物聯(lián)網(wǎng)跟蹤和定位中基于設(shè)備的定位案例

部署在我們的家庭、車(chē)輛、工廠(chǎng)、辦公樓、公共空間和智能城市基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)十億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在推動(dòng)對(duì)大規(guī)模跟蹤和定位服務(wù)的需求。在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)代，精確地確定無(wú)數(shù)事物的位置，例如智能電表，醫(yī)療可穿戴設(shè)備，集裝箱和工業(yè)機(jī)器人。端到端定位服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)用例具有擴(kuò)展性和關(guān)鍵任務(wù)性，從物流和運(yùn)輸?shù)街圃旌湍茉础?/p>

今天的位置服務(wù)通常依賴(lài)于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），有時(shí)由Wi-Fi，藍(lán)牙，蜂窩ID和增強(qiáng)型蜂窩ID以及其他基于蜂窩的技術(shù)輔助。然而，為了充分利用物聯(lián)網(wǎng)跟蹤和定位服務(wù)的巨大潛力，我們需要一個(gè)更好的解決方案，以降低實(shí)現(xiàn)精確定位所需的硬件和軟件的成本和復(fù)雜性，同時(shí)最大限度地減少?gòu)脑O(shè)備傳輸?shù)皆频臄?shù)據(jù)量，以減輕安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于位置的服務(wù)的傳統(tǒng)方法在某些情況下具有明顯的局限性。例如，GNSS通常只在戶(hù)外工作，Wi-Fi通常不可靠或不可用，并且蜂窩ID和增強(qiáng)型蜂窩ID以及其他基于蜂窩的服務(wù)可能很復(fù)雜且部署成本高昂。需要部分或全部這些解決方案來(lái)提供準(zhǔn)確的定位。

例如，典型的支持無(wú)線(xiàn)功能的 IoT 設(shè)備可能使用 LTE 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用全球定位服務(wù) （GPS） 傳感器進(jìn)行室外定位，并使用 Wi-Fi 或藍(lán)牙連接進(jìn)行室內(nèi)定位。由此產(chǎn)生的多種無(wú)線(xiàn)設(shè)備和技術(shù)的復(fù)雜性需要專(zhuān)用硬件并推高功耗，這與物聯(lián)網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)相矛盾：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，超低功耗，微小的外形尺寸和非常低的成本。

更好的方法是通過(guò)使用4G LTE和基于5G設(shè)備的定位來(lái)純粹依賴(lài)蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身來(lái)消除這種硬件和軟件的復(fù)雜性。

基于設(shè)備的定位不依賴(lài)于云、GPS、Wi-Fi 或藍(lán)牙

基于LTE/5G設(shè)備的定位依賴(lài)于管理基于云的位置的相同基本原則，但由于最終用戶(hù)設(shè)備確定位置，因此該技術(shù)不依賴(lài)于云，并且?guī)缀跸伺c設(shè)備到云連接相關(guān)的延遲和安全/隱私問(wèn)題。與網(wǎng)絡(luò)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也大大減少，從而節(jié)省了大量電力并降低了最終用戶(hù)的數(shù)據(jù)使用成本。無(wú)需 GPS、Wi-Fi 或藍(lán)牙連接，因?yàn)榛谠O(shè)備的定位使用現(xiàn)有的 LTE 信號(hào)，從而減少了物料清單、系統(tǒng)成本、設(shè)備尺寸和功耗，同時(shí)延長(zhǎng)了電池壽命（見(jiàn)圖 1）。

圖 1：基于設(shè)備的定位技術(shù)（如 hellaPHY）消除了組件，降低了成本和尺寸，并延長(zhǎng)了電池壽命。

例如，PHY 無(wú)線(xiàn)的一種名為 hellaPHY 的基于設(shè)備的定位技術(shù)使用 3GPP 第 9 版中標(biāo)準(zhǔn)化的特定于位置的信號(hào)。這種基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)被稱(chēng)為定位參考信號(hào)（PRS），旨在提供盡可能高的精度和覆蓋范圍，同時(shí)減少干擾。這些地面信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度通常比衛(wèi)星GPS信號(hào)高50 dB。

無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)商可以不經(jīng)常廣播PRS信號(hào)，以最大限度地利用其頻譜用于數(shù)據(jù)和其他服務(wù)。這些信號(hào)通常用于滿(mǎn)足增強(qiáng)型 911 （E911） 服務(wù)的 FCC 要求。人們普遍認(rèn)為，如果PRS信號(hào)的頻率顯著超過(guò)用于E911等寬帶用例的極低密度，則低帶寬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以提供良好的精度。

