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剖析七种面向物联网的定位技术

2020-09-01 赵明灿 阅读:
在全球定位技术方面,GPS应用已非常成熟和广泛,但有一个遗憾是,它不支持室内定位。万物互联大背景下的定位要求是广连接、大范围、高并发和高精度,这就衍生了对定位技术的新需求。

在全球定位技术方面,GPS应用已非常成熟和广泛,但有一个遗憾是,它不支持室内定位。万物互联大背景下的定位要求是广连接、大范围、高并发和高精度,这就衍生了对定位技术的新需求。PV9ednc

众所周知,室内外区域定位技术常用的有Wi-Fi、RFID、Zigbee、红外线、蓝牙RSSI、AOA(到达角)和UWB(超宽带)技术等。各种技术有各自的优缺点,我们如何针对自己的物联网应用找到合适的技术?此外,对于智慧城市和智能驾驶等室内外贯通的应用场景,还需要解决室内外定位技术相融合的挑战。PV9ednc

日前,在“IOTE 2020深圳国际高精度定位技术与应用创新高峰论坛”上,众演讲嘉宾对蓝牙AOA、UWB和5G基站定位等热门定位技术的原理和应用案例进行了详细解读,并就各自的优缺点和发展前景展开激烈辩论。PV9ednc

定位算法对比

在讨论各种定位技术之前,首先了解一下几种定位算法及其对比。PV9ednc

到达时间(TOA):TOA技术是指由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号,并要求终端对该指令进行响应。基站会记录下由发出测距指令到收到终端确认信号所花费的时间,该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、终端的响应时延和处理时延、基站的处理时延组成。如果能够准确地得到终端和基站的响应和处理时延,就可以算出射频信号的环路传播时延。因为无线电波在空气中以光速传播,所以基站与终端之间的距离可以估算出来。当有三个基站参与测量时,就可以根据三角定位法来确定终端所在的区域。PV9ednc

前提条件:发送设备和接收设备必须始终同步。PV9ednc

到达时间差(TDOA):TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法,通过测量信号达到基站的时间,可以确定信号源的距离,利用信号源到多个无线电监测站的距离(以无线电基站为中心,距离为半径作圆),就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个基站的时间差,就能做出以检测站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点,该交点即为信号的位置。PV9ednc

前提条件:TDOA定位不需要进行基站和移动终端之间的同步,而只需要基站之间的同步。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步相比要容易实现得多。这使得TDOA定位比TOA定位更加容易实现,所以TDOA定位的应用非常广泛。PV9ednc

双向飞行时间(TW-TOF):TOF测距方法是D.McCrady提出的,然而该技术只侧重于直接序列扩频(DSSS)的通信系统。TOF测距技术可以理解为飞行时差测距方法,传统的测距技术分为双向测距技术和单向测距技术。TOF测距方法属于双向测距技术,它主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。PV9ednc

测距流程:设备A主动发送数据,同时记录发送时间戳,设备B接收到之后记录接收时间戳。延时之后,设备B发送数据,同时记录发送的时间戳;设备A接收数据,同时记录接收时间戳。因此可以拿到两个时间差数据——设备A的时间差和设备B的时间差——最终得到无线信号的飞行时间。PV9ednc

蓝牙AOA技术

Quuppa公司华南区市场负责人欧亮指出,蓝牙5.1标准中增加了新的寻向功能,其技术原理基于蓝牙AOA和蓝牙AOD,声称可以做到厘米级精度。PV9ednc

对于想要做蓝牙AOA产品的公司来说,蓝牙5.1规范只是在理想化的环境下提供了一套技术原理和技术方法。要实现厘米级或分米级的精度,会面临很复杂的技术问题,包括干扰。比如要如何设计多天线——天线与天线之间存在辐射、反射、极化、多径干扰以及同频干扰。“这在规范中是找不到的,需要自己去花时间、花精力解决。”欧亮指出,“并且当所有这些问题都解决的时候,你会发现你可能只能做到1m精度,连分米级都做不到,更何况它声称的厘米级了。”PV9ednc

