定位分析蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

王昭 張寶營 袁飛

【摘?要】隨著信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，各行各業(yè)需求增加，物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了關(guān)注的焦點，定位技術(shù)已成為發(fā)展的核心。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);蜂窩通信;定位

Positioning analysis cellular communication IoT technology

Wang Zhao，Zhang Bao-ying，Yuan Fei

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

【Abstract】With the rapid development of information industry， the demand of all walks of life is increasing， and the Internet of Things is developing rapidly. Honeycomb Internet of Things has become the focus of attention， and positioning technology has become the core of development.

【Key words】Internet of Things;Cellular Communications;Location

1. 引言

（1）近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線蜂窩移動通信技術(shù)成為了大家關(guān)注焦點。1996年10月美國聯(lián)邦通信委員會發(fā)布了無線E9ll呼叫緊急服務(wù)功能。針對E911定位要求的具體實施，聯(lián)邦通信委員會的核心是所有移動通信網(wǎng)絡(luò)必須分階段提供緊急呼叫用戶的經(jīng)緯度位置信息。各國各大公司已開始制定自己的GSM，IS-95CDMA和第三代移動通信系統(tǒng)定位實施方案。 尤其是，3GPP和3GPP2上的要求更具體，這也是對蜂窩無線定位的肯定。

（2）另外，物聯(lián)網(wǎng)對移動用戶服務(wù)的需求日益劇增。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)可以處于通話狀態(tài)和空閑時獲取地理位置等信息，利用物聯(lián)網(wǎng)的位置信息，運營商可以獲取位置環(huán)境信息可以向用戶提供諸如查詢和緊急情況的各種增值服務(wù)。救援，智慧城市，智能交通，雪亮工程，智慧電網(wǎng)，廣告等運營，維護和管理的輔助數(shù)據(jù)，以及移動通信網(wǎng)絡(luò)。迄今為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)研究取得了很大進展?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)有望在未來幾年迅速發(fā)展。

2. 物聯(lián)網(wǎng)特點簡介

傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)連接“人”或計算機或終端設(shè)備的用戶，而物聯(lián)網(wǎng)不僅指“人”，還指“東西”或各種設(shè)備和設(shè)施。如果將現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)與連接到虛擬世界的信息網(wǎng)絡(luò)進行比較，則可以將物聯(lián)網(wǎng)與通過虛擬世界連接網(wǎng)絡(luò)將物理世界相互連接的網(wǎng)絡(luò)進行比較。使得生產(chǎn)經(jīng)營等項目，直接掛鉤在一起?；趥鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信息和服務(wù)必須通過人為判斷和操作應(yīng)用于項目或目標(biāo)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)的概念是目標(biāo)設(shè)備或物品直接通過網(wǎng)絡(luò)接收信息數(shù)據(jù)進行預(yù)判和操作。學(xué)者們相信，將來，人工操作的信息數(shù)據(jù)的傳輸和接收將大大減少，物體或智能設(shè)備對信息數(shù)據(jù)的傳輸和接收將大大增加。這意味著設(shè)備或?qū)ο蟮闹悄懿僮髯詣尤〈烁嗟氖謩硬僮?。但實際上，采集監(jiān)控只是物聯(lián)網(wǎng)功能的一部分，對物聯(lián)網(wǎng)的看法主要是“感知”，因此大多數(shù)人將物聯(lián)網(wǎng)視為傳感器網(wǎng)絡(luò)。雖然它只是一部分，但它是一個非常重要的部分。

3. 蜂窩通信技術(shù)

（1）當(dāng)前的移動通信技術(shù)屬于無線蜂窩移動通信。 在移動通信中，有許多方法可以使用正六邊形單元進行覆蓋，例如使用方形單元，三角形單元和正六邊形單元無縫覆蓋地面，并且頻率規(guī)劃很容易。 由于基站天線便于設(shè)置并且總體成本較低，因此普通移動通信使用常規(guī)六邊形小區(qū)進行覆蓋規(guī)劃。 通常稱為蜂窩移動通信，因為通常的六邊形連接之一無縫地覆蓋地面，就像蜂巢一樣。

（2）今天的GSM、CDMA，3G通信，包括以前的模擬移動通信，都是蜂窩移動通信。 蜂窩通信采用蜂窩無線組網(wǎng)方式，通過無線信道連接在終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，從而使用戶能夠在活動期間相互通信。 它的主要特點是終端的移動性，它具有自動漫游和切換本地網(wǎng)絡(luò)的功能。 蜂窩移動通信服務(wù)是指由諸如移動交換子系統(tǒng)和基站子系統(tǒng)之類的設(shè)備組成的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的如語音，數(shù)據(jù)和視頻圖像的服務(wù)。 蜂窩移動通信服務(wù)包括：900 / 1800MHz GSM，800MHz CDMA第二代數(shù)字蜂窩移動通信服務(wù)。

（3）由于蜂窩通信在全球范圍內(nèi)非常成功并且發(fā)展迅速，因此業(yè)務(wù)需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最初的預(yù)期。 在大多數(shù)情況下，運營商僅限于固定頻段，幾乎不可能增加其頻譜，也無法擴展自己的模擬技術(shù)以跟上需求的發(fā)展。 新的技術(shù)可以更有效地使用頻譜，為用戶提供更高的安全性和更多的便利性。 然而，分配給這些新技術(shù)的頻段往往與舊技術(shù)所使用的頻段重疊，使傳輸策略復(fù)雜化。

