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标题

面向智慧医疗应用的5G+UWB高精度室内定位

范文

张景峰　李腾飞　农华斌　李瑞　李旭周

【摘要】 ? ?随着5G新一代通信技术向各行各业渗透发展，智慧化服务与应用显得越来越重要。面向智慧医疗应用很少包含室内定位这一解决方案。本文提出一种基于超宽带（UWB）技术的高精度室内定位+5G承载网传输方案：由多个定位锚节点和目标节点组成定位系统;根据不同空间场景配置不同定位算法（TDOA、AOA、DS-TWR），以提高定位精度，并自主连接组成多簇树状网络用于数据传输，医、护、患可通过电脑，5G终端可查看实时轨迹、越区警告等，实现融合通信，为5G新基建融合渗透发展提供一种新的思路。

【关键词】 ? ?UWB高精度定位 ? ?智慧医疗 ? ?室内定位 ? ?超宽带技术 ? ?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：

超宽带技术（Ultra Wideband）是新一代无线通信技术之一，其工作特点利用非正弦波窄脉冲，高速大带宽传输数据，工作周期在纳秒（ns）至皮秒（ps）级，工作频率在1GHZ以上。其核心是时间调制技术，实现高速率传输数据，且功耗低，同时具有天生的定位优势。

UWB带宽的定义方式有2种：相对带宽≥20%，绝对带宽≥500MHz，见图1。

UWB标准化工作由IEEE 802.15工作组制定，归属于IEEE 802无线个人局域网（WPAN）标准，其下含蓝牙、WiFi等热门标準。

当前，新一代无线网络技术（UWB+5G）正加速与医疗行业深度融合，重构新一代无线网络的高精度室内定位新模式，将对医疗行业产生深远的影响。由于UWB+5G连通性的增强使其应用于诸多类的医疗设备，进而使得医疗设备物物相连，又进一步促使支持采集和传输医疗数据的传感器、物联感知网络、服务系统及应用软件的进步，本文在兼顾成本与精度的背景下最终将医疗设备和二三维矢量地图交互相连，从而持续自动传输定位数据，达到无线通信技术和医疗行业的有机耦合，为医疗行业智慧应用服务提供一种思路。

一、概述

1.1 5G+智慧医疗

新型基础设施，其涉及7个领域，其与新一代无线通信技术紧密联系。智慧医疗行业的核心便是“人-物交互”，人工智能亦是数据处理大脑与5G网络共同蝶变赋予物联网低延迟、高速率和多终端交互能力。因此，“5G+智慧医疗”背景下的智慧应用就新一代通信技术筑建新基建将，凭借其卓越的数字孪生能力，将是数据经济的重要算力。

聚积新一代无线通信技术，将UWB+5G部署患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化定位的基础上推出二/三维矢量地图及各种物联网可视化接口，能满足各种基于位置的服务和应用，有助于快速的推进项目落地，也能为终端用户提供多样化的位置服务，如动态电子围栏、实时定位、轨迹回放、虚拟巡更等。利用物联感知设备，借助大数据、云计算、人工智能等先进技术，亦可防撞检测、地下勘察、穿墙检测，应用前景开阔！

1.2 UWB自身特点

1.2.1系统容量大，传输速度快

香农信道容限公式知C=W log2（1+S/N），W越宽，最大传输速率C越大。由于频带窄的传统载波通信系统须采用MASK调制或能使其传输速率≥100Mbps，由上述定义知UWB通信的工作带宽在≥500MHz，可知C≥1Gbps。

1.2.2发射功率低

IR-UWB具有W≥1GHz频率带宽，故只需低的发射功率。在短距离无线通信应用中，发射机发射的UWB信号功率要≤1mW，基于此，长电池寿命，长系统工作时间，微幅射。

1.2.3多径分辨率高

UWB信号采用皮秒级到纳秒级窄脉冲，短周期保证了较强的时间和空间分辨率，因此具有优质的抗多径性能。

1.2.4系统保密性好

UWB发射功率低≤1mW，功率谱密度要远远低于普通的白噪声，UWB信号的安全私密性得以保障，保证医疗数据安全传输。

1.2.5穿透能力强

窄脉冲天生具备很强的脉冲穿透能力，可以帮助比如护士搜寻隔墙的儿童老人等。

1.2.6定位精度高

UWB信号具有超宽频带的特性导致其可达到厘米级分辨精度，在高精度领域其他窄带系统不可企及的。

1.3 5G通信技术的特点

1.3.1增进性移动宽带（eMBB）

这是针对医院主要技术场景。既满足院区连续广域覆盖，又满足住院区、门诊等人群集中热点地区高容量。医、患、护都能时时处处获得≥100Mbps体验速度和极高流量密度需求。

1.3.2超可靠低时延通信（uRLLC）

针对超低时延场景，面向高精度联网外科手术、远程医疗高精度机械臂、急救车-车联网、等医疗场景。提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

1.3.3大规模机器互联（mMTC）

主要面向智慧医疗设备以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、低成本、大规模互联的特点，密度要求M x/Km2。注：x代表不同连接终端。

