如何為IoT應用選擇最佳定位技術?

作者 : 趙明燦,EDN China

眾所周知,室內外區域定位技術常用的有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍牙RSSI、到達角(AoA)和超寬頻(UWB)技術等。各種技術有各自的優缺點,如何針對自己的物聯網應用找到合適的技術?

在全球定位技術方面,GPS應用已非常成熟和廣泛,但有一個遺憾是,它不支援室內定位。萬物互連大背景下的定位要求是廣連接、大範圍、高併發和高精準度,這就衍生了對定位技術的新需求。

眾所周知,室內外區域定位技術常用的有Wi-Fi、RFID、 ZigBee、紅外線、藍牙RSSI、到達角(AoA)和超寬頻(UWB)技術等。各種技術有各自的優缺點,如何針對自己的物聯網應用找到合適的技術?此外,對於智慧城市和智慧駕駛等室內外貫通的應用場景,還需要解決室內外定位技術相融合的挑戰。

日前,在「OTE 2020深圳國際高精度定位技術與應用創新高峰論壇」上,眾演講嘉賓對藍牙AoA、UWB和5G基地台定位等熱門定位技術的原理和應用案例進行了詳細解讀,並就各自的優缺點和發展前景展開激烈辯論。

定位演算法對比

在討論各種定位技術之前,首先可先了解幾種定位演算法及其對比。

到達時間(TOA):TOA技術是指由基地台向行動終端(Mobile Station)發出特定的測距命令或指令訊號,並要求終端對該指令進行回應。基地台會記錄下由發出測距指令到收到終端確認訊號所花費的時間,該時間主要由射頻訊號在迴路上的傳播延遲、終端的回應延遲和處理延遲、基地台的處理延遲組成。如果能夠準確地得到終端和基地台的回應和處理延遲,就可以算出射頻訊號的迴路傳播延遲。因為無線電波在空氣中以光速傳播,所以基地台與終端之間的距離可以估算出來。當有三個基地台參與測量時,就可以根據三角定位法來確定終端所在的區域。

前提條件:發送設備和接收設備必須始終同步。

到達時間差(TDOA):TDOA定位演算法是一種利用時間差進行定位的方法,透過測量訊號達到基地台的時間,可以確定訊號源的距離,利用訊號源到多個無線電監測站的距離(以無線電基地台為中心,距離為半徑作圓),就能確定訊號的位置。利用比較訊號到達多個基地台的時間差,就能做出以檢測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線交點,該交點即為訊號的位置。

前提條件:TDOA定位不需要進行基地台和行動終端之間的同步,而只需要基地台之間的同步。因為基地台的位置是固定的,基地台之間進行同步與基地台和行動終端之間進行同步相比要容易實現得多。這使得TDOA定位比TOA定位更加容易實現,所以TDOA定位的應用非常廣泛。

雙向飛行時間(TW-ToF):ToF測距方法是D.McCrady提出,然而該技術只側重於直接序列擴頻(DSSS)的通訊系統。ToF測距技術可以理解為飛行時差測距方法,傳統的測距技術分為雙向測距技術和單向測距技術。ToF測距方法屬於雙向測距技術,它主要利用訊號在兩個非同步收發器之間往返的飛行時間來測量節點間的距離。

測距流程:設備A主動發送資料,同時記錄發送時間戳記,設備B接收到之後記錄接收時間戳記。延遲之後,設備B發送資料,同時記錄發送的時間戳記;設備A接收資料,同時記錄接收時間戳記。因此可以拿到兩個時間差數據——設備A的時間差和設備B的時間差——最終得到無線訊號的飛行時間。

藍牙AoA技術

Quuppa華南區市場負責人歐亮指出,藍牙5.1標準中增加了新的尋向功能,其技術原理基於藍牙AoA和藍牙AoD,聲稱可以做到公分級精準度。

對於想要做藍牙AoA產品的公司來說,藍牙5.1規範只是在理想化的環境下提供了一套技術原理和技術方法。要實現公分級或公寸級的精準度,會面臨很複雜的技術問題,包括干擾。比如要如何設計多天線——天線與天線之間存在輻射、反射、極化、多徑干擾,以及同頻干擾。「這在規範中是找不到的,需要自己去花時間、花精力解決;」歐亮指出,「並且當所有這些問題都解決的時候,會發現你可能只能做到1公尺精準度,連公寸級都做不到,更何況它聲稱的公分級了。」

