面向智慧醫(yī)療應(yīng)用的5G+UWB高精度室內(nèi)定位

張景峰　李騰飛　農(nóng)華斌　李瑞　李旭周

【摘要】 ? ?隨著5G新一代通信技術(shù)向各行各業(yè)滲透發(fā)展，智慧化服務(wù)與應(yīng)用顯得越來越重要。面向智慧醫(yī)療應(yīng)用很少包含室內(nèi)定位這一解決方案。本文提出一種基于超寬帶（UWB）技術(shù)的高精度室內(nèi)定位+5G承載網(wǎng)傳輸方案：由多個定位錨節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點組成定位系統(tǒng);根據(jù)不同空間場景配置不同定位算法（TDOA、AOA、DS-TWR），以提高定位精度，并自主連接組成多簇樹狀網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)傳輸，醫(yī)、護(hù)、患可通過電腦，5G終端可查看實時軌跡、越區(qū)警告等，實現(xiàn)融合通信，為5G新基建融合滲透發(fā)展提供一種新的思路。

【關(guān)鍵詞】 ? ?UWB高精度定位 ? ?智慧醫(yī)療 ? ?室內(nèi)定位 ? ?超寬帶技術(shù) ? ?5G新基建

5g + UWB high precision indoor positioning for smart medical application

Zhang Jingfeng 1， Li Tengfei 1， Nong Huabin 1， Li Rui 2， Li Xuzhou 3

（1. Shenzhen Institute of Radio Testing Technology， Shenzhen， Guangdong 518038）

（2. Department of Respiratory Medicine， The Second Affiliated Hospital of Zhengzhou University， Zhengzhou 450000， Henan）

（3. Shenzhen Branch of China Tower Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518038）

【Abstracts】 As 5G technology penetrates and develops in all walks of life， intelligent services and applications become more and more important. For smart medical applications， it rarely includes indoor positioning. This paper proposes a high-precision indoor positioning + 5G bearer network transmission scheme based on ultra-wideband （UWB） technology： a positioning system composed of multiple positioning anchor nodes and target nodes; different algorithms （TDOA， AOA， DS- TWR） to improve positioning accuracy， and independently connect to form a multi-cluster tree network for data transmission， to achieve convergent communication， and to provide a new idea for the integration and penetration of 5G new infrastructure.

【Keywords】 UWB high-precision positioning; smart medical treatment; indoor positioning; ultra-wideband technology; 5G new infrastructure

引言：

超寬帶技術(shù)（Ultra Wideband）是新一代無線通信技術(shù)之一，其工作特點利用非正弦波窄脈沖，高速大帶寬傳輸數(shù)據(jù)，工作周期在納秒（ns）至皮秒（ps）級，工作頻率在1GHZ以上。其核心是時間調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)高速率傳輸數(shù)據(jù)，且功耗低，同時具有天生的定位優(yōu)勢。

UWB帶寬的定義方式有2種：相對帶寬≥20%，絕對帶寬≥500MHz，見圖1。

UWB標(biāo)準(zhǔn)化工作由IEEE 802.15工作組制定，歸屬于IEEE 802無線個人局域網(wǎng)（WPAN）標(biāo)準(zhǔn)，其下含藍(lán)牙、WiFi等熱門標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，新一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（UWB+5G）正加速與醫(yī)療行業(yè)深度融合，重構(gòu)新一代無線網(wǎng)絡(luò)的高精度室內(nèi)定位新模式，將對醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。由于UWB+5G連通性的增強使其應(yīng)用于諸多類的醫(yī)療設(shè)備，進(jìn)而使得醫(yī)療設(shè)備物物相連，又進(jìn)一步促使支持采集和傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳感器、物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的進(jìn)步，本文在兼顧成本與精度的背景下最終將醫(yī)療設(shè)備和二三維矢量地圖交互相連，從而持續(xù)自動傳輸定位數(shù)據(jù)，達(dá)到無線通信技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)的有機耦合，為醫(yī)療行業(yè)智慧應(yīng)用服務(wù)提供一種思路。

一、概述

1.1 5G+智慧醫(yī)療

新型基礎(chǔ)設(shè)施，其涉及7個領(lǐng)域，其與新一代無線通信技術(shù)緊密聯(lián)系。智慧醫(yī)療行業(yè)的核心便是“人-物交互”，人工智能亦是數(shù)據(jù)處理大腦與5G網(wǎng)絡(luò)共同蝶變賦予物聯(lián)網(wǎng)低延遲、高速率和多終端交互能力。因此，“5G+智慧醫(yī)療”背景下的智慧應(yīng)用就新一代通信技術(shù)筑建新基建將，憑借其卓越的數(shù)字孿生能力，將是數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)的重要算力。

