基于蜂窝通信技术的物联网定位探讨

基于蜂窝通信技术的物联网定位探讨

摘要:随着信息技术的快速进步，物联网产业蓬勃发展。作为物联网发展的关键定位技术，基于蜂窝通信技术的物联网定位已经成为了关注的焦点。当前物联网采用的定位技术主要有GPS 定位技术和蜂窝通信定位技术，本文就是对蜂窝通信定位技术展开的研究。

关键词：蜂窝通信；物联网；定位

目 录

一、前言 .............................................. 3

二、物联网特点简介 .................................... 3

三、蜂窝通信技术 ...................................... 4

四、基于蜂窝通信的物联网定位技术分析 .................. 4

（一）场强定位技术 ................................. 5

（二）到达入射角的定位技术 ......................... 5

（三）到达时间/到达时间差的定位技术 ................ 5

五、结语 ............................................. 6

参考文献 ........................................... 6

一、前言

近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。FCC 于1996年10月颁布了无线E9ll 呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM 、IS-95CDMA 以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。特别是 3GPP 和3GPP2上对定位的要求更加具体化，这也是对蜂窝无线定位市场潜力的肯定。

另一方面，物联网对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无线定位技术能够在物联网处于空闲状态或通话状态的情况下获取其地理位置等信息，利用物联网的定位信息，运营商可以为用户提供各种增值业务，如位置环境信息查询、紧急救援、智能交通、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未来几年内，基于蜂窝网络定位技术的物联网将得以迅猛的发展。

二、物联网特点简介

如果把现有的计算机网络比作连接虚拟世界的信息网络 ，那么完全可以把物联网比作通过虚拟世界连接网把物理世界相互连接起来的一种网络。换一种角度来说 ，传统计算机网络把“人”，或者说计算机或终端设备的使用者联系到了一起 ，而物联网不仅把“人”，还把“物”，或者说各种设备、设施、生产操作对象等物品 ，直接联系到了一起。

基于传统网络的信息及服务要通过人的判断及操作才能作用于目标设备或物品 ，而物联网的构想是目标设备或者物品直接通过网络接收信息数据 ，自我判断、自我执行。学者们认为，在未来，由人工操作完成的信息数据收发将会大大减少，而由物体或智能设备自主完成得信息数据收发将会大大增加。这更意味着，设备或物体自主进行的智能操作会替代更多的人工操作。在我国，对物联网的认知主要在“感知”，因此大多数人将物联网看作成了一种传感网，认为采集监控是其主要功能。然而事实上，采集监控仅仅是物联网功能的一部分。虽然只是一部分 ，但却是很重要的一个环节。

三、蜂窝通信技术

蜂窝移动通讯技术是一种比较笼统的说法，我们现在的移动通讯技术，都属于蜂窝移动通讯。 在移动通讯中，为了对地面进行无缝覆盖，有很多种方法，比如用正方形的小区、三角形的小区或正六边形的小区，但采用正六边形的小区来进行覆盖，有着频率规划容易，基站天线设定方便，综合成本低等诸多优点，因此一般移动通讯都采用正六边形的小区来进行覆盖规划。因为一个个正六边形连接对地面形成无缝覆盖，类似于蜜蜂的蜂房，所以一般俗称蜂窝移动通讯。

现在的GSM 、cdma 、3G 通讯，包括以前的模拟移动通讯，都属于蜂窝移动通讯。蜂窝通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。蜂窝移动通信业务包括：900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信业务、800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务、第三代数字蜂窝移动通信业务。

蜂窝移动通信已成为世界范围内的一项非凡成功之作，其发展如此迅速以致业务需求远远超过了原先的预测。大多数情况下，经营者只限定在一个固定频段上，几乎无望增加频谱而原来的模拟技术也不能加以扩展跟上需求的发展。较新的技术具备了频谱的更有效利用以及为用户提供改善的安全性和更多的便利。即使如此，分配给这些新技术的频段常常与老技术所用的重叠，这使得转移策略复杂起来。