Quuppa的智慧定位系統基於低功耗藍牙,基於AoA方式,並包含先進的定位引擎和先進的軟體工具(圖1)。

圖1 Quuppa智慧定位系統。

除了精確性以外,藍牙5.1還有幾個特點:通用性、可擴展性和開放性。歐亮認為,藍牙作為物聯網產業裡的通用標準之一,是解決其中很多物體最後1公尺、10公尺或100公尺很好的選擇。可擴展性和通用性相輔相成,並且現在很多手機都內建藍牙,因此可以往手機擴展。對於開放性,藍牙是開放標準。

室內定位的特點是碎片化,簡單歸納起來可分為三類:存在/建築級(庫存/資產管理)、接近/區域級(電子圍籬)、高精準度定位(製程最佳化、工人安全)。

UWB技術

UWB技術是一種無線載波通訊技術。它不採用正弦載波,而是利用奈秒(ns)級的非正弦波窄脈衝傳輸資料,因此其所佔的頻譜範圍很寬。

「UWB是一種獨特的資訊傳輸方式。簡單來說,它在頻域上很寬,跟其他窄頻訊號是同頻並且同時發射,相對這些窄頻訊號來說相當於底噪,可以共存;」深圳市紐瑞芯科技CEO陳振騏表示。在時域上,寬頻訊號經過時間變換就是窄脈衝,因此,相對於連續時域訊號,它仍然可以檢測而實現訊號通訊。因為它在短時間內的訊號能量非常強,而且在傳輸過程中有非常多重複,所以在傳輸時還可以更大地增強傳輸能力。

因此,UWB是一種非常好、非常獨特的通訊技術,具有很好的相容性,同時具有高能效比的通訊能力。

在定位上,UWB也是一種非常好的解決方案。因為所有的定位,不管是ToF、TOA、TDOA還是其他,都是利用距離和時間上的變換,訊號的時間精準度決定了最基礎的物理系統能夠達到的精確度。因為UWB是種超寬頻訊號,在時域上非常窄,脈衝在2ns,頻寬在2GHz以上,所以其時間分辨精準度非常高。在這方面,與藍牙、Wi-Fi+AoA、TDOA等相比,它具有天然的優勢。

另外,在室內定位場景,多徑干擾是個非常難解決的問題。而UWB這種超寬頻、低工作週期的室內無線電技術,由於大部分的多徑訊號不會造成混疊,因此也具有獨特的優勢。而藍牙等的訊號在發生多徑的時候會產生混疊,雖然有很多的演算法去抗多徑、做分離、解卷積,但是實際的效果都有限。

綜上,UWB技術有以下技術優勢:定位精準度高(公分級)、抗多徑能力強(適應複雜室內)、相容性強、終端容量大、與其他通訊協議共存、高速率通訊能力,以及綜合能效較高(圖2)。

圖2 UWB技術優勢。

UWB技術有三大產業領域:傳統產業領域、手機產業領域、物聯網產業領域。五大新應用方向:智慧家庭、尋物定位、智慧汽車、AR/VR、行動支付。

藍牙AoA與UWB對比

上海磐啟微電子工程與市場部副總裁楊豐林首先對藍牙AoA和UWB這兩種技術進行了比較(圖3、表1)。其講綱上赫然寫道:

UWB:成本高;功耗大;頻譜受限,覆蓋範圍小。

藍牙AoA:中國藍牙晶片供應商眾多、標籤成本低,且相容BLE 5.1協議、功耗小、頻譜資源不受限制。

圖3 UWB和藍牙AoA技術對比。

表1 主流室內定位技術對比。

楊豐林解釋,早期的室內定位技術有基於Wi-Fi的指紋技術、藍牙iBeacon技術,但是這些技術的精準度差,只有3~5公尺,並且很不確定。後來,室內定位導入了UWB,這種技術最早是在軍事上使用,後來帶入工業端,特點是定位精準度很高,是目前市場上最高的,但它也有以下問題:

第一,成本高。這種晶片是由Decawave提供,市場成本在5美元左右;

