为物联网设计添加位置的价值

物联网宇宙

物联网是一个包罗万象的宇宙，本质上已经编织在我们世界的许多方面。随着第四次工业革命的不断创新，这种交织将成倍扩大。

物联网已经存在了几十年，但随着创新，更重要的是移动性的提高，企业正在更快地拥抱物联网，并意识到对位置感知的迫切需求。提供来自设备的“什么”很重要，但“在哪里”是物联网硬币的另一面，它为报告的数据提供了重要的上下文。

物联网中的连接性转化为系统、流程和人员的更大可见性。曾经手动完成的任务现在已自动化，因此检测、分析和操作只需几秒钟即可完成。此外，作为这种自动化的一部分提供的智能意味着问题在再次发生之前得到解决，企业可以更有效地管理他们的生产力和产出。

位置是首要分析

如图 1 所示，预测了数十亿的物联网连接设备，无论是托盘跟踪器、车队管理平台还是紧急响应按钮，知道设备在特定时间的位置提供了无限量的智能，可以根据这些智能采取行动采取。因此，许多大型企业、MNO/MVNO、设备制造商、调制解调器和模块制造商、云服务等都宣布推出定位技术和平台。 Google Maps于 2005 年推出，长期以来一直使开发人员能够在其应用程序中包含地理空间信息。许多其他公司也纷纷效仿，例如亚马逊的AWS maps和微软的 Azure Maps最近推出了其平台，该平台为开发人员提供了一套地理定位服务，以将地理空间功能添加到他们的应用程序中。移动网络运营商正在为物联网设备提供定位服务，包括 AT&T 的DataFlow、Verizon Wireless 的ThingSpace和T-Mobile的网络设备服务，其中包括定位功能。

图 1：物联网市场规模

位置注意事项

过去，GPS 是定位物体的事实标准。对于某些用例，准确度可能不那么理想，但 GPS 提供了足够好的时间估计。自 1980 年代 GPS 向公众推出以来，许多其他定位技术已经进入市场，并取得了不同程度的成功。对这些技术进行简单的比较并不容易，因为有太多因素影响到等式，以发现针对特定用例的正确技术。

确定最佳定位平台必须考虑的问题包括：

电源/电池寿命——对于需要长寿命的用例，使用最少电量的技术是可取的。

安全性——虽然每个用例都需要一定程度的安全性，但在考虑将位置作为解决方案一部分的用例时，位置平台绝对安全至关重要。

精度——例如，取决于用例是需要毫米精度还是仅知道物体在 200-500 米范围内，这将有助于辨别理想的定位平台——或者两种或多种解决方案的混合。

覆盖——如果用例依赖于无缝的室内和室外覆盖，则选择是两个或多个平台的混合解决方案，或者利用蜂窝网络。

尺寸——对于需要小尺寸的用例，这意味着更少的无线电、电池和天线，其他考虑因素，如准确性或电池寿命可能需要妥协。

成本——当需要一个非常低成本的跟踪器时，只使用一个功耗最少的无线电是理想的。

渐进式改进——与 GPS 网络一样，随着时间的推移进行了升级以提高准确性，但这意味着发射昂贵的新卫星。理想的定位解决方案是自我修复，并使用机器学习在每次定位查找时自我改进。

设备上的本地定位——物联网设备通常没有设计定位功能。选择具有嵌入式定位技术的解决方案非常重要，该技术可以在设备上轻松激活并通过无线 （OTA） 进行更新。这允许立即可扩展性。

定位技术

让我们看看一些最常用的解决方案以及它们提供的功能。

全球定位系统

全球定位系统 （GPS） 最早由美国国防部于 1970 年代初开发，并由美国军方独家使用。该卫星系统于 1980 年代开放供民用，并于 1995 年全面投入使用。

从太空广播的 GPS 信号的准确性因大气条件、卫星位置（精度的几何稀释）、所见卫星数量和其他因素而异。GPS 接收器需要清晰的卫星网络视线，并且由于多径误差（可能发生在密集的城市地区、茂密的树木繁茂的地区、隧道或其他有盖结构中），结果可能不太理想。GPS 定位的预期精度在 10m 到 100m 之间，具体取决于上述因素。

GPS 不适用于室内定位，因此它的使用仅限于室外，并且在密度较低的区域效果最佳。GPS 设备的耗电量可能远高于任何其他定位技术，因为它的搜索算法可以在没有卫星可见的情况下继续运行，因此应设计用于具有更大电池储备或可充电格式的用例。 此外，还需要考虑设备尺寸限制。