Quuppa的智能定位系统基于低功耗蓝牙,基于AOA方式,并包含先进的定位引擎和先进的软件工具(1)。之所以取名叫引擎而不叫算法,是因为除了算法,它还在标签端集成了加速度传感器。除了可实现休眠唤醒的功能以外,还可以在实际场景里对标签运动做辅助定位。它还在基站端包含了蓝牙RSSI接收信号强度数据,可以通过它来调节标签和基站的灵敏度,从而应对不同场合需要。PV9ednc

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图1:Quuppa智能定位系统。PV9ednc

这套软件工具可以用定位器和实际场景做链接,并且可以在实际场景中画出虚拟智能区域,来解决在实际场景中遇到的80~90%的信号漂移问题。PV9ednc

除了精确性以外,蓝牙5.1还有几个特点:通用性、可扩展性和开放性。欧亮认为,蓝牙作为IoT行业里的通用标准之一,是解决其中很多物体最后1m、10m或100m很好的选择。可扩展性和通用性相辅相成,并且现在很多手机都带有蓝牙,因此可以往手机扩展。对于开放性,蓝牙是开放标准。PV9ednc

这一智能定位系统的关键性能包括:精准(10cm~1m)、实时、蓝牙兼容、标签端的开放性、物联网网关(支持蓝牙透传)、开放API接口、电池功耗、免费维护与升级、免干扰(支持芯片级私有信道定制)。PV9ednc

室内定位的一个特点是碎片化,简单归纳起来可分为三类:存在/建筑级(库存/资产管理)、接近/区域级(电子围栏)、高精度定位(工艺优化、工人安全)。PV9ednc

UWB技术

超宽带技术是一种无线载波通信技术。它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。PV9ednc

“UWB是一种独特的信息传输方式。简单来说,它在频域上很宽,跟其他窄带信号是同频并且同时发射,相对这些窄带信号来说相当于底噪,可以共存。”深圳市纽瑞芯科技有限公司CEO陈振骐表示。在时域上,宽频信号经过时间变换就是窄脉冲。因此,相对于连续时域信号,它仍然可以检测而实现信号通信。因为它在短时间内的信号能量非常强,而且在传输过程中有非常多重复,所以在传输时还可以更大地增强传输能力。PV9ednc

因此,UWB是一种非常好、非常独特的通信技术,具有很好的兼容性。同时具有高能效比的通信能力。PV9ednc

在定位上,UWB也是一种非常好的解决方案。因为所有的定位,不管是TOF、TOA、TDOA还是其他,都是做距离和时间上的变换,信号的时间精度决定了最基础的物理系统能够达到的精度。因为UWB是种超宽带信号,在时域上非常窄,脉冲在2ns,带宽在2GHz以上,所以其时间分辨精度非常高。在这方面,与蓝牙、Wi-Fi+AOA、TDOA等相比,它具有天然的优势。PV9ednc

另外,在室内定位场景,多径干扰是个非常难解决的问题。而UWB这种超宽带、低占空比的室内无线电技术,由于大部分的多径信号不会造成混叠,因此也具有独特的优势。而蓝牙等的信号在发生多径的时候会产生混叠。虽然有很多的算法去抗多径、做分离、解卷积,但是实际的效果都有限。PV9ednc

综上,UWB技术有以下技术优势:定位精度高(厘米级精度);抗多径能力强(适应复杂室内);兼容性强,终端容量大,与其他通信协议共存;高速率通信能力,综合能效较高(2)。PV9ednc

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图2:UWB技术优势。PV9ednc

UWB技术有三大产业领域:传统行业领域、手机产业领域、物联网产业领域。五大新应用方向:智能家居、寻物定位、智能汽车、AR/VR、移动支付。PV9ednc

对于国产UWB芯片级解决方案的机遇与优势,陈振骐指出,首先,作为一家国产UWB芯片级解决方案供应商,纽瑞芯需要去做技术升级、功能升级和性能升级,而不能只做已有芯片的简单替代。新的应用有新的需求,已有的产品可能存在技术陈旧、性能不足、不兼容新协议等问题。新产业方向、新应用对UWB产品有更高的性能要求和更多的功能要求。PV9ednc