第二,頻譜資源受限。雖然美國FCC為該技術劃分了7.5GHz頻寬(3.1~10.6GHz),但對每個頻段都做了嚴格限制。例如在3~6GHz的低頻段內,嚴格限制其發射功率要小於-70dBm/MHz;在6~10GHz的高頻段內,也要小於-43dBm/MHz。而隨著AoA技術的出現,以及與藍牙技術的融合,即BLE AoA,則實現了很好的折衷,因為它可以使用2.4GHz ISM頻段,並有藍牙生態系統的支持。更重要的是它的成本很低,不到1美元,對終端產品的促進有很大的幫助。

楊豐林並表示,這種技術從研發的角度來講很簡單,但從使用的角度來講很複雜。有幾個方面:

第一,無線電波在空間方面有很多干擾。例如Wi-Fi、微波爐等工作在2.4GHz頻段的設備對它都有干擾,這就對每根天線形成不理想因素;

第二,無線電波傳輸有多徑效應,即訊號透過不同的路徑或反射到達天線。這就需要採用校正演算法。

他認為,UWB在中國未來的前景會受到限制,原因是國家政策。「這項技術從產業的角度來講確實非常好,它的精確度很高,抗干擾能力很強。當時它進入到中國時是2005年,那時還沒有4G、5G。但是隨著4G、5G的推動,而UWB的頻段很寬,並且在工業場景裡使用的很多UWB設備都是超標使用,把發射功率調得很大,這樣可以覆蓋更遠的距離。」楊豐林透露,「監管部門很早就發現這個現象,為了避免將來對5G設備產生干擾,目前工信部無線電管理局正在委託中國信通院進行進一步研究。據說不久就會發佈新的對UWB技術在中國使用的管制規範。這只會更加嚴格,甚至可能導致其低頻段(即5G頻段)不可使用。」

另外,在5G方面,5G R16當中已經定義了一個室內定位的規範。「雖然其精準度是公尺級,未達到UWB的精確度,但有5G的地方,中國會優先使用。UWB技術本身大部分專利屬於國外公司,並且標準也是國外公司在主導。因此對於中國官方來講,一定會首先考慮所能使用的技術。因此,從這個角度來看,UWB將來也會受到限制。」

最後是生態。「凡是相容藍牙5.1的終端,都可以納入到這個系統中。而UWB只有實體層的技術,沒有網路層的協定,因此組網/併網很難。很多設備都不能相容,這樣就對它的推廣造成很大影響。」

另外,對於藍牙AoA技術的問題,楊豐林補充兩個方面:

一是天線陣列。由於電磁波是以光速運作,因此要算出射頻訊號到達每根天線的時間差,任何的天線不匹配都會對精準度造成影響,因此要做很多校準,包括場景校準。

第二是定位引擎本身。如果處理器有足夠強的運算力,並容許足夠大的功耗,那肯定是最好的。但是現在很多設備都要求低成本、低功耗,不能選用足夠強的處理器來處理資料。因此,要在有限的運算力下實現很好的定位演算法就非常具有挑戰性。

陳振騏對以上部分觀點提出嚴正反駁。他指出,每種定位技術都有自己的方向和優劣勢(表2)。對於物聯網室內定位這樣的大產業,並不存在哪種技術具有絕對優勢,而到最後把其他技術淘汰掉。「實際在應用方向上,有的要密度高,有的要成本低,有的要性能高,每種技術都有自己的應用空間;」同時,他指出,在高精準度定位方面,UWB、藍牙和毫米波都宣稱可以達到公分級定位精確度,但實際的宣傳會產生誤導。

表2 UWB技術與其他室內定位技術的比較。

對於一些傳統產業,UWB方案需要性能升級。陳振騏指出,對於自有空間,比如廠房,其實是不需要遵守協定的。在這種情況下,它還是可以大功率發射,會有特殊的訊號模式、功率要求和頻段要求,從而提高定位精準度。

