定位技术在物联网领域的应用发展分析.pdf

Systems&Solutions系统与方案定位技术在物联网领域的应用发展分析刘媛媛李建宇中国联通研究院北京100032摘要首先梳理定位技术的发展，总结并对比分析各类定位技术的原理和特点，然后阐述定位技术在智能交通、物流、医疗等物联网行业领域的应用现状，最后，基于市场发展预测定位技术在物联网中的应用发展前景，并从技术演进角度分析定位技术在物联网环境下发展所面临的挑战。关键词物联网；定位技术；全球导航卫星系统；移动位置服务引言2005年，ITU在《ITU互联网报告2005：物联网》中提出物联网的概念；2012年，物联网的定义被正式写入《物联网概述》标准中：“物联网是信息社会的一个全球基础设施，它基于现有和未来可互操作的信息和通信技术，通过物理的和虚拟的物物相联，来提供更好的服务”。可以认为，物联网是将各种信息传感设备及系统通过公用或者专用的接入网与互联网相连而形成的巨大智能网络。物联网通用体系架构将物联网分成感知层、网络层、支撑层、应用层的分层结构，在未来复杂的异构网络环境下，对“物”进行精准的定位、跟踪和操控，从而实现全面灵活可靠的人-物通信、物-物通信。物联网感知层主要实现对物理世界信息的采集，其中一项重要信息就是位置信息，该信息是很多应用甚至是物联网底层通信的基础。位置信息并不仅仅是单纯的物理空间的坐标，通常还关联到该位置的对象以及处在该位置的时间，要实现任何时间、任何地点、任何物体之间的连接这一物联网发展目标，位置信息不可或缺，如何利用定位技术更精准更全面地获取位置信息，成为物联网时代一个重要研究课题。1定位技术的发展从1996年美国正式发布国家GPS政策至今，卫星定位导航技术已经成为当前应用最广泛、最成熟的无线定位技术。然而，GPS定位虽然能够满足大部分商用需求，但针对移动定位，仍存在精度低、耗时长、环境受限等无法弥补的缺陷。随着无线通信技术的发展，基于网络信息的定位技术，开启了移动定位的新篇章。同时，针对之前的定位盲区——室内环境的定位技术近几年也引发业界的强烈关注。定位技术正向着更全面、更精准的方向不断前行。1.13G定位技术3GPP标准中规定了第三代移动通信网络支持的定位方式，包括Cell-ID、OTDOA-IPDL、网络辅助GPS、U-TDOA[1]。1)Cell-ID定位。Cell-ID定位的原理是依据终端所属服务小区的位置来确定终端所处的位置。使用Cell-ID定位估计的终端位置将会是小区内的某个固定位置，Cell-ID的定位方式精度取决于基站覆盖范围的大小，误差较大。在FDD(FrequencyDivisionDuplex)模式下，可以通过测量信号往返时间(RoundTripTime,RTT)来进一步提高定位精度。虽然Cell-ID定位方法精度不高，但其优点是不需要对移动终端和网络进行升级改造，成本低，并且定位响应时间短。2)OTDOA-IPDL(ObservedTimeDifferenceofArrival-IdlePeriodsDownLink)定位。OTDOA是利用终端侧接收到多个不同基站的下行链路公共导频信号到达时间差来实现定位的。终端测算到多个基站距离的时41系统与方案Systems&Solutions延差后，根据基站的地理位置计算得到终端的位置。在术提高了定位技术的覆盖范围，但是定位精度有限。CDMA系统中，终端所处的服务基站的强信号会影响其A-GPS技术虽然有较高的定位精度，但是覆盖范围有他同频基站导频信号的接收，3GPP提出了利用基站指待进一步提升，尤其是在GPS信号有遮挡、可见卫星定下行空闲周期IPDL的方法来解决这一问题，服务基不足四颗的场景中，A-GPS的定位性能会受到很大影站在空闲周期内只发送导频信号，不发送业务信号。采响。随着通信技术以及卫星导航技术的进一步发展，用此定位方法，定位精度较Cell-ID有较大改善，但定位LTE定位技术在3G定位技术的基础上有了进一步提精度受限于时间测量的精度以及基站的相对位置，同时升，支持网络辅助GNSS(Assisted-GlobalNavigation还受到多径传播的影响。