聚積新一代無線通信技術(shù)，將UWB+5G部署患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動，逐步達(dá)到信息化定位的基礎(chǔ)上推出二/三維矢量地圖及各種物聯(lián)網(wǎng)可視化接口，能滿足各種基于位置的服務(wù)和應(yīng)用，有助于快速的推進(jìn)項目落地，也能為終端用戶提供多樣化的位置服務(wù)，如動態(tài)電子圍欄、實時定位、軌跡回放、虛擬巡更等。利用物聯(lián)感知設(shè)備，借助大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，亦可防撞檢測、地下勘察、穿墻檢測，應(yīng)用前景開闊！

1.2 UWB自身特點

1.2.1系統(tǒng)容量大，傳輸速度快

香農(nóng)信道容限公式知C=W log2（1+S/N），W越寬，最大傳輸速率C越大。由于頻帶窄的傳統(tǒng)載波通信系統(tǒng)須采用MASK調(diào)制或能使其傳輸速率≥100Mbps，由上述定義知UWB通信的工作帶寬在≥500MHz，可知C≥1Gbps。

1.2.2發(fā)射功率低

IR-UWB具有W≥1GHz頻率帶寬，故只需低的發(fā)射功率。在短距離無線通信應(yīng)用中，發(fā)射機發(fā)射的UWB信號功率要≤1mW，基于此，長電池壽命，長系統(tǒng)工作時間，微幅射。

1.2.3多徑分辨率高

UWB信號采用皮秒級到納秒級窄脈沖，短周期保證了較強的時間和空間分辨率，因此具有優(yōu)質(zhì)的抗多徑性能。

1.2.4系統(tǒng)保密性好

UWB發(fā)射功率低≤1mW， 功率譜密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通的白噪聲，UWB信號的安全私密性得以保障，保證醫(yī)療數(shù)據(jù)安全傳輸。

1.2.5穿透能力強

窄脈沖天生具備很強的脈沖穿透能力，可以幫助比如護(hù)士搜尋隔墻的兒童老人等。

1.2.6定位精度高

UWB信號具有超寬頻帶的特性導(dǎo)致其可達(dá)到厘米級分辨精度，在高精度領(lǐng)域其他窄帶系統(tǒng)不可企及的。

1.3 5G通信技術(shù)的特點

1.3.1增進(jìn)性移動寬帶（eMBB）

這是針對醫(yī)院主要技術(shù)場景。既滿足院區(qū)連續(xù)廣域覆蓋，又滿足住院區(qū)、門診等人群集中熱點地區(qū)高容量。醫(yī)、患、護(hù)都能時時處處獲得≥100Mbps體驗速度和極高流量密度需求。

1.3.2超可靠低時延通信（uRLLC）

針對超低時延場景，面向高精度聯(lián)網(wǎng)外科手術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療高精度機械臂、急救車-車聯(lián)網(wǎng)、等醫(yī)療場景。提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

1.3.3大規(guī)模機器互聯(lián)（mMTC）

主要面向智慧醫(yī)療設(shè)備以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、低成本、大規(guī)?；ヂ?lián)的特點，密度要求M x/Km2。注：x代表不同連接終端。

總之，5G網(wǎng)絡(luò)不僅繼續(xù)提高人與人聯(lián)網(wǎng)的通信速度，還將滿足人與物、物與物通信需要的低時延、高可靠和高密度的性能。5G將開啟一個萬物互聯(lián)的時代。

二、5G+UWB系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智慧醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)

智慧醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計繼承智慧城市系統(tǒng)架構(gòu)，但是有所區(qū)別。本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計“4橫3縱”，“4橫”分別為：1.終端層借助UWB等新一代通信技術(shù)持續(xù)、快速地感知醫(yī)療原始定位等數(shù)據(jù)。2.網(wǎng)絡(luò)層繼承5G實時、可靠、安全的醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸。3.平臺層利用可視化界面，智能、準(zhǔn)確、地管理醫(yī)療數(shù)據(jù)。4.應(yīng)用層實現(xiàn)多樣化、人性化的醫(yī)療應(yīng)用，如實時定位，地圖軌跡展示?！?縱”分別指安全安全保障體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、運維保障體系。

其中基于UWB、5G協(xié)議的胸卡、手環(huán)等無線終端為智慧醫(yī)療架構(gòu)中終端感知層，起脈絡(luò)感知，互聯(lián)互通的作用。

2.2組網(wǎng)拓?fù)渑c定位引擎算法選擇

本次組網(wǎng)為1臺5G核心網(wǎng)交換機，1臺應(yīng)用服務(wù)器、1臺5G BBU基帶處理單元，新部署到醫(yī)院數(shù)據(jù)中心，樓層弱電間機柜安裝一臺POE交換機，1臺5GHUB，冗余接口，方便線路調(diào)試安裝，在醫(yī)院內(nèi)部天花部署5G室分吸頂天線5G AAU以及UWB錨節(jié)點。其他無線終端40余臺。系統(tǒng)組網(wǎng)采用樹形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，點位布點針對不同房間大小，部署不同數(shù)量的基站，本文不再對算法原理做過多贅述。