基于設(shè)備的定位技術(shù)只需要非常有限的 PRS 信號(hào)帶寬（約 0.625%）即可實(shí)現(xiàn)接近 GPS 的性能。由于該解決方案是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商啟用和提供的服務(wù)，因此基于設(shè)備的定位使他們能夠充分利用位置信息的潛力，并從其網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)中獲取更高的價(jià)值。運(yùn)營(yíng)商無(wú)需簡(jiǎn)單地將 PRS 用于 E911 等應(yīng)用，而是可以應(yīng)對(duì)大量且不斷增長(zhǎng)的商業(yè)機(jī)會(huì)，這些機(jī)會(huì)既需要非常低的功耗，也需要很高的位置精度。

雖然GNSS可能比基于設(shè)備的定位具有更高的精度，但這一優(yōu)勢(shì)通常是沒(méi)有意義的，因?yàn)橹挥信c另一種定位技術(shù)結(jié)合使用才能實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)覆蓋。此外，并非每個(gè)場(chǎng)景都需要最高水平的定位精度，因此LTE-M技術(shù)的50米精度通常足以滿(mǎn)足許多用例的需求。隨著無(wú)線(xiàn)行業(yè)向5G過(guò)渡以及小型蜂窩的激增，特別是在私人無(wú)線(xiàn)部署中，基于設(shè)備的定位解決方案已被證明可以實(shí)現(xiàn)精確到一米的位置精度。

基于設(shè)備的定位基于避免與網(wǎng)絡(luò)交互可以節(jié)省電力的前提，因此通過(guò)將決策轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)邊緣并允許低功耗邊緣處理器自主做出決策，設(shè)備可以決定需要立即傳輸哪些數(shù)據(jù)以及以后可以存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)哪些數(shù)據(jù)。

通過(guò)最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)和云交互，這種方法可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展，所需數(shù)據(jù)量比其他蜂窩定位技術(shù)少 300 倍。這種方法還為可能需要地理圍欄或面包屑處理的各種應(yīng)用程序打開(kāi)了大門(mén)，使用基于云的技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用程序?qū)⒎浅?qiáng)大。

它是如何運(yùn)作的

基于設(shè)備的定位系統(tǒng)由多種功能組成，如圖 2 所示。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基站年歷（BSA）數(shù)據(jù)庫(kù)包含定義網(wǎng)絡(luò)布局的小區(qū)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的每個(gè)小區(qū)都由唯一的小區(qū)標(biāo)識(shí)符（ECGI）表征，其中包括小區(qū)傳輸點(diǎn)的經(jīng)緯度、物理小區(qū)指數(shù)、天線(xiàn)信息、發(fā)射功率等參數(shù)。云輔助服務(wù)器與BSA數(shù)據(jù)庫(kù)交互，根據(jù)與最終用戶(hù)設(shè)備的服務(wù)單元的距離，為最終用戶(hù)設(shè)備提供操作員BSA的一小部分。

圖 2：基于設(shè)備的定位系統(tǒng)的定位系統(tǒng)架構(gòu)。

可以使用單個(gè)micro-BSA獲得多個(gè)位置修復(fù)，并且一旦下載數(shù)據(jù)，設(shè)備就需要與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最少的額外交互。主機(jī)調(diào)制解調(diào)器為板載 hellaPHY 軟件提供必要的信息，以完全計(jì)算設(shè)備位置。為了最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，PRS 捕獲是在 3GPP 低功耗擴(kuò)展不連續(xù)接收 （eDRX） 空閑模式或省電模式 （PSM） 期間執(zhí)行的。

該軟件從micro-BSA中確定細(xì)胞以執(zhí)行測(cè)量以獲得最佳位置精度，并且使用高級(jí)到達(dá)時(shí)間（TOA）和濾波算法執(zhí)行參考信號(hào)時(shí)差（RSTD）測(cè)量。hellaPHY LOC由針對(duì)具有挑戰(zhàn)性的多徑蜂窩環(huán)境量身定制的位置估計(jì)算法組成，這些算法處理TOA測(cè)量值和各種質(zhì)量指標(biāo)，以得出用戶(hù)位置的估計(jì)值。這些組件緊密耦合，可快速有效地推導(dǎo)準(zhǔn)確的位置估計(jì)值。

為了說(shuō)明這一過(guò)程，圖3比較了用于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的三種定位解決方案。左側(cè)是輔助 GPS 方法（設(shè)備 A），中間是基于云的蜂窩方法（設(shè)備 B），右側(cè)是基于設(shè)備的位置解決方案（設(shè)備 C）。此分析中的每個(gè)設(shè)備都采用 LTE-M 基帶在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。LTE-M 低功耗特性包括 PSM 和 RRC 空閑不連續(xù)接收 （DRX）。分析假設(shè) PSM 名義功耗為 0.01 mA，RRC 空閑 DRX 功耗為 2 mA。當(dāng)連接到 LTE 網(wǎng)絡(luò)并在 RRC 連接模式下交換數(shù)據(jù)時(shí)，假定 LTE-M 調(diào)制解調(diào)器消耗 150 mA 電流。

Figure 3: Three devices studied.

