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技術探索

CSI精準定位系統  提供智慧工廠人員管理解決方案

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 陳君儀

室內定位系統在近年來是一個重要的議題,室內定位的應用廣泛,如室內路徑指引、室內導購指引等導航相關應用,以及醫療相關的長照老人追蹤等,這些應用都具備高商業價值,除了個人及居家應用,定位系統更能結合工廠人員管理,打造一個智慧工廠人員管理的環境,透過定位系統可以實現人員上下班管控及禁區管理等項目,令定位系統更多元化。

室內定位事實上是多年前就已經出現的技術,但過往定位精準度不高,以至未能被廣泛使用,在近年來多種定位技術相繼被提出,如Wi-Fi、藍牙、紅外線、RFID、ZigBee、UWB、超聲波、5G等,其中Wi-Fi更是十多年前曾提出的方法,但在近年來有了新的躍進,本文介紹Channel State Information(CSI)定位,以及透過CSI精準定位系統如何提供智慧工廠人員管理。

精彩內容

1. CSI室內定位介紹
2. CSI精準定位系統:智慧工廠人員管理

Channel State Information(CSI)定位介紹 

1.CSI定位的前身:RSSI定位
由於接受訊號強度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)定位為CSI定位的前身,因此先簡單介紹RSSI,早年基於RSSI的定位演算法備受關注,RSSI屬於MAC層的資訊,每一個封包在接收端會得到一個相對的RSSI值,此值越大代表訊號越強,反之值越小訊號越弱。

透過RSSI定位主要分為2種方法,第一種是透過RSSI的強度計算距離,基站(Base Station, BS)在接收到裝置(User Device, UD)的訊號後可以得到接收訊號的RSSI,BS利用訊號衰減模型(Path-Loss Model)把RSSI轉換為距離,多個BS分別取得不同的距離後可以透過三角定位計算出UD的位置,以下為一常見的Path-Loss Model公式。



其中d為計算後的距離(單位為米),RSSI為接收到的訊號強度,A為BS與UD在距離1米時的RSSI,n為環境的衰減因子,需因為環境而調整。

RSSI另一種定位方式是基於指紋定位(Fingerprinting),使用指紋定位需要定位前收集各個位置RSSI值並建立指紋資料庫,在定位時把收集到的RSSI與指紋資料庫中的RSSI做比對,找出最接近的位置作為定位結果。

Path-Loss Model是單路徑時RSSI的衰減模型,但在室內環境容易存在多路徑影響,而RSSI會受多路徑影響而不會隨距離增減,因此影響Path-Loss Model轉換為距離準確性,除此之外,多路徑也會影響RSSI的穩定性,在典型實驗室環境下,一台靜止的接收機在1分鐘內接收到的RSSI可能出現5dB的波動[1],此波動會影響指紋定位的準確性。

2.CSI定位的改進
CSI可以視為RSSI的升級版,與RSSI為MAC層訊息不同,CSI是PHY層的信息,可以得到更多MAC層得不到的通道訊息。在室內環境中存在多路徑的問題,RSSI反映出的是多路徑疊加後的總振幅,因此RSSI的穩定性與可靠性受環境中的多路徑影響,RSSI會因為多路徑影響令強度有小幅度的變化,導致強度不一定會隨距離而衰減。

事實上多路徑對訊號的影響為頻域上選擇性的訊號衰減,因此從頻域上取樣訊號數據可以有效分析多路徑的問題,從頻域上取樣訊號數據即為CSI,每一個封包可以取得一組CSI,一組CSI是透過OFDM各子載波頻率差為取樣間隔,因此CSI代表各子載波的相位及振幅,透過CSI能在一定程度上區分多路徑,從而能提高室內定位的準確性,除此之後CSI在的不同的環境中能呈現出不同的子載波振幅及相位,而在相同環境中CSI則能保持相對穩定。