在这个背景下,就必须要做到自主核心知识产权,要全正向研发。PV9ednc

最后,该公司也意识到,要覆盖这样一个新生的海量市场,这不只是做一款芯片的事情,而是要配合方案商、系统商去做应用软件、系统硬件、协议固件、芯片的全系统开发。PV9ednc

蓝牙AOA与UWB对比

上海磐启微电子有限公司工程与市场部副总裁杨丰林首先对蓝牙AOA和UWB这两种技术进行了对比(31)。其PPT上赫然写道:PV9ednc

UWB:成本高;功耗大;频谱受限,覆盖范围小。PV9ednc

蓝牙AOA:国内蓝牙芯片供应商众多;标签成本低,且兼容BLE 5.1协议;功耗小;频谱资源不受限制。PV9ednc

他解释说,早期的室内定位技术有基于Wi-Fi的指纹技术、蓝牙iBeacon技术,但是这些技术的精度差,只有3到5米,并且很不确定。后来,室内定位引入了UWB,这种技术最早是在军事上使用,后来引入工业端,特点是定位精度很高,是目前市场上最高的,但它也有以下问题:PV9ednc

第一,成本高。这种芯片是由Decawave提供的,市场成本在5美元左右。PV9ednc

第二,频谱资源受限。虽然美国FCC给它划分了7.5GHz带宽(3.1~10.6GHz),但对每个频段都做了严格限制。例如在3~6GHz的低频段内,严格限制其发射功率要小于-70dBm/MHz;在6~10GHz的高频段内,也要小于-43dBm/MHz。总之,不管是国外还是国内,对UWB的使用都做了严格限制。而随着AOA技术的出现,以及与蓝牙技术的融合,即BLE AOA,则实现了很好的折中,因为它可以使用2.4GHz ISM频段,并有蓝牙生态的支持。更重要的是它的成本很低,不足1美元,对终端产品的促进有很大的帮助。PV9ednc

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图3:UWB和蓝牙AOA技术对比。PV9ednc

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表1:主流室内定位技术对比。PV9ednc

他也表示,这种技术从研发的角度来讲很简单,但从使用的角度来讲很复杂。有几个方面:PV9ednc

第一,无线电波在空分方面有很多干扰。例如Wi-Fi、微波炉等工作在2.4GHz频段的设备对它都有干扰。这就对每根天线形成不理想因素。PV9ednc

第二,无线电波传输有多径效应,即信号通过不同的路径或反射到达天线。这就需要采用校正算法。国内许多芯片公司在这方面也在不断接近国外公司的水平。PV9ednc

他认为,UWB在中国未来的前景会受到限制,原因是国家政策。PV9ednc

“这项技术从产业的角度来讲确实非常好,它的精度很高,抗干扰能力很强。当时它引入到中国时是2005年,那时还没有4G、5G。但是随着4G、5G的推动,而UWB的频段很宽,并且在工业场景里使用的很多UWB设备都是超标使用,把发射功率调得很大,这样可以覆盖更远的距离。”他透露,“监管部门很早就发现这个现象,为了避免将来对的5G设备进行干扰,目前工信部无线电管理局正在委托中国信通院进行进一步调研。据说不久就会发布新的对UWB技术在中国使用的管制规范。这只会更加严格,甚至可能导致其低频段(即5G频段)不可使用。”PV9ednc

“中国信通院(西院)曾经给工信部提供了一份关于工业物联网的频率资源使用指南,其中把UWB技术作为一个工业物联网的推荐标准。然而,当这份指南提交给工信部后,工信部把这部分内容给删掉了。原因就是作为一个国家部门,他们会关心这个技术本身将来在中国的发展前景,以及对其他技术的可替代性。”PV9ednc

另外,在5G方面,5G R16当中已经定义了一个室内定位的规范。“虽然其精度是米级,未达到UWB的精度,但在有5G的地方,国家会优先用5G。UWB技术本身大部分专利属于国外公司,并且标准也是国外公司在主导。因此对于国家来讲,一定会首先考虑我国所能使用的技术。因此,从这个角度来看,UWB将来也会受到限制。”PV9ednc