設(shè)備 A 對(duì)衛(wèi)星傳輸執(zhí)行測(cè)量，設(shè)備 B 和 C 對(duì)地面 LTE 蜂窩信號(hào)執(zhí)行測(cè)量，同時(shí)還使用每 160 毫秒傳輸 1 毫秒的 PRS。3GPP 規(guī)范允許更高密度的 PRS，但假設(shè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正在部署低密度 PRS 來(lái)優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)容量。

設(shè)備 A 使用 GPS 接收器在設(shè)備上執(zhí)行位置估計(jì)，該接收器針對(duì)精確的定時(shí)測(cè)量、位置計(jì)算更新和濾波進(jìn)行了優(yōu)化。算法之間的這種緊密耦合可實(shí)現(xiàn)精確的位置精度。設(shè)備 B 在設(shè)備上執(zhí)行測(cè)量并將這些測(cè)量結(jié)果上傳到云

執(zhí)行位置估計(jì)的服務(wù)器。

這種方法存在一些基本問(wèn)題。例如，將位置測(cè)量值上傳到云會(huì)消耗功耗，從而縮短電池壽命，并且將設(shè)備上的位置測(cè)量值與云中的位置計(jì)算分開(kāi)可能會(huì)降低性能。最后，在云中存儲(chǔ)來(lái)自數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億臺(tái)設(shè)備的位置信息會(huì)招致黑客入侵。

設(shè)備 C 解決方案通過(guò)使用基于設(shè)備的定位克服了設(shè)備 B 的問(wèn)題。測(cè)量、位置計(jì)算和過(guò)濾之間的相互作用有效地提高了位置精度。就預(yù)期的位置精度而言，A-GPS仍然是室外位置的黃金標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)備具有清晰的天空可見(jiàn)性（例如衛(wèi)星），精度約為5 m。但如前所述，室內(nèi)覆蓋有限，而且往往無(wú)法獲得。

預(yù)計(jì)設(shè)備B的室內(nèi)和室外位置精度將超過(guò)100米，這不如室外A-GPS準(zhǔn)確，但仍然可用于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并具有室內(nèi)覆蓋的優(yōu)勢(shì)。設(shè)備C將具有比設(shè)備B更好的性能，精度為50米，基于Tier-1網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的試驗(yàn)結(jié)果，該運(yùn)營(yíng)商在LTE-M上比較了helaPHY。設(shè)備C還具有支持室內(nèi)和室外覆蓋的優(yōu)勢(shì)，并在更長(zhǎng)的電池壽命方面提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

雖然通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的歷史可以追溯到三十多年前，但它通常用于滿(mǎn)足911應(yīng)用的監(jiān)管要求。然而，物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的出現(xiàn)引入了廣泛的性能要求，包括準(zhǔn)確性，低延遲，可用性，可靠性，安全性以及許多其他因素。

實(shí)現(xiàn)精確定位的傳統(tǒng)解決方案需要使用GNSS，Wi-Fi甚至藍(lán)牙信標(biāo)。這些多種技術(shù)導(dǎo)致更高水平的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、系統(tǒng)成本和功耗，而這些都無(wú)法通過(guò)小型電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輕松適應(yīng)。最佳解決方案是通過(guò)僅利用5G網(wǎng)絡(luò)中用于LTE網(wǎng)絡(luò)通信的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備的定位，從而消除設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

圖 4：基于設(shè)備的位置可顯著延長(zhǎng)地理圍欄和面包屑處理應(yīng)用的電池壽命。

完全在設(shè)備上執(zhí)行定位需要消耗最少的直流功率以延長(zhǎng)電池壽命（圖 4），并采用主機(jī)設(shè)備固有的高級(jí)別安全性，同時(shí)提供依賴(lài)于 LTE/5G 信號(hào)的所有定位技術(shù)的最高精度?；诤＠璓HY設(shè)備的定位解決方案的能效是GNSS的60倍。

與其他方法相比，基于設(shè)備的定位軟件需要的內(nèi)存也少得多，可以擴(kuò)展到任何類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并且頻譜效率非常高。由基于設(shè)備的定位提供支持的位置服務(wù)不僅滿(mǎn)足了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)用例的需求，而且還使下一代LTE / 5G連接設(shè)備能夠提供更高的位置精度。

審核編輯 黃昊宇