SatelliteSystem，A-GNSS)[2]。3)A-GPS(Assisted–GlobalPositioningSystem,GNSS是已有和将来可能会有的、全球的、区域的A-GPS)定位。A-GPS通过在移动网络中增加位置服务和增强的卫星导航系统的统称。A-GNSS定位在终端配器等GPS辅助设备，配合终端的GPS模块，快速完成置了GNSS信号接收器，它是能够支持多种导航系统的定位。A-GPS可分为基于终端和终端辅助两种类型。多模接收器而不仅仅局限于GPS。在定位过程中，不同基于终端的定位方法在终端内部配置功能完善的GPS的GNSS可以单独或者联合使用，将各种卫星导航系统接收处理组件，在终端侧完成定位计算。终端辅助的定资源整合使用，提供更加精确可靠的定位服务，如图1位方法是将终端定位测量信息发送至网络侧定位单元所示。在同样环境下，A-GNSS终端可见的卫星数将会处理模块完成位置估计，简化终端侧GPS处理单元的是A-GPS终端的3~4倍。例如，处于遮蔽角30°的终端，复杂度。与传统GPS定位相比，该技术降低了终端侧可视的GPS卫星少于3颗，但是同时考虑上Galileo、北GPS的启动和接收次数，大大缩短了GPS信号首次捕斗，则至少有8颗卫星可视[3]。因此，A-GNSS可以提供获时间，加快了定位速度，同时，通过网络侧获得的定优于A-GPS的定位精度和可用范围。位辅助信息增加了定位的灵敏度和精确度，由于终端侧GPS在不使用时可处于待机状态，比传统单GPS的方式耗电量更少。但是，该技术也存在一定的缺陷，如无HQTHMPOBTTHbmjmfp法进行室内定位，且A-GPS定位须通过多次网络传输HOTT实现，会造成空口资源的过多占用。4)U-TDOA(Uplink–TimeDifferenceofArrival)NNF定位。U-TDOA定位方法根据网络侧测量终端信号的HOTT到达时间差来进行定位，需要至少四个位置测量单元F.TNMD(LocationMeasurementUnit，LMU)参与测量。由于LMU地理位置已知，根据接收到的终端发送的接入突图1LTEA-GNSS架构发脉冲或常规突发脉冲到达时刻的传输时间差，按照双A-GNSS也分为基于终端和终端辅助两种方式。曲线三边测量法计算出终端的位置。采用U-TDOA定位采用不同的定位类型，网络为终端提供的辅助信息也精度相对较高，不需要对移动终端进行改造，但是需要不同。辅助信息可大致分为两类：一类是辅助测量数在网络侧安装LMU，成本较高。据，包括参考时间、可视卫星列表、卫星信号多普勒1.2LTEA-GNSS定位频偏、码相位等；一类是定位计算数据，包括参考时第三代移动通信中采用的Cell-ID、OTDOA等技间、参考位置、卫星星历、时钟校准。这些辅助信息由42Systems&Solutions系统与方案E-SMLC(EvolvedServingMobileLocationCentre，演进服务移动定位中心)提供给终端，同时，在终端辅助方式下，定位计算由E-SMLC完成。在网络侧，设有一个GNSS参考接收机网络，如图1所示，通常设置在无遮挡的开阔地区，用于连续接收GNSS信号，随时为终端定位提供卫星参考信息。1.3短距离无线定位技术物联网感知终端所处的环境千差万别，基于无线通信网络的定位技术与传统卫星定位技术，可以实现广域范围的目标定位，但在室内、地下等信号无法覆盖的环境中难以为继。短距离无线定位技术，如Wi-Fi定位、RFID定位等由于成本低、精度高、使用广泛等优势，适合于室内环境定位，近期在物联网定位应用中得到广泛关注。短距离无线定位的原理通常是根据终端接收到的多个信号源的信号强度和已知的信号源位置信息(如：Wi-FiAP、RFID参考标签)通过计算得出定位结果，信号越多，定位越准确；因此，可以通过提高信号源节点的密度来提高定位准确度。