无线上网

到 2022 年，公共 Wi-Fi 热点预计将增长到超过 50 亿个。* Wi-Fi 很容易获得，并且是一种廉价的室内使用平台。Wi-Fi 是一种基于邻近的定位解决方案，它观察来自报告的 Wi-Fi 接入点 （AP） 位置的信号强度，这些位置由 Google 等第三方存储。

Wi-Fi 功耗低于 GPS，但范围有限，可能需要额外的设备才能为较大的设施提供足够的覆盖范围。像墙壁或金属结构这样简单的障碍物都会干扰信号。Wi-Fi 修复的预期精度约为 25m 到 300m。

如果还需要室外覆盖，Wi-Fi 结合 GPS 或其他解决方案将为许多用例提供足够的覆盖。使用混合解决方案确实会增加成本、尺寸和功耗，并且设备在从室内环境移动到室外环境时需要重新连接。这是提供良好的室内和室外位置覆盖的常用技术，但对于许多需要大约 2 到 10 年的长电池寿命的极低功耗物联网解决方案来说，这不是一种可行的解决方案。

蓝牙

蓝牙于 1996 年推出，是英特尔、爱立信和诺基亚合作开发的一种共享短程无线技术以推向市场。2002 年，IEEE 批准了 802.15.1 规范。

快进到 2019 年，蓝牙最近推出了具有更大范围和速度的蓝牙 5.0，用于在许多设备之间进行连接。低功耗蓝牙 （BLE） 的推出可在更高功率的应用中实现更低的功率或长达 4 倍的距离。蓝牙定位技术是一种近距离范围应用，可以提供良好的室内精度，但需要构建硬件密集型网络以提供大范围的精度。要获得引用的 2m 精度，设备需要在信标的 6m 范围内。

射频识别

早在二战时期，全球军方使用的第一个射频识别 （RFID） 系统是无源的。英国人迅速开发了有源 RFID 解决方案，并且该技术迅速创新为我们今天看到的解决方案。RFID 标签非常小且价格低廉，可以贴在许多不同的资产上。

由于 RFID 的范围非常有限，RFID 是一种仅限室内的定位解决方案，通常用于跟踪物品何时通过阻塞点，例如零售店的门或装配线上的物品。RFID 已被用于提高许多供应链的效率，但采用并没有得到应有的广泛应用，部分原因在于其有限的范围和信标硬件部署的成本。据估计，RFID 市场有 99% 尚未开发，部分原因是出于安全考虑。

蜂窝

使用商业蜂窝网络的定位可以通过多种方式完成；因此，具有不同程度的准确性和其他因素。常用的方法是小区 ID 方法，其中调制解调器输出服务小区和可能的相邻小区的无线电信息和信号强度。数据被输入到跟踪塔位置的第三方数据库（类似于 Wi-Fi 定位技术）。馈入第三方 API 的蜂窝塔信息对象的示例包括蜂窝 ID、位置区域代码、移动国家代码、移动网络代码、信号强度和检测到的塔的时间提前。这种类型的位置预计允许大约 300m 到 3km 的粗略位置顺序，具体取决于网络的密度。这是一个非常简单的，

另一种正在使用的蜂窝技术是运营商自己应用的运营商网络技术。这些是基于标准的，包括复杂的架构实现。这包括与 LTE 全频段网络一起使用的观测到达时间差 （OTDOA） 等技术。在美国，FCC 要求用于 E911 呼叫的手机辅助定位技术必须为 67% 的测量呼叫提供 50m 范围内的定位。

该技术提供了良好的准确性，但由运营商控制并且只能通过它们获得。今天，它的使用似乎仅限于紧急定位系统中手机的定位技术。

图 2：LTE 版本 9/10 中的定位架构。由爱立信提供。

物联网设备带宽较低的 CAT-M 系统具有 OTDOA 标准，但尚未在网络中实施，并且不会提供与上述全频段解决方案相同的精度。

一种更新的技术可以为物联网市场带来更准确的蜂窝定位，并且不需要网络运营商自己部署，那就是蜂窝云定位 （C-LoC）。该技术是一种先进的到达时间差 （TDOA） 方法，可用于 CAT-M 和 NB-IoT 设备，可实现 10m 至 200m 量级的定位精度，同时所需的额外功率非常低，高于 IoT 已经使用的功率通信设备，因为它是调制解调器固件的一部分。该技术允许非常安全的连接，因为位置信息永远不会像 GPS 那样出现在设备上。对于需要在室内和室外进行精确定位的超低功耗物联网设备，该技术是一种理想的解决方案。

概括

无论使用何种技术，随着物联网连接的扩展，位置对于提供上下文将变得越来越重要。位置是主要的分析，它可以提供关键数据来改善客户体验、生产力和利润。

图 3：定位技术概述

审核编辑：郭婷