對於手機領域,旗艦手機對晶片品質和供應商要求非常高,需要滿足高可靠性、一致性、高保密性、安全性、高整合度、小尺寸,以及嚴格最佳化成本等要求。

再者,就是標準協議相容。陳振騏對楊豐林的觀點更正道:「在6.5~10GHz高頻段,不管是國家無線電監測中心委員會還是FCC,都是許可的,在低頻段確實有問題。現在所有手機都做在高頻段,iPhone在中國有入網許可。所有的協議都在手機這樣的小空間裡實現,高整合度和電磁相容確實是一項很大的挑戰。」另外,手機產業還是一個很殘酷的產業,一年一代,這就要求晶片的更新速度更快。

最後,對於物聯網領域,也是需要協議相容、互連互通。不同應用有著不同客製化需求,包括:超低功耗、超小尺寸、超低成本、極致性能、客製化快速推向市場。另外,除了UWB外,終端產品可能還會整合Wi-Fi、藍牙、GNSS、V2X、eMTC、NB-IoT,以及AI等其他功能。

室內外定位融合趨勢

對於室內和室外定位融合的場景,中海達智慧應用事業部副總經理余緒慶認為,5G+北斗和5G+UWB+BLE 5.1會分別成為趨勢。他指出,所有定位技術的基礎時空源都是衛星,也就是說,室內外定位融合的時間和空間基準都源於外部。

首先來看數位孿生(Digital Twin)城市/智慧城市。「現在有很多做這方面的企業都是基於時空基準去做,然後建立一個三維模型,然後在上面做應用、整合;」余緒慶表示。

其次是5G基地台定位。5G R16將可初步滿足80%的時間能實現室內3公尺和室外10公尺的定位精準度要求,而5G R17將在LTE和5G NR R16基礎上繼續演進。根據在TS 22.261中定義的5G定位要求,5G R17將可實現亞米(即一公尺以下)級精確度,達到滿足0.3公尺以內的絕對精準度要求。

再就是智慧駕駛,這涉及到很多室內外場景的應用。現在室外定位已經解決了智慧駕駛很多的問題,而室內定位則需要突破,比如過隧道、最後一公里停車/自動停車等,需要無縫地做到安全、可靠的應用。在此,就需要很多室內定位技術的介入。

室外需求

室外需求比較重要的有智慧城市、V2X、物聯網。「以前的十公尺級、公尺級定位,隨著數位城市的到來,一定會進入到公寸級/亞米級水準。其次,隨著智慧駕駛的到來,衍生出基礎路網資料的改造,這就涉及到V2X基地台,比如紅綠燈、攝影機需要定位等。此外,在定位的同時還需要做到互連互通,比如車跟人、車跟交通燈之間的互連互通,這也需要進入到公寸級或公分級定位,再來就是物聯網。」余緒慶認為,5G+北斗,未來是個重要的發展潮流。

室內需求

室內定位需求包括場景化應用、手機應用和生活化應用。場景化應用包括倉儲、電力、巡檢或物控類的場景等。這種場景有大有小,主要基於自由坐標系統進行定位,而沒有跟外部坐標系統很好的融合。手機應用首先要做好室內的高精準度地圖。百度地圖、騰訊地圖等現在都在努力做好室內外的高精確度地圖並延伸在一起,然後方便後面的生活服務。余緒慶認為,5G+UWB+BLE 5.1會成為一個趨勢。對此,中海達也和通訊營運商合作,在5G微型基地台(picocell)上融合後兩者。

智慧駕駛

智慧駕駛需要5G+組合定位。其中,組合定位包括GNSS、IMU、 UWB、視覺、高精準度地圖等。智慧駕駛需要大量新基礎建設做支撐,這也是「智慧高速2.0」在做的事,包括V2X,以及在遮擋區、隧道區透過UWB做定位,且室內外定位要做到無縫對接。

這樣的場景變化需要建構一個全國範圍的時空基準平台,包括通訊層和定位層兩層平台,然後在上面執行應用。

對此,中海達針對大場景應用發佈了「阿基米德」組合定位平台,重點在於將GNSS與UWB和藍牙5.1融合,以及採用高精準度地圖進行輔助(圖4)。

圖4 阿基米德組合定位平台。

監管場所定位案例

杭州中芯微電子產業專家張益民在發表「室內定位助力公檢法智慧升級」主題演講時表示,監管場所存在在押人員點名、工具管理、盯監控看視訊、三連號管理等問題(圖5)。「這些問題都直接關係到監管安全。那我們如何向科技要警力?」另外還存在如何解決資訊孤島、資料共用的問題,如何挖掘資料、治理資料,以及採用何種模式去呈現資料(資料視覺化)等問題。