最后是生态。“凡是兼容蓝牙5.1的终端,都可以纳入到这个系统中去。而UWB只有物理层的技术,而没有网络层的协议,因此组网/并网很难。很多设备都不能兼容,这样就对它的推广构成很大影响。”PV9ednc

另外,对于蓝牙AOA技术的难点,他补充说有两个方面:PV9ednc

一是天线阵列。由于电磁波是以光速运行,因此要算出射频信号到达每根天线的时间差,任何的天线不匹配都会对精度造成影响,因此要做很多校准,包括场景校准。PV9ednc

第二是定位引擎本身。如果处理机有足够强的算力,并容许足够大的功耗,那肯定是最好的。但是,现在很多设备都要求低成本、低功耗,因此不能选用足够强的处理器来处理它的数据。因此,要在有限的算力下实现很好的定位算法就非常具有挑战性。PV9ednc

陈振骐对以上部分观点给出了严正反驳。他指出,每种定位技术都有自己的方向和优劣势(2)。对于物联网室内定位这样的大行业,并不存在哪种技术具有绝对优势,而到最后把其他技术淘汰掉。“实际在应用方向上,有的要密度高,有的要成本低,有的要性能高,每种技术都有自己的应用空间。”同时,他指出,在高精度定位方面,UWB、蓝牙和毫米波都宣称可以达到厘米级定位精度,但实际的宣传会产生误导。PV9ednc

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表2:UWB技术与其他室内定位技术的对比。PV9ednc

对于一些传统行业,UWB方案需要去做性能升级。他指出,对于自有空间,比如厂房,其实是不需要遵守协议的。在这种情况下,它还是可以大功率发射,会有特殊的信号模式、功率要求和频段要求,从而提高定位精度。PV9ednc

对于手机领域,旗舰手机对芯片质量和供应商要求非常高,需要满足高可靠性、一致性,高保密性、安全性,高集成度、小尺寸,以及严格优化成本等要求。PV9ednc

另外就是标准协议兼容。他对杨丰林的观点更正道: “在高频段,6.5~10GHz,不管是无委会还是FCC,都是许可的。在低频段确实有问题。现在所有手机都做了高频段,iPhone在国内有入网许可。所有的协议都在手机这样的小空间里做,高集成度和电磁兼容确实是一项很大的挑战。”PV9ednc

另外,手机行业还是一个很残酷的行业,一年一代,这就要去芯片的更新速度更快。PV9ednc

最后,对于物联网领域,也是要做协议兼容,互联互通。不同应用有着不同定制化需求,包括:超低功耗、超小尺寸、超低成本、极致性能、定制化快速推向市场。另外,除了UWB外,终端产品可能还会集成Wi-Fi、蓝牙,GNSS,V2X、eMTC、NB-IoT,以及AI等其他功能。我们在这方面也有相当的积累。PV9ednc

室内外定位融合趋势

对于室外和室内两种定位融合的场景,中海达智能应用事业部副总经理余绪庆认为,5G+北斗和5G+UWB+BLE5.1会分别成为趋势。PV9ednc

他指出,所有定位技术的基础时空源都是卫星,也就是说,室内外定位融合的时间和空间基准都来源于外部。PV9ednc

首先来看数字孪生城市/智慧城市。“现在有很多做这方面的企业都是基于时空基准去做的,然后建立一个三维模型,然后在上面做应用,做集成。”余绪庆表示。PV9ednc

其次是5G基站定位。5G R16将可初步满足80%的时间实现室内3米和室外10米的定位精度要求,而5G R17将在LTE和5G NR R16基础上继续演进。根据在TS 22.261中定义的5G定位要求,5G R17将可实现亚米级精度,达到满足0.3米以内的绝对精度要求。PV9ednc

再就是智能驾驶。这涉及到很多室内外场景的应用。现在室外定位已经解决了智能驾驶很多的问题,而室内定位则需要突破,比如过隧道、最后一公里泊车/自动泊车等,需要无缝地做到安全、可靠的应用。在此,就需要很多室内定位技术的介入。PV9ednc

