步扩展智慧家庭的内涵,在提升用户体验以及优化家庭业务及智能化等多个方面带来更多可能。

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