圖5 監管產業難處。

張益民指出,應用物聯網位置資訊服務,可以為其解決很多問題。他表示:「從去年開始,司法部在進行智慧監獄和智慧戒毒的達標驗收工作,其中有120項考核指標和1,000分的評分細則。而應用物聯網位置資訊服務,可以為其獲得100分左右的分值,是個很客觀的數字。由此可見位置資訊服務對監控產業管理和應用的重要性和必要性。」

例如對於點名問題,可以實現即時或定時、自動或半自動的人員電子點名。對於工具管理,可以實現線上位置和狀態監測。對於視訊監控,可以與其他安防設施相聯動,實現智慧監管與主動預警。

採用內建心率、血壓、體溫等監控功能的可穿戴智慧裝置,來對特殊人員的生命徵象進行監測。從而當發生異常時可以主動預警,杜絕非正常情況的死亡,並且,這些智慧終端機支援一卡通功能,基於位置資訊服務可以即時監測監管場所的人員分佈情況及行為動態,以及警囚比。當有事件發生時,可以快速定位並科學地調配警力予以處置,以及快速溯源、監控視訊自動合成和下載等。

疫情防護中的接觸者精準感知與追蹤

中科勁點(北京)科技創辦人暨CEO劉軍發表示,疫情常態化已成必然趨勢,接觸者追蹤意義重大。他介紹,7月20日世衛組織召開新冠肺炎例行發佈會,世衛組織總幹事譚德塞表示,追蹤接觸者是遏制病毒傳播的關鍵工具之一。

然而,接觸者追蹤的人力成本巨大。調查報告已寫了60多頁,仍未完成,感染者的行蹤會議和追蹤是一項人工成本巨大且存在遺漏的工作。而即時定位可用於接觸者追蹤,解決傳統定位手段無法解決的問題。

劉軍發指出,GPS定位不準確,設備需依賴至少四顆衛星的訊號。一般情況下,誤差在20公尺左右,完全無法實現接觸者追蹤。在建築物內或地下空間,定位就不完全準確,甚至在有牆壁、建築物、摩天大樓和樹木等障礙物阻擋訊號時,就會出現問題。

現有方案存在實際場景弊端(圖6)。勁點的方案可實現位置、體溫感知。

圖6 現有疫情追蹤方案都存在場景弊端。

LoRa Edge:為室內和室外資產管理提供多樣化應用組合

另外,Semtech也在這個活動的同期舉辦了一場「2020 LoRa創新應用論壇,期間發佈了首款所定地理定位應用的LoRa Edge晶片組LR1110。

據Semtech市場戰略總監甘泉介紹,LoRa Edge產品組合是一個全新的基於LoRa的低功耗平台,可以軟體設置定義。LoRa Edge可為室內和室外資產管理提供多樣化的應用組合,目標應用市場包含工業、建築、農業、交通運輸和物流等領域。

市面上的定位技術品類繁多,如Wi-Fi定位、GPS定位、蜂巢基地台定位、UWB定位等,各有優缺點,考慮到物料清單(BOM)成本、元件數量、功耗或安全等方面,針對的應用領域也各不相同。

具體應用主要是資產管理。包括資產定位(室內/室外位置)、資產可追溯性(送達、出發和持續追溯性)、地理圍欄(虛擬地理邊界)、資產追回(資產可搜尋模式),以及資產丟失和被盜保護(自訂區域警報)。

總結

物聯網領域碎片化嚴重,沒有哪種定位技術可以通吃。設計人員在選用某種技術時,往往要針對具體的應用需求,綜合考慮功耗、精確度和成本等各項指標。

打個比喻,UWB、藍牙AoA和5G基地台等各種定位技術的關係,就好比在物聯網領域Wi-Fi、 ZigBee、藍牙、NB-IoT等連接標準與在手機當中各種感測器之間的關係,它們是相輔相成、互為補充,絕非是替代關係。甚至對於某些較複雜的應用,可能還會融合多種定位技術。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年9月號雜誌

 

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