室外需求

室外需求比较重要的有数字城市、V2X、物联网。“以前的十米级、米级定位,随着数字城市的到来,一定会进入到分米级/亚米级水准。其次,随着智能驾驶的到来,衍生出基础路网数据的改造,这就涉及到V2X基站,比如红绿灯需要定位、摄像头需要定位等。此外,在定位的同时还需要做到互联互通,比如车跟人、车跟交通灯之间的互联互通,这也需要进入到分米级或厘米级定位。再就是物联网。”余绪庆谈道。他认为,5G+北斗,未来是个重要的发展潮流。PV9ednc

室内需求

室内定位需求包括场景化应用、手机应用和生活化应用。场景化应用包括仓储、电力、巡检或物控类的场景等。这种场景有大有小,主要基于自由坐标系做定位,而没有跟外部坐标系做很好的融合。手机应用首先要做好室内的高精度地图。百度地图、腾讯地图等现在都在努力做好室内外的高精度地图并延伸在一起,然后方便后面的生活服务。余绪庆认为,5G+UWB+BLE5.1会成为一个趋势。对此,中海达也和通信运营商合作,在5G皮基站上去融合后两者。PV9ednc

智能驾驶

5G+组合定位,组合定位包括GNSS、惯导(IMU)、UWB、视觉、高精度地图等。智能驾驶需要大量新基建做支撑,这也是“智慧高速2.0”在做的事,包括V2X,以及在遮挡区、隧道区通过UWB做定位。并且室内外定位要做到无缝对接。PV9ednc

这样的场景变化需要构建一个全国范围的时空基准平台,包括通信层和定位层两层平台,然后在上面跑应用。PV9ednc

对此,中海达面向大场景应用发布了“阿基米德”组合定位平台,重点在于将GNSS与UWB和蓝牙5.1融合,以及采用高精度地图进行辅助(4)。“当把技术平台搭好之后,就可以很快做出室外、室内以及组合定位产品。”其次,该公司还打造了全球星基服务系统——Hi RTP,它通过地面互联网方式播发,并租用了一颗卫星,这样就可以同时以互联网和卫星做空间和时间广播。这套系统在中国区域可以达到4cm精度,在全球范围内可达10cm精度,并且是全频段、全星座支持。PV9ednc

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图4:“阿基米德”组合定位平台。PV9ednc

中海达基于这套平台,提供算法IP、板卡模块、智能天线和集成终端的组合产品。PV9ednc

监管场所定位案例

杭州中芯微电子有限公司行业专家张益民在发表“室内定位助力公检法智慧升级”主题演讲时表示,监管场所存在在押人员点名、工具管理、盯监控看视频、三连号管理等等问题(5)。“这些问题都直接关系到监管安全。那我们如何向科技要警力?”另外还存在如何解决信息孤岛、数据共享的问题,如何挖掘数据、治理数据,以及采用何种模式去呈现数据(数据可视化)等问题。PV9ednc

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图5:监管行业难点。PV9ednc

他指出,应用物联网位置信息服务,可以为其解决很多问题。PV9ednc

“从去年开始,司法部在搞智慧监狱和智慧戒毒的达标验收工作,其中有120项考核指标和1000分的评分细则。而应用物联网位置信息服务,可以为其获得100分左右的分值,是个很客观的数字。由此可见位置信息服务对监控行业管理和应用的重要性和必要性。”他介绍说。PV9ednc

例如对于点名问题,可以实现实时或定时、自动或半自动的人员电子点名。对于工具管理,可以实现在线位置和状态监测。对于视频监控,可以与其他安防设施相联动,实现智能监管与主动预警。PV9ednc

采用带有心率、血压、体温等监控功能的可穿戴智能设备,来对特殊人员的生命体征进行监测。从而当发生异常时可以主动预警,而杜绝非正常情况的死亡。并且,这些智能终端支持一卡通功能。基于位置信息服务可以实时监测监管场所的人员分布情况及行为动态,以及警囚比。当有事件发生时,可以快速定位并科学地调配警力予以处置,以及快速溯源、监控视频自动合成和下载等。PV9ednc

