定位技术在物联网领域的应用发展分析.pdf(共7页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上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 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；移动位置服务专心-专注-专业引言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。1.1 3G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-TDOA1。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(Frequency Division Duplex)模式下， 可以通过测量信号往返时间(Round Trip Time, 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(Observed Time Difference ofArrival-Idle Periods DownLink)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-Global Navigation还受到多径传播的影响。Satellite System，A-GNSS)2。3) A-GPS(AssistedGlobal Positioning System,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34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(UplinkTime Difference of Arrival)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(Location Measurement Unit，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1 LTE A-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1.2 LTE A-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(Evolved Serving Mobile Location Centre，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-Fi AP、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 23min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-IPDL 150m以内<5s蜂窝网络覆盖区域粗精度定位U-TDOA40120m<5s蜂窝网络覆盖区域粗精度定位A-GPS室外环境510m， 35s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510m， <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-Fi315m，与AP密度 <3sWi-Fi AP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(Traffic Message Channel)实时 路况导航系统，如日本的VICS(Vehicle Information and Communication System)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，能够有效缩短作 业时间，提高运营效率，最终降低物流成本。目前，在物流过程中，货物定位的信息载体主要有RFID和条形码两种形式，由于RFID标签成本较高，导致市场占有率还比较低；而条形码识读成功率低，识读距离较近，并且必须逐一扫描，在某种程度上影响了物流速度。相信随着技术的成熟和制作工艺的发展，RFID的技术优势会在推动物流向更智能的方向发展得到充分体现。2.3 智能医疗智能医疗是通过传感器等信息识别技术获取位置信息、患者体征信息等，通过无线网络的传输，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，提高医疗机构的信息化程度，使有限的医疗资源能够为更多的人所共享。紧急医疗救援是移动定位技术最早衍生出的应用服务。随着技术的发展，目前在智能医疗方面，定位技术主要用于救护车的定位跟踪调度、医院内人员和器械的定位。在医院内部署基于短距离无线定位技术的室内实时定位系统(Real Time Location System，RTLS)，对医护人员、医疗设备实时定位，在使用的时候能够迅速定位和调用，提高工作效率，同时，对病患进行跟踪看护并提供紧急呼救定位，以便在医院室内实现迅速定位，防止传染病扩散和意外事故的发生。目前，美国Ekahau公司基于Wi-Fi的RTLS已经应用于包括北京地坛医院在内的全球150多家医院。3 定位技术在物联网中的发展前景与面 临的挑战据物联网应用与产业发展监测数据显示，2012年，我国物联网产业市场规模达到3 650亿元，同比增长39%，发展势头强劲，预计2017年将超过万亿元级，到2020年，中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务创新三个关键的发展阶段，成长为一个超过5万亿规模的巨大产业4。定位技术作为物联网的关键技术之一，由其衍生的市场经济效益也将不容小觑。2012年我国LBS个人市场规模达到36.78亿，同比增加135%，预计2013年整体个人市场规模将达到70.3亿。 随着物联网在行业应用中的不断深入，作为物联网应用中核心要素之一的定位技术，也在交通、医疗、安防等多个方面扮演着不可或缺的角色，并呈现出以下发展趋势。1) 定位范围不断扩大，无缝覆盖的需求已开始呈现。随着定位技术在物联网行业应用范围的不断扩大，新兴应用对定位的需求已不局限于单纯的室外场景，在室内定位、多种环境下的混合定位等方面也提出了新的需求。例如门到门路径导航类应用需要实现包括车辆行驶时的室外导航、室内停车场的车位引44Systems & Solutions 系统与方案导、用户到室内特定楼层的兴趣点导引等。在这类应用中，同时涉及到GPS、3G定位、WiFi、RFID等多种定位形式。要实现这类应用，需要在成本可行的前提下，围绕用户的身份、出发地和目的地等关键参数，建立不同定位能力的联动才可以做到“无缝”地满足用户整个行程的导航。2) 定位精度趋于更高，新的应用开始出现。传统定位技术一般可以实现10100m的定位精度，经过改进的新一代定位技术则可以实现10m甚至5m以内的精确定位。定位精度的不断提升，将催生新的应用，甚至会带来物联网产业的变革。目前，我国也在积极推动提高定位精度的前沿技术研究，包括基于北斗的地基增强技术、天基定位技术等，通过地面部署的卫星辅助定位设施，预计可以将定位精度提高到厘米甚至毫米级。定位精度的大幅提高，可以为军事制导、道路交通状况、路政设施安全状态监控、天气及地震预测等带来极大的能力提升。可以设想，未来基于高精度定位的道路桥梁状态实时监控系统将会为及时发现道路运输安全隐患，改善人民群众的出行安全，带来极大便利。定位技术已有数十年的历史，许多定位系统也已成熟商用。一方面，定位技术的应用为物联网发展带来巨大机遇；另一方面，物联网应用的发展也为定位技术的演进与发展提出新的挑战5。具体而言，挑战一：如何保证物联网环境下的信息安全和隐私保护。物联网发展伴随着海量的信息感知和交互，信息量增长的同时也增加了信息泄露的危险系数。随着定位精度的提升，位置信息所关联的时间、对象等内涵信息也越来越丰富。定位信息倘若被窃听利用，将可能严重影响到个人隐私甚至是带来安全隐患。如何在发展定位技术的同时，保证信息的安全性，是未来将会面临的挑战。挑战二：物联网环境中大规模应用带来的成本问题。物联网实现物物相连，意味着将有数以百亿计的设备将要接入网络，并且种类繁多。目前，虽然车载终端和手机终端已经集成GPS模块，但是面对如此庞大的终端数目，如何控制定位成本，并且使定位技术能适用于各种类型的设备，都将是伴随着物联网发展所将要面临的问题。4 结束语定位技术，无论是传统的GPS定位技术还是借助于无线网络的定位技术或者短距离无线定位技术，都有其技术优势，但也都具有一定的局限性，特别是针对物联网异构的网络和复杂的环境，未来定位技术的发展趋势必然是将多种定位技术有机结合，发挥各自的优点，不断提高定位精度和响应速度，同时扩大覆盖范围，最终实现无缝、精准、迅速、安全的定位。参考文献1 3GPP.TS 25.305 v11.0.0.Functional Specification of User Equipment Positioning in UTRANS.(Stage 2).20122 3GPP.TS 36.305 v11.0.0.Functional Specification of User Equipment Positioning in E-UTRANS.(Stage 2). 20133 Deng Zhongliang,Zou Dejun,Huang Jianming,et al.The Assisted GNSS Boomed up Location Based Services C/IEEE WICOM,2009:1-44 工信部电信研究院. 数据监测系列季度报告物联网应 用与产业发展监测R.2013,45 刘云浩. 物联网导论M.北京:科学出版社,2010:74-75作者简历刘媛媛李建宇硕士，目前从事的研究主要关注移硕士，目前主要从事与物联网相关和动互联网、物联网、智能交通等领域。行业应用关键技术及解决方案，尤其关注车联网、汽车信息化领域的发展。45