尤其在物联网中，RFID得到广泛使用，更为短距离定位技术的应用创造了条件。1.4定位技术的比较表1多种定位技术比较定位技术定位精度定位时间应用场景GPS室外开阔地15m以2~3min常用作室外车辆定位内导航Cell-ID200米(微蜂窝)到几3s蜂窝网络覆盖区域粗km(宏蜂窝)不等精度定位OTDOA-IPDL150m以内5s蜂窝网络覆盖区域粗精度定位U-TDOA40~120m5s蜂窝网络覆盖区域粗精度定位A-GPS室外环境5~10m，3~5s空旷地区移动用户高室内环境小于200m精度定位A-GNSS室外环境5~10m，5s弱卫星信号下的移动室内环境小于200m用户高精度定位Wi-Fi3~15m，与AP密度3sWi-FiAP部署较密有关集的室内定位RFID随标签和部署方式1s工业生产、商品物流不同，定位精度变化较大表1中列举了各种定位技术的技术指标，可以看出各种定位技术的定位精度和速度不同，适用场景也有所不同。但是，如果灵活使用各种定位技术，让需要定位的物体在处于不同环境中时，能选择最适合的定位方式，将极大地扩大定位的广度和精度。定位的连续覆盖和高精度将为更多基于位置信息的物联网应用的实现创造可能。2定位技术在物联网中的应用现状工信部在《物联网“十二五”发展规划》中提出要在智能工业、农业、物流、交通、电网、环保、安防、医疗、家居九大重点领域开展应用示范工程，探索应用模式。定位技术作为物联网的一项重要感知技术，借助其获取物体的即时位置信息，可以衍生一系列基于位置信息的物联网应用。特别是在交通、物流领域，物体的位置实时变化，采集的其他信息通常必须与位置信息关联才有价值，因此，定位技术在智能交通、物流领域得到广泛的应用和发展。而在医疗领域中，要实现对众多的流动医疗资源和病患的实时跟踪和管理，同样也需要依赖于定位技术。2.1智能交通智能交通在现有交通基础设施和服务设施基础之上借助物联网的信息采集、传输和处理能力，实现汽车与汽车之间、汽车与交通设施之间的通信，为交通参与者提供多样性的智能服务。可以说，物联网是智能交通正常运行的基础设施，智能交通是物联网产业化发展的一个重要应用领域。在智能交通方面，很多服务都依赖于对车辆实时位置信息的采集。目前主要采用GPS、A-GPS技术进行车辆的实时定位、跟踪，从而为驾驶人员提供出行路线的规划、导航及行车安全管理等。车载导航系统走过了第一代自助式导航和第二代多媒体导航，已经步入以无线通信和互联网技术为特征的第三代导航。第三代导航系统可以利用实时路况信息，为用户进行出行规划，实现“疏堵式”导航，避免拥堵路段，同时实现远程防43系统与方案Systems&Solutions盗、故障诊断、求助救援等功能。目前，国外的TMC(TrafficMessageChannel)实时路况导航系统，如日本的VICS(VehicleInformationandCommunicationSystem)系统、欧洲的Euro-Scout系统、美国的RDS-TMC系统等都已经广泛普及，能够根据道路实况规划最优行车路线，显著改善了交通拥堵、交通安全。2.2智能物流智能物流是将物联网技术应用于传统物流行业，通过各种传感技术获取货物存储、运输环节的各种属性信息，再通过通信手段传递到数据处理中心，对数据进行集中统计、分析和处理，为物流的管理和经营提供决策支持，提高物流效率，压缩物流成本，实现物流的自动化、信息化、网络化。在智能物流整个过程采集的数据中，都包含着货物的位置信息，定位技术在智能物流的各项应用中都有着至关重要的作用。在现阶段，定位技术主要用于货物的仓储管理、物流车辆监管以及配送过程的货物跟踪。物流公司在货物的包装或者集装箱上安装传感装置，存储货物信息、货物在每一次出入仓装卸、或者经过运输线检查点时都会进行信息采集，以便实时监控货物的位置，防止物品遗失、误送等情况的发生。整个过程不只物流公司，相关客户也可以通过网络随时了解货物所处的位置。货物配送过程中采用定位技术追踪货物状态，