杭州中芯微针对不同的场景需求提供不同解决方案,包括RFID房间级定位产品、AOA高精度定位产品,以及UWB高精度单基站产品等。PV9ednc

RFID房间级定位模式能够满足大部分监管场所需求。特点是:造价低、标签功耗小、容量大、系统稳定可靠、不会出现穿墙的房间级定位逻辑;在人体遮挡和水下1m的情况下也能正常工作;支持心率+血压+体温+计步+一卡通。PV9ednc

AOA高精度定位产品能提供高性能的位置感知信息服务。特点是应用面广;2~5年的电量使用时间;大容量的精确位置服务;支持心率+血压+体温+计步+一卡通。PV9ednc

UWB高精度单基站可在600m2以上空旷范围内提供高精度定位。PV9ednc

疫情防护中的接触者精准感知与追踪

中科劲点(北京)科技有限公司创始人兼CEO刘军发表示,疫情常态化已成必然趋势,接触者追踪意义重大。他介绍说,7月20日,世卫组织召开新冠肺炎例行发布会,世卫组织总干事谭德塞表示,追踪接触者是遏制病毒传播的关键工具之一。PV9ednc

然而,接触者追踪的人力成本巨大。流调报告已写了60多页,仍未完成。感染者的行踪会议和追踪是一项人工成本巨大且存在遗漏的工作。PV9ednc

实时定位可用于接触者追踪,解决传统定位手段无法解决的问题。PV9ednc

他指出,GPS定位不准确,设备依赖于至少四颗卫星的信号。一般情况下,误差在20米左右,完全无法实现接触者跟踪。在建筑物内或地下空间,定位就不完全准确。甚至在有墙壁、建筑物、摩天大楼和数目等障碍物阻挡信号时,就会出现问题。PV9ednc

现有方案存在实际场景弊端(6)。劲点方案可实现位置、体温感知。劲点的定位终端可获取定位数据包,通过网络传输发送到云平台服务器。服务器端可根据定位算法解析出实时位置,同时计算出周边范围的所有接触者位置,将结果返回到手机app和监管平台,进行逻辑处理和分析展示。这样就可以进行实时体温异常和位置异常报警。PV9ednc

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图6:现有疫情追踪方案都存在场景弊端。PV9ednc

针对两种场景,该公司两种细分方案:PV9ednc

手机方案:适用于批发市场、商场、车站、公园、景区、码头等集散地场所。PV9ednc

手环方案:适用于学校、游乐场等学说、儿童聚集地和工程、博物馆的封闭场所。PV9ednc

LoRa Edge:为室内和室外资产管理提供多样化的应用组合

另外,Semtech也在这个活动的同期举办了一场“2020 LoRa创新应用论坛”,期间发布了首款面向地理定位应用的LoRa Edge芯片组LR1110(图7)。PV9ednc

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图7:Semtech公司市场战略总监甘泉兼任“2020 LoRa创新应用论坛”主持和LoRa Edge介绍。PV9ednc

据Semtech公司市场战略总监甘泉介绍,LoRa Edge产品组合是一个全新的基于LoRa的低功耗平台,可以软件设置定义。LoRa Edge可为室内和室外资产管理提供多样化的应用组合,目标应用市场包含工业、楼宇、家居、农业、交通运输和物流等领域。PV9ednc

下面来看一下它又有哪些技术优势。PV9ednc

甘泉表示,LoRa Edge地理定位解决方案支持低功耗Wi-Fi和GNSS扫描功能,结合简单易用且经济高效的LoRa Cloud地理定位以及设备管理服务,可显著降低采用物联网来定位和监测资产的成本和复杂性。PV9ednc

他指出,市面上的定位技术品类繁多,如Wi-Fi定位、GPS定位、蜂窝基站定位、UWB等各有优缺点,考虑到物料清单(BOM)成本、元器件数量、功耗或安全等方面,针对的应用领域也各不相同。LoRa Edge的目标市场是原有低功耗Wi-Fi定位市场、原有低功耗GPS定位市场、对LoRa灵敏度要求更高的市场以及原有LoRa+BLE定位市场。PV9ednc

