家庭无线定位技术应用探讨
2022-08-16
作者：中兴通讯 赵家伟
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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。
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