（4）事實上，900MHz頻段已在歐洲大量使用，800MHz頻段已在北美廣泛使用。歐洲900MHz分配頻率的主要模擬標(biāo)準(zhǔn)是全接入通信系統(tǒng)，多數(shù)亞洲國家同時使用兩個頻段。盡管一些歐洲國家使用其他標(biāo)準(zhǔn)GSM是900MHz頻段的數(shù)字系統(tǒng)，已被歐洲采用作為通用標(biāo)準(zhǔn)并在許多用途中使用 世界上其他國家。 一個非常有用的漫游設(shè)備。 此外，GMS標(biāo)準(zhǔn)已用于1800MHz（DCS 1800）。 由于一些國家正在建設(shè)單獨的1800 MHz網(wǎng)絡(luò)，而另一些國家則試圖通過此頻段增加其GSM容量度。更常用的是GMS-900和GSM-1800，而不是GSM和DCS1800，在兩個頻帶上使用相同協(xié)議。

4. 定位分析無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

移動無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)定位的方法主要有三類：

基于電波場強的定位技術(shù);

基于電波到達(dá)入射角 （AOA）的定位技術(shù);

對于電波到達(dá)時間 （TOA）或到達(dá)時間差 （TDOA）的定位技術(shù)。

4.1?場強定位技術(shù)。

從物聯(lián)網(wǎng)到基站的距離和電場強度定位技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)接收的信號強度成反比?？梢酝ㄟ^測量到接收信號的場強和已知信道衰落模型以及發(fā)送信號場強來估計收發(fā)信機。距離的多次測量之間的距離（至少三次）可以估計物聯(lián)網(wǎng)的位置。此技術(shù)的關(guān)鍵是怎樣建立準(zhǔn)確反映服務(wù)傳播范圍的無線電波傳播模型，實際操作卻很難實現(xiàn)。另外，由于小區(qū)站點的天線的傾斜，扇區(qū)特性，無線系統(tǒng)的不斷調(diào)整以及地理環(huán)境，車輛等因素將對定位精度產(chǎn)生影響。給予移動通信環(huán)境中無線電波傳播的復(fù)雜性，確定了該技術(shù)在定位精度方面的局限性，但該技術(shù)相對簡單易用，并且在精度要求不是很高時仍然使用。為了提高其準(zhǔn)確定位性能，人們開始研究在無線電波傳播中使用射線追蹤方法從而來提高定位精度。

4.2?到達(dá)入射角的定位技術(shù)。

到達(dá)入射角的無線電波的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來測量物聯(lián)網(wǎng)的無線電波信號的入射角，以及從基站到物聯(lián)網(wǎng)的徑向連接，即測量線和2構(gòu)造兩條線的交集。物聯(lián)網(wǎng)的位置。因為只有兩條線相交，主要是，這種方法不會導(dǎo)致定位模糊?？墒牵枰诿總€小區(qū)基站中安排4到12個天線陣列。這些天線陣列主要問題是確定物聯(lián)網(wǎng)向基站發(fā)送信號的角度。當(dāng)多個基站發(fā)現(xiàn)源，它們每個都從基站提取射線，這些射線的交叉點是物聯(lián)網(wǎng)的位置。 AOA的優(yōu)勢在于，只有兩個基站需要加入才能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)定位，并且互聯(lián)網(wǎng)的位置沒有任何歧義。然而，該技術(shù)需要在現(xiàn)有基站上增加天線陣列，從而增加了建設(shè)成本。估計無線電波的到達(dá)角受到由于多徑等環(huán)境因素引起的無線電信號波陣面失真的影響，并且當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)離基站時，對基站的定位角度偏差也會更小。這是一個很大的錯誤。

4.3?傳達(dá)時間/傳達(dá)時間差的定位技術(shù)。

（1）傳達(dá)時間/傳達(dá)時間差定位技術(shù)是無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中最廣泛使用的技術(shù)之一。傳達(dá)時間定位技術(shù)測量直線從目標(biāo)對象的互聯(lián)網(wǎng)到基站的距離，并且可以根據(jù)空中電磁波的傳播速度獲得基站與對象互聯(lián)網(wǎng)之間的距離。物聯(lián)網(wǎng)到基站的距離是圓的半徑，位于基站的中心。上述測量計算由多個基站執(zhí)行，物聯(lián)網(wǎng)的二維位置坐標(biāo)可以通過三個圓的交點確定。傳達(dá)時間定位技術(shù)要求接收信號的基站知道IoT將發(fā)送信號的時間，并要求基站具有非常精確的時鐘。為了克服這個缺點，不是通過絕對到達(dá)時間來確定物聯(lián)網(wǎng)的位置，而是通過檢測到達(dá)兩個基站的IoT信號的時間差來定位來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)定位的到達(dá)時差。提出了技術(shù)。時間同步的要求已大大降低。顯然，兩個基站的雙曲線是物聯(lián)網(wǎng)必須關(guān)注的。因此，需要獲得物聯(lián)網(wǎng)二位位置坐標(biāo)，必須建立更多個雙曲線方程或兩個并求解雙曲線的交點。

（2）上述兩種基于時間的定位技術(shù)確保基站從接收的RF信號中準(zhǔn)確地提取延遲估計，而無需實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的高精度而無需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行顯著改變。 只需要。 因此，定位是蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線電定位技術(shù)研究的重點。TruePosition的40米精確定位服務(wù)使用U-TDOA定位技術(shù)。

5. 總結(jié)

隨著無線蜂窩移動通信的發(fā)展，定位技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該更加廣泛，因此研究無線蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)是非常重要的事情，也是值得的。 目前，基于無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)還存在很多問題，除了改進現(xiàn)有的算法，研究蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的定位性能，提高定位精度外，還有各種網(wǎng)絡(luò)算法，還需要考慮。 互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展變化的東西，就是算法的可行性。 因此，基于無線蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確性必將大大提高，定位技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣泛。

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