具体应用主要是资产管理,包括:资产定位(室内/室外位置)、资产可追溯性(送达、出发和持续追溯性)、地理围栏(虚拟地理边界)、资产追回(资产可搜寻模式)以及资产丢失和被盗保护(自定义区域报警)。PV9ednc

在产品定位上,LR1110精度要低于GPS/Wi-Fi芯片组的方案,但是对于绝大多数的物联网设备来说,定位精度达到米级已经够用。PV9ednc

定制化的Wi-Fi和GNSS功能

Wi-Fi定位技术可以说非常成熟了,但传统Wi-Fi方案都需要一个模块,“而我们这个Wi-Fi模块是专门定制的,把所有发射的射频器件全部去掉,只留一个最简单的接听功能,专门用于定位,”甘泉介绍说,这就是Wi-Fi被动扫描功能(8)。PV9ednc

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图8:LoRa Edge功能。PV9ednc

这个定制模块能够发现Wi-Fi b/g/n的信号,提取设备地理定位的MAC地址,捕捉和解调包含MAC地址信息的Wi-Fi数据包,但是并不需要像主动扫描那样传输所有信号,而是可以提取并传输可选信号及RSSI,降低功耗。LR1110还可以提取国家/地区代码,并将MAC地址发送至基于云的Wi-Fi查找服务,进一步降低本地功耗。PV9ednc

LR1110可以捕捉部分卫星广播信号,再将信号聚合到NAV消息并发送到云服务器,从而获得位置信息。据甘泉介绍,LR1110内置的多星座GNSS扫描仪支持GPS L1+GPS地球静止轨道卫星定位、SBAS系统(利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统)中的欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)、美国雷声公司的广域增强系统(WAAS),以及北斗B1+北斗地球静止轨道GEO/IGSO定位。PV9ednc

“目前市面上几乎所有的卫星定位,都是本地运算。而LR1110的多星座GNSS扫描仪只获取卫星数据,并不在本地进行数据处理,而是将数据直接发送到云端进行处理,能够非常好地降低功耗。”甘泉说到,“同时,LoRa基站也可以向LR1110提供协助参数,比如设备初始位置粗略估算、当前时间、已补偿的参考频率误差、Almanac的最新版本等等,从而提升定位的精度。”而有关为LPWAN定制的LR1110信息也可以降低吞吐量和功耗。PV9ednc

功耗、成本、安全性

目前,LoRa Edge和LoRa Cloud地理定位服务需要连接到Semtech的服务器进行定位数据处理,这是一项收费服务。不过Semtech正计划向其他云服务厂商开放生态,同时对于数据保密较敏感的使用者,也可以自建云端的定位服务器。PV9ednc

相比于其他定位技术,由于不再需要添加GNSS和Wi-Fi器件,LoRa Edge降低了设备的BOM成本,并显著降低了设计和采购复杂性。PV9ednc

第一,通过添加LoRa Cloud地理定位服务,以及提供简单易用且经济高效的到达时间差(TDOA)数据、GNSS和基于Wi-Fi的云位置计算功能,进而大幅降低了设备的功耗,解决了GPS等方案需要频繁更换电池的问题,提高了资产管理效率。PV9ednc

第二,LoRa Edge方案将Wi-Fi、GPS、安全元件和回程收发器高度集成,减少了元器件和供应商数量,用户仅在需要进行资产定位时才付费,能够进一步管理总拥有成本(TCO)。PV9ednc

第三,在芯片制造时配置的密钥和安全连接添加流程,进一步简化了物联网解决方案的开发,满足了用户对安全性的严格要求。PV9ednc

总结

物联网领域碎片化严重,没有哪种定位技术可以做到通吃。设计人员在选用某种技术时,往往要针对具体的应用需求,综合考虑功耗、精度和成本等各项指标。PV9ednc

打个比喻,UWB、蓝牙AOA和5G基站等各种定位技术的关系,就好比在物联网领域Wi-Fi、Zigbee、蓝牙、NB-IoT等连接标准或在手机当中各种传感器之间的关系,它们是相辅相成、互为补充,而绝非是替代关系的。甚至对于某些较复杂的应用,可能还会选用多种定位技术来做融合。PV9ednc

本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里PV9ednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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