定位技术在物联网领域的应用发展分析 pdf

刘媛媛

Systems & Solutions 系统与方案

定位技术在物联网领域的应用发展分析

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。 引言

关键词 物联网；定位技术；全球导航卫星系统；移动位置服务

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

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

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 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

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-TDOA。

1) Cell-ID定位。Cell-ID定位的原理是依据终端所

[1]

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

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，

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

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 of

Arrival-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

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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 CDMA系统中，终端所处的服务基站的强信号会影响其 他同频基站导频信号的接收，3GPP提出了利用基站指 定下行空闲周期IPDL的方法来解决这一问题，服务基 站在空闲周期内只发送导频信号，不发送业务信号。采 用此定位方法，定位精度较Cell-ID有较大改善，但定位 精度受限于时间测量的精度以及基站的相对位置，同时 还受到多径传播的影响。

3) A-GPS(Assisted–Global Positioning System, A-GPS)定位。A-GPS通过在移动网络中增加位置服务 器等GPS辅助设备，配合终端的GPS模块，快速完成 定位。A-GPS可分为基于终端和终端辅助两种类型。 基于终端的定位方法在终端内部配置功能完善的GPS 接收处理组件，在终端侧完成定位计算。终端辅助的定 位方法是将终端定位测量信息发送至网络侧定位单元 处理模块完成位置估计，简化终端侧GPS处理单元的 复杂度。与传统GPS定位相比，该技术降低了终端侧 GPS的启动和接收次数，大大缩短了GPS信号首次捕 获时间，加快了定位速度，同时，通过网络侧获得的定 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 法进行室内定位，且A-GPS定位须通过多次网络传输 实现，会造成空口资源的过多占用。

4) U-TDOA(Uplink–Time Difference of Arrival) 定位。U-TDOA定位方法根据网络侧测量终端信号的

到达时间差来进行定位，需要至少四个位置测量单元 (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 发脉冲或常规突发脉冲到达时刻的传输时间差，按照双 曲线三边测量法计算出终端的位置。采用U-TDOA定位 精度相对较高，不需要对移动终端进行改造，但是需要 在网络侧安装LMU，成本较高。

1.2 LTE A-GNSS

定位 第三代移动通信中采用的Cell-ID、OTDOA等技

术提高了定位技术的覆盖范围，但是定位精度有限。 A-GPS技术虽然有较高的定位精度，但是覆盖范围有 待进一步提升，尤其是在GPS信号有遮挡、可见卫星 不足四颗的场景中，A-GPS的定位性能会受到很大影 响。随着通信技术以及卫星导航技术的进一步发展， LTE定位技术在3G定位技术的基础上有了进一步提 升，支持网络辅助GNSS(Assisted-Global Navigation Satellite System，A-GNSS)[2]

。

GNSS是已有和将来可能会有的、全球的、区域的 和增强的卫星导航系统的统称。A-GNSS定位在终端配 置了GNSS信号接收器，它是能够支持多种导航系统的 多模接收器而不仅仅局限于GPS。在定位过程中，不同 的GNSS可以单独或者联合使用，将各种卫星导航系统 资源整合使用，提供更加精确可靠的定位服务，如图1 所示。在同样环境下，A-GNSS终端可见的卫星数将会 是A-GPS终端的3~4倍。例如，处于遮蔽角30°的终

端，

可视的GPS卫星少于3颗，但是同时考虑上Galileo、

北 斗，则至少有8颗卫星可视[3]。因此，A-GNSS可以提供优于A-GPS的定位精度和可用范围。

HQT

HMPOBTTHbmjmfp

HOTT

NNF

HOTT

F.TNMD

图1 LTE A-GNSS架构 A-GNSS也分为基于终端和终端辅助两种方式。 采用不同的定位类型，网络为终端提供的辅助信息也 不同。辅助信息可大致分为两类：一类是辅助测量数 据，包括参考时间、可视卫星列表、卫星信号多普勒 频偏、码相位等；一类是定位计算数据，包括参考时

间、参考位置、卫星星历、时钟校准。这些辅助信息由

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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 2内 ~3min

常用作室外车辆定位

导航

Cell-ID 200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-TDOA

40<5s

蜂窝网络覆盖区域粗

~120m

精度定位

A-GPS

室外环境53空旷地区移动用户高

~10m， 200m ~5s

室内环境小于精度定位

A-GNSS

室外环境5弱卫星信号下的移动

~10m， <5s 室内环境小于200m 用户高精度定位 Wi-Fi

3~15m，与AP密度 <3s

Wi-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

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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

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