传统上欧洲使用900MHz 频段而北美使用800MHz 频段。多数亚洲国家同时使用两个频段。欧洲900MHz 分配频率的主要模拟标准是全接入通信系统，虽然某些欧洲国家使用其它标准GSM 是 900MHz频段的一种数字系统，已为欧洲采用为共同标准并在世界上许多其它国家使用，提供了非常有用的漫游设备。此外，GMS 标准已用于1800MHz(DCS 1800)。一些国家正建立独立的1800 MHz网而另一些正试图用此频段增加其GSM 容量。因为在两个频段上使用相同协议，现在越来越普遍使用GMS －900和GSM －1800这些术语而不用GSM 和DCS1800。

四、基于蜂窝通信的物联网定位技术分析

利用移动蜂窝网络对物联网定位的方法主要有三类，(l)基于电波场强的定

位技术；(2)基于电波到达入射角(AOA)的定位技术；(3)基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的定位技术。

（一）场强定位技术

电波场强定位技术根据物联网接收的信号强度与物联网至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，由多个距离测量值(至少三个) 可以估算物联网的位置。这一技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无线电波传播模型，这在实际应用中很难实现。除此之外，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地理环境、车辆等因素都会对定位精度产生影响。由于移动通信环境中电波传播的复杂性，决定了这种技术在定位精度上的局限性，但是由于该技术比较简单易行、在对精度要求不是很高的情况下仍被采用。为了改善其性能，人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法来逛一步提高定位的精度

（二）到达入射角的定位技术

电波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出物联网来波信号的人射角、构成从基站到物联网的径向连线，即测位线，这两条连线的交点即为目标物联网的位置。由于两条直线只能相交于？点，这种方法不会产生定位模糊性。但是它需要在每个小区基站上放置4？12组的天线阵。这些天线阵？起工作，从而确定物联网发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是物联网的位置。AOA 的优点在于它仅需要两个基站参与便可实现物联网定位，同时不存在物联网位置的模糊性问题。但是该技术需要在现有的基站增加天线阵列，由此增加了大量的建设费用。与此同时，电波到达入射角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，物联网距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较大误差。

（三）到达时间/到达时间差的定位技术

到达时间／到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标物联网发出的信号以直线到

达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以得到物联网与基站之间的距离。物联网即位于以基站为圆心，物联网到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，物联网的二维位置坐标可出三个圆的交点确定。到达时问定位技术要求接收信号的基站知道物联网发送信号的时间，并要求基站有非常精确的时钟。为了克服这一缺点，人们提出了到达时间差的定位技术，它是通过检测物联网信号到达两个基站的时间差来实现物联网定位的，而不是到达的绝对时间来确定物联网的位置，这就大大降低了对时间同步要求。很明显，物联网一定位于以两个基站为焦点的双曲线上。所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到物联网的二维位置坐标。

以上两种基于时间的定位技术的只要求基站能够从接收到的射频信号中准确的提取时延估计值，而无需对现有的网络设备加以大规模的改造就可以实现对物联网的高精度定位，因此成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。TruePosition 公司所提供40米精度的定位业务就是采用了U-TDOA 定位技术。

五、结语

随着蜂窝移动通信的发展, 定位技术已应用到各行各业, 基于位置的服务种类也更为广泛, 因此在研究基于蜂窝通信技术的物联网定位有很大的意义和价值。 目前的基于蜂窝通信技术的物联网定位技术还存在着很多问题, 除了要对现有的算法进行改进, 研究蜂窝移动通信网的定位性能, 提高定位精度外, 还要考虑各种算法对网络和物联网的改动, 即算法的可行性等问题。 但随着技术的发展, 基于蜂窝通信技术的物联网定位精度必然会大幅度提高，定位技术的应用范围也将会更加广泛。

参考文献

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[2]吴静.3G 定位业务的网络结构分析. 移动通信，2006(05)

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[4]王映民，孙韶辉等.TD-LTE 技术原理与系统设计. 北京:人民邮电出版社，2010

[5]范平志. 蜂窝网无线定位技术 [M ] . 北京电子工业出版社 , 2001.