王昭 張寶營(yíng) 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(diǎn)，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(lái)，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)成為了大家關(guān)注焦點(diǎn)。1996年10月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)發(fā)布了無(wú)線E9ll呼叫緊急服務(wù)功能。針對(duì)E911定位要求的具體實(shí)施，聯(lián)邦通信委員會(huì)的核心是所有移動(dòng)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(guó)各大公司已開(kāi)始制定自己的GSM，IS-95CDMA和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)定位實(shí)施方案。 尤其是，3GPP和3GPP2上的要求更具體，這也是對(duì)蜂窩無(wú)線定位的肯定。

（2）另外，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)移動(dòng)用戶服務(wù)的需求日益劇增。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)可以處于通話狀態(tài)和空閑時(shí)獲取地理位置等信息，利用物聯(lián)網(wǎng)的位置信息，運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)，維護(hù)和管理的輔助數(shù)據(jù)，以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。迄今為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)研究取得了很大進(jìn)展。基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)有望在未來(lái)幾年迅速發(fā)展。

2. 物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接“人”或計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與連接到虛擬世界的信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，則可以將物聯(lián)網(wǎng)與通過(guò)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(jìn)行比較。使得生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)等項(xiàng)目，直接掛鉤在一起。基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信息和服務(wù)必須通過(guò)人為判斷和操作應(yīng)用于項(xiàng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)接收信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判和操作。學(xué)者們相信，將來(lái)，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(duì)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?dòng)取代了更多的手動(dòng)操作。但實(shí)際上，采集監(jiān)控只是物聯(lián)網(wǎng)功能的一部分，對(duì)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(gè)非常重要的部分。

3. 蜂窩通信技術(shù)

（1）當(dāng)前的移動(dòng)通信技術(shù)屬于無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信。 在移動(dòng)通信中，有許多方法可以使用正六邊形單元進(jìn)行覆蓋，例如使用方形單元，三角形單元和正六邊形單元無(wú)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(dòng)通信使用常規(guī)六邊形小區(qū)進(jìn)行覆蓋規(guī)劃。 通常稱為蜂窩移動(dòng)通信，因?yàn)橥ǔ５牧呅芜B接之一無(wú)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(dòng)通信，都是蜂窩移動(dòng)通信。 蜂窩通信采用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)方式，通過(guò)無(wú)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(dòng)期間相互通信。 它的主要特點(diǎn)是終端的移動(dòng)性，它具有自動(dòng)漫游和切換本地網(wǎng)絡(luò)的功能。 蜂窩移動(dòng)通信服務(wù)是指由諸如移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的如語(yǔ)音，數(shù)據(jù)和視頻圖像的服務(wù)。 蜂窩移動(dòng)通信服務(wù)包括：900 / 1800MHz GSM，800MHz CDMA第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(guò)最初的預(yù)期。 在大多數(shù)情況下，運(yùn)營(yíng)商僅限于固定頻段，幾乎不可能增加其頻譜，也無(wú)法擴(kuò)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(shí)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(guó)家同時(shí)使用兩個(gè)頻段。盡管一些歐洲國(guó)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(guó)家。 一個(gè)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(guó)家正在建設(shè)單獨(dú)的1800 MHz網(wǎng)絡(luò)，而另一些國(guó)家則試圖通過(guò)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(gè)頻帶上使用相同協(xié)議。

4. 定位分析無(wú)線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

移動(dòng)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)定位的方法主要有三類：

基于電波場(chǎng)強(qiáng)的定位技術(shù);

基于電波到達(dá)入射角 （AOA）的定位技術(shù);