CSI在定位上常見使用Fingerprinting的方式定位,與基於RSSI的Fingerprinting類似,需要在定位前收集各個位置CSI值並建立CSI指紋資料庫,由於CSI在不同的位置反應的特徵較RSSI明顯,且穩定度高,所以CSI指紋定位也相較RSSI準確。目前5G訊息中也包含CSI資訊,其中包含CQI、RI、LI、PML、CRI、SSBR與1-RSRP,手機會上報CSI到gNB,因此也可以利用5G的CSI架設定位系統,5G定位相關可參考177期5G及新興應用專輯-5G精準定位技術 支援多元定位服務需求 [2]。

 

CSI精準定位系統:智慧工廠人員管理

由於工廠中有大量人員,管理人員是工廠中一個重要的項目,透過室內定位提供智慧工廠人員管理是一項新穎的技術,主要目的是透過智慧化管理人員,例如工廠人員定位監控、禁區進入管制、廠外來賓管理及區域逗留時間管理等。每人身上只需要擁有可發送相對訊號的裝置,如手機等,行動裝置不需另外安裝App即可由定位系統管理。

1.工廠人員定位監控:工廠的工作環境可能存在危險,定位系統也能用於尋找因意外失聯的人員,提早發現意外現場,此外也能用於工作記錄,記錄人員上班期間人員是否有在相應的工作岡位上,定位系統可以提供管理人即時查看人員所在位置,也能記錄人員定位追蹤供需要時查看。

2.禁區管理:透過預先建立禁區可進入的人員名單,當發現有不合法進入特定禁區的人員時系統可以發出警報,通知該人員或管理人前往處理,可以提高工廠的安全性。

3.廠外來賓管理:廠外來賓包括貴賓及送貨員等,可由定位系統監控或尋找其所在位置,能檢查是否有進入不可進入的地方外,如工廠內不可使用具有網路功能等外來裝置時,也可以由定位系統檢查其是否有攜帶不合法裝置等功能。

4.逗留時間管理:在人員進入有逗留時間管理等區域時,可以透過定位系統記錄其逗留時間,即時監控及管理人員,降低人員發生危險的機率。

CSI定位系統基本元件分為3種,基站、Tag及定位伺服器,Tag為被定位裝置(例如手機),Tag會發送定位所需要的訊號,基站用於放置在定位場域中接收Tag所發送定位訊號,基站收到封包時會同時取得CSI,結合Tag所發送的訊號的封包中包含Tag的資訊,如MAC,即可分辨該CSI所屬的人員,所有CSI最後會傳送至定位伺服器,定位伺服器會收集及校正CSI,最後透過定位演算法計算定位結果,定位結果會依照應用傳送至相對應用程式或儲存致資料庫供後續使用,圖1為CSI定位系統架構圖。

圖1 CSI定位系統架構圖

定位準確度可能會受場域環境差異而有所不同,在測試環境中校正後的參數大多不能直接使用於真正的場域,需要在場域中校正參數,以提高實際場域中定位的準確度,除了參數外,基站的數量及距離也需要依定位準確度而增減,另外,基站需要與定位伺服器連線以傳送CSI,在場域定位伺服器的放置或連線方式可能會受限制,例如需要放在廠商既有的裝置中,連線方式可能需使用無線,因此需要針對各場域設定基站與定位伺服器間的網路,也需要確保不與定位系統衝突。

 

5G定位系統多元化的新天地 

基於CSI的精準定位系統是一項可以與其他管理整合的技術,透過精準定位可以追蹤人員,提高工廠人員管理的方便性,也能人員工作場所的安全性,以減少工廠大型意外的發生。
由於5G訊號中包含CSI,CSI定位系統可基於5G架設,使用者可以使用手機並且不需要安裝特別的軟體,即可受定位系統管理,5G定位系統結合各種智慧化系統將能開拓5G定位系統多元化的新天地。

 

參考文獻

 

[1] Zheng Yang, Zimu Zhou, and Yunhao Liu, From RSSI to CSI: Indoor Localization via Channel Response, ACM Computing Surveys, Volume 46, No. 2, 2014
[2] 5G精準定位技術 支援多元定位服務需求,177期5G及新興應用專輯,108-03-16

 

延伸閱讀