总之，5G网络不仅继续提高人与人联网的通信速度，还将满足人与物、物与物通信需要的低时延、高可靠和高密度的性能。5G将开启一个万物互联的时代。

二、5G+UWB系统设计

2.1 智慧医疗系统架构

智慧医疗系统架构设计继承智慧城市系统架构，但是有所区别。本系统架构设计“4横3纵”，“4横”分别为：1.终端层借助UWB等新一代通信技术持续、快速地感知医疗原始定位等数据。2.网络层继承5G实时、可靠、安全的医疗数据传输。3.平台层利用可视化界面，智能、准确、地管理医疗数据。4.应用层实现多样化、人性化的医疗应用，如实时定位，地图轨迹展示。“3纵”分别指安全安全保障体系、标准规范体系、运维保障体系。

其中基于UWB、5G协议的胸卡、手环等无线终端为智慧医疗架构中终端感知层，起脉络感知，互联互通的作用。

2.2组网拓扑与定位引擎算法选择

本次组网为1台5G核心网交换机，1台应用服务器、1台5G BBU基带处理单元，新部署到医院数据中心，楼层弱电间机柜安装一台POE交换机，1台5GHUB，冗余接口，方便线路调试安装，在医院内部天花部署5G室分吸顶天线5G AAU以及UWB锚节点。其他无线终端40余台。系统组网采用树形组网结构，点位布点针对不同房间大小，部署不同数量的基站，本文不再对算法原理做过多赘述。

由于5G信号室内外协同覆盖，故小型基站挂载到室外铁塔或多功能智慧杆。考虑到成本原因，故对不同场景使用不同算法（成本、结构）产品。小房间考虑成本效益，部署一个基于AOA算法的锚节点（内置天线阵列，使用到达矢量角度测距）;走廊、隧道等一维空间，部署至少2个锚节点（单基站成本低，可使用TDOA到达时间差算法，或DS-TWR双边测距算法），三维大空间可灵活部署，至少3个锚节点，4个更佳，使用DS-TWR可以满足，但可能存在单点故障，若经济条件允许，可全部部署AOA锚节点。

2.3 TDOA与AOA混合定位研究

1、使用TDOA/AOA混合定位算法，相较与TDOA技术在较少基站儿TDOA无法求解的条件下，可利用AOA侧向信息完成移动台的定位;

2、使用TDOA/AOA混合定位算法，相较与AOA技术，可利用时差信息提高起定位精度;

3、目前雷达系统通常具有时差测量与测向能力，本发明提供了一种将两类信息进行融合定位的方法，比较单一定位方法，充分利用了可获得的信息提高了定位系統的整体性能。

2.4结果与讨论

实验结果表明：该系统可以实时检测实验者在室内的位置，定位频率可达35 次/s;在室内静止状态下定位误差最大为0.32 m，行走状态下的UWB 数据经过卡尔曼滤波器后，运动轨迹更接近真实轨迹;动态定位误差最大为0.6 m，相比于原始UWB 数据误差减小50%。在实际楼宇环境中的测试结果表明，该系统可实现较大空间的室内定位功能，可为需要进行室内定位的场景提供参考。

三、结束语

本文针对传统移动健康监护系统缺少室内定位的问题，提出1 种用于智慧医疗行业的超宽带室内定位系统设计方法，在实际环境中，结合医院CAD图纸，做了信号仿真，优化布点。软件侧，对传统的DS-TWR 测距方法进行简化，提出多种算法测距方法，减少了测距过程中消息发送的次数，提高了定位频率，同时也减小了由于系统硬件造成的测距误差，提高了测距精度。采用线性卡尔曼滤波器处理UWB 原始数据，可以有效地减小定位误差。经研究分析，不同场景使用不同算法模型，有助于减少成本投入，经实地测量AOA/TDOA混合定位算法适应力最强，但涉及技术、调试复杂，需对不同场景设置参数，定制算法难度较大。单一算法实现比较简单，在实测中定位误差将控制到到系统误差范围内。本方案简单利用后台将算法处理数据，通过5G传输到手机等移动终端，方便查看，定位算法存在定位误差，需一定优化，后期需结合智慧医疗平台，做数据导通，融入医生、护士、患者身份信息，提供智慧化、人性化服务。

参考文献

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通信作者：张景峰（1995-）男汉族甘肃天水深圳无线电检测技术研究院，中级工程师，研究方向为信息化项目咨询规划设计

李腾飞（1987-）男汉族广东梅州深圳无线电检测技术研究院，高级工程师，研究方向为无线电设备检测技术、无线电监测及通信技术研究，

农华斌（1995-）男汉族广西崇左深圳无线电检测技术研究院，中级工程师，研究方向為软件无线电，频谱检测技术研究，

李瑞（1995-）女汉族甘肃天水郑州大学第二附属医院，住院医师，研究方向为呼吸内科，

李旭周（1994-）男汉族甘肃武威中国铁塔股份有限公司深圳市分公司，中级工程师，研究方向为铁塔运维监控，项目管理，

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