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【导航论坛】物联网位置服务—挑战与机遇
2017-12-27 16:32 来源:北斗西虹桥 物联网 /技术
原标题：【导航论坛】物联网位置服务—挑战与机遇
编者按
一、无线通信与无线定位
无线通信和无线定位的本质非常相似，都是利用电磁波在空间中进行传播，进行相应的信号处理，但在各自的传统应用中各有侧重。在无线电定位导航中，我们虽然运用类似的数字通信、调制解调方法，但关注点有所不同，例如在高精度定位系统中注重的是怎样分离多路径信号，提高码距精度而不是提高信号的载噪比或检测概率。无线通信系统的应用主要是围绕数据业务，涵盖基站、网络运营和终端等不同部分。
无线通信和导航近十年来最成功的大众类商用结合是辅助GPS。它有单独的通信链路和定位链路，对定位链路或者GPS模块来说只是在接收广播卫星信号，未提供上下行的通信链路资源，但是可以通过额外的的通信链路进行粗时辅助和星历预测等，从而允许用户在移动端恶劣复杂情况下自行恢复测距信息，进行位置和时间解算。
现在，物联网的应用中，每天都会有很多设备连入网络。预测2020年将有近500亿台设备入网，大多数设备不是现在用的高端智能设备，例如不像智能手机有单独的显示器和CPU。大量数设备很低端，但也有入网通信需求。如果我们使用现有的宽带通信网络来满足入网需求就有些浪费资源和成本了。因此在物联网背景下，通信和导航定位服务的结合将可能是一个新的挑战。目前，我们团队（Appropolis Inc.）自主研发的一系列广域、低功耗物联网基站、终端设备，网络覆盖了加拿大卡尔加里的几个区域，以及上海的几个区域，区别于传统的AGPS、WiFi、蓝牙位置服务，我们可以及时处理并有效利用多个物联网节点之间的海量数据信息，进行误差消除，得到一个高性能的位置解算，并直接通过原生物联网通信链路提供服务位置。
二、
传统定位及测图技术
三、
物联网通信技术
四、
物联网位置服务
主流的广域低功耗物联网通信技术目前有三大类，NB－IoT运营商自己布设基站，每一个终端用户主要利用NB-IoT终端模块集成到自己的终端应用里，可以先了解周围运营商的覆盖，然后配合应用。对于LoRa，我们可以灵活配置。而SigFox的通信带宽过低，网关和运营服务都不是那么灵活，目前不一定适合物联网的应用。我们目前开发的多模多频LoRa基站、终端和后台主要支持CN470、US915、EU868+Class A、B、C多种工作模式。国内目前有利用LoRa做信标机的案例，但不是很成熟。LoRa作为窄带通信的物联网应用，如果不断播发上行，会造成很多碰撞， 如果占用整个信道，就很难再用作他途了。
在LoRa室内的复杂环境进行静态定位实验中，我们布设了6个室内型LoRa基站，参考不同的测量点，通过这些LoRa数据包测算得到了它的定位结果。在几个分布较好的场景下可以达到一至六米的精度。与传统的三角比较相似，唯一不同的是我们现在的速率比较低。
LoRa在室外大范围定位的处理结果：我们在卡尔加里大学、Appropolis Inc.公司楼顶和另外一个大楼楼顶布设了三个室外型LoRa网关，有不同的覆盖范围。红色覆盖的主要是左边一个小区域，蓝色部分大一些，绿色区域更大。LoRa基站布设的环境对传播性能的影响很大。红色的网络中，基站处在一个比较低的楼层，覆盖范围并没有那么理想。绿色是我们在卡尔加里大学相对较高的一栋建筑物的楼顶铺设的，覆盖范围非常大。
不同于传统基站，LoRa基站有室外的，也有室内的。如果我们知道一批终端设备在位置，利用SLAM算法通过测量值可以反向推算出LoRa基站的位置。所有的小点是一些散布在周围的数据。圆圈越大代表信号越强，离基站越近，反之则信号较弱。
上图是我们最终标记在谷歌地图上的结果。红色是真实网关的位置，蓝色主要是真实测量的结果。通过这个实验，我们初步认为LoRa无线链路信号在室外也可以做到几十米左右的定位精度。同理只要得到LoRa信号的指纹地图，我们一样可以充分利用室内特征和其他传感器，提高室内定位的性能。
作者简介
贺喆，上海交通大学本科、硕士，加拿大卡尔加里大学PLAN研究组博士。博士毕业后在加拿大卡尔加里大学任高级研究员，主持／参与多个行业内知名的卫星导航、组合导航及各类定位系统相关科研工程项目，例如美国通用汽车复杂环境下组合导航系统设计，美国NextNav加州室内外地基定位系统载波相位融合技术验证，瑞士ublox多模接收机抗干扰算法设计，加拿大RxNetworks室内外高灵敏度定位算法研发等。 在AppropolisInc为联合创人，主要负责公司科技，目前已开发平台如：基于LoRa和BLE5的物联网系统及相关位置服务系统。目前Appropolis和卡尔加里大学等在共同研发物联网位置服务相关的关键技术。
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