5G時代物聯網系統中精準定位技術的應用研究

山西信息規劃設計院有限公司 張逢飛

我國已進入了5G時代，物聯網系統精確定位技術已經在各個行業普及，這對人員或設備定位具有非常重要的作用。本文以5G時代物聯網系統精確定位技術概述為切入點，首先介紹了5G時代物聯網系統的基本情況，詳細梳理了定位技術的發展，總結并對比分析各類定位技術的原理和特點，然后闡述定位技術在智能交通、物流、醫療等物聯網行業領域的應用現狀，最后基于市場發展預測定位技術在物聯網中的應用發展前景，并從技術演進角度分析定位技術在物聯網環境下發展所面臨的挑戰。

1 5G時代物聯網系統的精確定位

近年來，第五代移動通信系統5G逐漸成為各界人士研究的熱門。5G發展主要從兩個方面展現：第一，以長期演進技術為主的第四代移動通訊系統4G已全面商業化應用，對下一代技術的探討提出日程；第二，移動數據需求量大幅度增長，現有移動通信系統很難滿足未來需求，急需全面普及新一代5G系統。5G發展來源于社會對移動數據日益增長的需求，隨著移動互聯網發展，越來越多的設備網絡中，出現種類越來越多的新服務和應用。經過有關人員調查發現，最早在2018年全球移動用戶就已經突破32億，如果按照目前移動網絡發展趨勢，其內在容量將會無法滿足流量增長，也無法接受高昂的成本。因此，5G基站應運而生，它主要是為了給5G網絡提供服務。按照邏輯功能可將基站分為基帶單元和射頻單元，兩個不同單元之間是通過CPRI以及eCPRI來進行連接。2021年10月19日，電信部新聞發言人、運行監測協調局局長羅俊杰表示，目前我國5G基站已超過一百萬個，終端連接已接近4.5億戶。而物聯網精確定位能給井下工作人員提供精確定位，便于在發生事故后，有助于工作人員實施應急救援，同時在管理人員作業、建設礦井方面具有非常重要的作用，能給其提供重要的位置信息。

2 系統架構

從技術結構層面來看，物聯網主要是由網絡層、應用層、感知層三個層面組成。其中，感知層與人類神經末梢功能相似，對物體形狀進行感知，同時收集所需要的信息，這其中涉及的范圍較廣，如音頻、化學量、物理量等，并將所收集的信息傳輸給其他設備。網絡層與大腦中樞神經功能一致，主要進行專業的數據收集與傳遞，是促進物聯網交流的重要方式。而應用層是連接物聯網與用戶之間重要渠道，可根據不同行業發展需求，設計多樣化功能，如服務平臺、應用支撐平臺等。在信息化時代背景下，物聯網技術逐漸普及到每個行業，如醫療、學校、物流等，給這些行業帶來極大的便利。

圖1是精確定位系統在礦井中的應用。井下環境十分特殊，能見度極低，重巖下落幾率較大，甚至可能出現易燃易爆有毒氣體，這些因素增加了救援難度。因此，我國充分借鑒國際物聯網技術，有效解決井下設備和工作人員定位問題。隨著我國針對物聯網技術研究不斷深入，為礦井井下定位提供了可靠的保障。

圖1 井下精確定位系統架構圖

3 定位技術在物聯網中的應用

3.1 智能交通

正常情況下，智能交通是以交通服務設施和基礎設施為核心環節，再將物聯網處理、信息采集、傳輸等技術進行多次融合，最終完成汽車與汽車、交通設施之間的通訊工作，為其他人員提供多樣化智能服務。從智能交通方面而言，現階段大部分交通服務都十分依賴車輛位置信息。因此，研究人員可利用A-GPS、GPS等技術來提高車輛實時定位能力，給駕駛人員提供距離最短的行駛路線。而車載導航系統在經歷了第一、第二代自助式導航和多媒體導航后，正在朝第三代無線通信導航發展。第三代導航系統能合理利用無線通信技術，給駕駛員提供豐富的道路路況信息，為司機提供最短的出行路線，實現梳堵式導航，盡可能指揮車輛偏離擁堵路段，實現遠程故障診斷、防盜、救助等作用。

3.2 智能物流

在實際運用過程當中，智能物流是以物聯網技術作為基礎，將其智能技術徹底融入到物流行業中，通過最先進的傳感技術來獲取運輸環節、貨物存儲環節等方面的信息，再利用通信功能將數據傳輸到數據處理中心，對各種信息進行最專業的分析和處理，為物流管理提供最便捷規劃、最合理的決策，有效提升物流運輸效率，控制物流成本，實現真正物流信息化發展。智能物流化能有效鎖定貨物位置信息，而定位技術作為智能物流當中的重要環節，在整個過程當中發揮著極其重要的作用。近年來，隨著定位技術不斷普及，定位技術被應用于各個環節，如物流車輛監管、倉儲管理、貨物跟蹤等方面。物流公司大多會在貨物內安裝傳感裝置，來獲得貨物的準確位置信息，同時在貨物出入倉裝卸和經過運輸線檢查點時，也會收集相關信息，便于監控貨物的位置，避免出現物品遺失、誤送等問題。除此之外，不僅物流公司能夠及時獲取貨物位置信息，客戶同樣能利用互聯網來獲取貨物位置?，F階段貨物定位信息主要是通過條形碼和RFID兩種方面來實施，但由于RFID標簽成本過于高昂，目前在市場上的占有率較低，再加上其存在條形碼識別距離較短、識別成功率較低，必須要人工進行逐一檢查，這在一定程度上給物流速度帶來極大影響。