由于5G信號室內(nèi)外協(xié)同覆蓋，故小型基站掛載到室外鐵塔或多功能智慧桿?？紤]到成本原因，故對不同場景使用不同算法（成本、結(jié)構(gòu)）產(chǎn)品。小房間考慮成本效益，部署一個基于AOA算法的錨節(jié)點（內(nèi)置天線陣列，使用到達(dá)矢量角度測距）;走廊、隧道等一維空間，部署至少2個錨節(jié)點（單基站成本低，可使用TDOA到達(dá)時間差算法，或DS-TWR雙邊測距算法），三維大空間可靈活部署，至少3個錨節(jié)點，4個更佳，使用DS-TWR可以滿足，但可能存在單點故障，若經(jīng)濟(jì)條件允許，可全部部署AOA錨節(jié)點。

2.3 TDOA與AOA混合定位研究

1、使用TDOA/AOA混合定位算法，相較與TDOA技術(shù)在較少基站兒TDOA無法求解的條件下，可利用AOA側(cè)向信息完成移動臺的定位;

2、使用TDOA/AOA混合定位算法，相較與AOA技術(shù)，可利用時差信息提高起定位精度;

3、目前雷達(dá)系統(tǒng)通常具有時差測量與測向能力，本發(fā)明提供了一種將兩類信息進(jìn)行融合定位的方法，比較單一定位方法，充分利用了可獲得的信息提高了定位系統(tǒng)的整體性能。

2.4結(jié)果與討論

實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實時檢測實驗者在室內(nèi)的位置，定位頻率可達(dá)35 次/s;在室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下定位誤差最大為0.32 m，行走狀態(tài)下的UWB 數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波器后，運動軌跡更接近真實軌跡;動態(tài)定位誤差最大為0.6 m，相比于原始UWB 數(shù)據(jù)誤差減小50%。在實際樓宇環(huán)境中的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)較大空間的室內(nèi)定位功能，可為需要進(jìn)行室內(nèi)定位的場景提供參考。

三、結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)移動健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)缺少室內(nèi)定位的問題，提出1 種用于智慧醫(yī)療行業(yè)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方法，在實際環(huán)境中，結(jié)合醫(yī)院CAD圖紙，做了信號仿真，優(yōu)化布點。軟件側(cè)，對傳統(tǒng)的DS-TWR 測距方法進(jìn)行簡化，提出多種算法 測距方法，減少了測距過程中消息發(fā)送的次數(shù)，提高了定位頻率，同時也減小了由于系統(tǒng)硬件造成的測距誤差，提高了測距精度。采用線性卡爾曼濾波器處理UWB 原始數(shù)據(jù)，可以有效地減小定位誤差。經(jīng)研究分析，不同場景使用不同算法模型，有助于減少成本投入，經(jīng)實地測量AOA/TDOA混合定位算法適應(yīng)力最強，但涉及技術(shù)、調(diào)試復(fù)雜，需對不同場景設(shè)置參數(shù)，定制算法難度較大。單一算法實現(xiàn)比較簡單，在實測中定位誤差將控制到到系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。本方案簡單利用后臺將算法處理數(shù)據(jù)，通過5G傳輸?shù)绞謾C等移動終端，方便查看，定位算法存在定位誤差，需一定優(yōu)化，后期需結(jié)合智慧醫(yī)療平臺，做數(shù)據(jù)導(dǎo)通，融入醫(yī)生、護(hù)士、患者身份信息，提供智慧化、人性化服務(wù)。

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通信作者：張景峰（1995-） 男 漢族 甘肅天水 深圳無線電檢測技術(shù)研究院 ，中級工程師，研究方向為信息化項目咨詢規(guī)劃設(shè)計

李騰飛（1987-） 男 漢族 廣東梅州 深圳無線電檢測技術(shù)研究院，高級工程師，研究方向為無線電設(shè)備檢測技術(shù)、無線電監(jiān)測及通信技術(shù)研究，

農(nóng)華斌（1995-）男 漢族 廣西崇左 深圳無線電檢測技術(shù)研究院，中級工程師，研究方向為軟件無線電，頻譜檢測技術(shù)研究，

李瑞（1995-）女 漢族 甘肅天水 鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院 ，住院醫(yī)師，研究方向為呼吸內(nèi)科，

李旭周（1994-）男 漢族 甘肅武威 中國鐵塔股份有限公司深圳市分公司，中級工程師，研究方向為鐵塔運維監(jiān)控，項目管理，