對(duì)于電波到達(dá)時(shí)間 （TOA）或到達(dá)時(shí)間差 （TDOA）的定位技術(shù)。

4.1?場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)。

從物聯(lián)網(wǎng)到基站的距離和電場(chǎng)強(qiáng)度定位技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)接收的信號(hào)強(qiáng)度成反比?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量到接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)和已知信道衰落模型以及發(fā)送信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)來(lái)估計(jì)收發(fā)信機(jī)。距離的多次測(cè)量之間的距離（至少三次）可以估計(jì)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(wú)線電波傳播模型，實(shí)際操作卻很難實(shí)現(xiàn)。另外，由于小區(qū)站點(diǎn)的天線的傾斜，扇區(qū)特性，無(wú)線系統(tǒng)的不斷調(diào)整以及地理環(huán)境，車輛等因素將對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。給予移動(dòng)通信環(huán)境中無(wú)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(duì)簡(jiǎn)單易用，并且在精度要求不是很高時(shí)仍然使用。為了提高其準(zhǔn)確定位性能，人們開(kāi)始研究在無(wú)線電波傳播中使用射線追蹤方法從而來(lái)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(wú)線電波的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來(lái)測(cè)量物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線電波信號(hào)的入射角，以及從基站到物聯(lián)網(wǎng)的徑向連接，即測(cè)量線和2構(gòu)造兩條線的交集。物聯(lián)網(wǎng)的位置。因?yàn)橹挥袃蓷l線相交，主要是，這種方法不會(huì)導(dǎo)致定位模糊?？墒?，它需要在每個(gè)小區(qū)基站中安排4到12個(gè)天線陣列。這些天線陣列主要問(wèn)題是確定物聯(lián)網(wǎng)向基站發(fā)送信號(hào)的角度。當(dāng)多個(gè)基站發(fā)現(xiàn)源，它們每個(gè)都從基站提取射線，這些射線的交叉點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)的位置。 AOA的優(yōu)勢(shì)在于，只有兩個(gè)基站需要加入才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)定位，并且互聯(lián)網(wǎng)的位置沒(méi)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(jì)無(wú)線電波的到達(dá)角受到由于多徑等環(huán)境因素引起的無(wú)線電信號(hào)波陣面失真的影響，并且當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)離基站時(shí)，對(duì)基站的定位角度偏差也會(huì)更小。這是一個(gè)很大的錯(cuò)誤。

4.3?傳達(dá)時(shí)間/傳達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)。

（1）傳達(dá)時(shí)間/傳達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)是無(wú)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(shí)間定位技術(shù)測(cè)量直線從目標(biāo)對(duì)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(duì)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(cè)量計(jì)算由多個(gè)基站執(zhí)行，物聯(lián)網(wǎng)的二維位置坐標(biāo)可以通過(guò)三個(gè)圓的交點(diǎn)確定。傳達(dá)時(shí)間定位技術(shù)要求接收信號(hào)的基站知道IoT將發(fā)送信號(hào)的時(shí)間，并要求基站具有非常精確的時(shí)鐘。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，不是通過(guò)絕對(duì)到達(dá)時(shí)間來(lái)確定物聯(lián)網(wǎng)的位置，而是通過(guò)檢測(cè)到達(dá)兩個(gè)基站的IoT信號(hào)的時(shí)間差來(lái)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)定位的到達(dá)時(shí)差。提出了技術(shù)。時(shí)間同步的要求已大大降低。顯然，兩個(gè)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(gè)雙曲線方程或兩個(gè)并求解雙曲線的交點(diǎn)。

（2）上述兩種基于時(shí)間的定位技術(shù)確?；緩慕邮盏腞F信號(hào)中準(zhǔn)確地提取延遲估計(jì)，而無(wú)需實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的高精度而無(wú)需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行顯著改變。 只需要。 因此，定位是蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電定位技術(shù)研究的重點(diǎn)。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(wú)線蜂窩移動(dòng)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(wú)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(wú)線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)還存在很多問(wèn)題，除了改進(jìn)現(xiàn)有的算法，研究蜂窩移動(dòng)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(wú)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。

參考文獻(xiàn)

[1]?趙聰，現(xiàn)代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中定位技術(shù) ， 廣東通信技術(shù)， 2011（09）.

[2]?吳靜，3G 定位業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，移動(dòng)通信， 2006（05）.

[3]?張朝柱，TDOA技術(shù)在 GSM和 CDMA網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析 [J]. 黑龍江大學(xué)白然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010 （3）.

[4]?王映民，孫韶輝等，TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京： 人民郵電出版社， 2010.

[5]?范平志，蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù) [M]，北京電子工業(yè)出版社， 2001.