3.3 智能礦井定位

（1）礦井精確定位結構

井下安全是礦井工作的重中之重，一旦出現任何問題會給礦井作業人員生命帶來嚴重威脅，因此，必須要提高礦井井下的安全性，使其有利于井下工作人員工作安全，在發生事故后，便于救援人員對井下作業人員實施應急救援。礦井井下布置有三種節點特征，如作業人員動態感知節點、大型設備節點、信息傳輸和感知匯聚節點，都是以多種感知為基礎，可為礦井井下安全提供豐富的信息數據，還有效完成了信息傳輸匯聚，將需要傳輸的信息數據通過特殊的方式傳遞給井下大型設備和工作人員。傳感技術主要是以傳感器作為基礎，來收集各方面的信息，如物理信息、生物信息、化學信息等。經過有關人員研究發現，將傳感器技術應用在物聯網當中，有以下幾方面的優勢：第一，傳感器能以數字技術為載體，將信息轉換成為數字從而傳遞出去，讓傳遞信息量大幅度減少，從而提高傳遞效率，同時還能提高信息的準確性與完整性。第二，多功能化。在信息化時代背景下，傳感器種類多樣化，并且可以根據用戶要求創新傳感器類型，確保各種功能作用能完全發揮。第三，網絡化。網絡化是通過傳感器技術和網絡技術，有效收集相關信息數據。感知層由匯聚節點、各種傳感器、感知節點等環節構成。傳感器一般負責井下數據采集工作，而感知節點負責傳輸和分析所感知的數據；井下傳感器則是由一氧化碳傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器等部分組成，在以上傳感器當中，只有視頻傳感器、人體傳感器、井下工作人員WIFI指紋與定位有一定關系。網絡層則是通過井下匯聚節點與路由器進行連接，有利于其對礦區各部分進行管理（如圖2所示）。

圖2 井下精確定位系統硬件分布圖

（2）定位算法

為了確保定位精確度，要利用多樣本特征提取技術來完成井下作業工作人員和設備的精確定位。人員的特征來源于視頻傳感器、人體傳感器、WIFI指紋的信息數據，將數據信息與井下位置三維地圖數據庫相結合，能得到實時位置變換矩陣，從而確定實時位置信息，再利用協同定位算法，能精確算出設備設施、井下作業人員三維坐標，整個過程如圖3所示。

圖3 多源多視角特征提取井下協同定位處理框圖

從傳統多源感知數據能及時取得大量具有位置特征的實時信息，可輔助設備來獲取工作人員實時位置，再結合多源特征數據庫，利用多源多視角精確協同定位算法，可以得到井下設備精確定位，從而達到實時精確定位的作用。

4 定位技術在物聯網中的發展前景

目前，我國物聯網產業經歷了技術創新、服務創新、應用創新等時期，已成長為超過萬億的大規模產業。而定位技術作為物聯網當中的重要技術，帶來巨大的社會效益和經濟效益，預計在2022年整體個人市場規模超過100億。隨著物聯網行業不斷發展，定位技術作為物聯網重要組成部分，在各個行業都發揮著極其重要的作用，并且出現不同發展趨勢。隨著定位技術不斷普及在物聯網行業內，新興應用對定位的需求已超出傳統的室外應用場景，對室內定位和不同環境的混合定位方面提出了更多更高的要求，如車輛行駛時的室外導航、室內停車場的車位引導等。在以上這些應用當中，涉及到GPS、5G定位、WiFi、RFID等定位方式。要想要完全實現這些應用場景，就要在確保成本的前提下，按照用戶身份、出發地和目的地等數據信息，構建健全的定位機制，才能做到滿足各種用戶要求。

傳統定位技術在正常情況下能實現10～100m定位精度，隨著各種新型應用的出現，經過創新后，其定位技術能完成5m～10m以內的精確定位。隨著定位精度不斷提高，將衍生出各種新型應用，甚至會給互聯網帶來較大變革。目前我國也在積極加強精確定位前沿技術研究，如天基定位技術、北斗地基增強設施等，通過地面衛星輔助定位設施可以將定位精度提升到厘米，甚至是毫米。

結論：在5G時代背景下，精準定位作為5G系統的重要環節，已逐漸普及到各個領域，如智能物流、無人駕駛、智慧工程、礦井工程等，給這些行業帶來質的蛻變。為了適應物聯網未來發展趨勢，未來定位技術要結合不同物聯網技術，有效融合各種類型的網絡和定位技術，不斷提高定位應答速度和進度，才能擴大定位技術的應用范圍。