楊 陽(yáng) 路冬方 任俊昌 郝 娟

(1.河北建筑工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.張家口市公安局網(wǎng)絡(luò)安全保衛(wèi)支隊(duì)，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來(lái)隨著崇禮滑雪運(yùn)動(dòng)的興起，滑雪場(chǎng)事故頻出，出現(xiàn)北大研究生林間滑野雪發(fā)生意外事故、男童滑出護(hù)欄發(fā)生事故等多起事件.由于不能及時(shí)定位及智能報(bào)警，導(dǎo)致當(dāng)事故發(fā)生之后，運(yùn)動(dòng)員不能得到及時(shí)的救援以及對(duì)事故發(fā)生的具體時(shí)間、滑雪速度、事故原因等信息無(wú)法獲知的現(xiàn)狀.

然而傳統(tǒng)定位方案難以滿足滑雪場(chǎng)滑雪場(chǎng)景的定位需求,GPS+GPRS定位方案存在成本高、終端續(xù)航能力差、定位精度受氣候影響的問(wèn)題；此外，采用GPS+GPRS定位方案，也會(huì)因?yàn)槁窙r環(huán)境(山林隧道)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)遮擋而影響到定位的精度.基于NB-IoT規(guī)范中的定位技術(shù)對(duì)滑雪設(shè)備(例如滑雪板)進(jìn)行定位追蹤，是適用于雪場(chǎng)場(chǎng)景的一種定位方案，雖然NB-IoT定位精度較低，但對(duì)于雪場(chǎng)較寬闊的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)對(duì)精度的要求不是很高，而其低功耗、低成本、很強(qiáng)的信號(hào)穿透力、支持海量接入的優(yōu)勢(shì)，是雪場(chǎng)場(chǎng)景下可選擇的一種理想定位技術(shù).

本文將給出一種設(shè)計(jì)方案，該方案基于NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行崇禮滑雪場(chǎng)運(yùn)動(dòng)員的追蹤定位及事故報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究及設(shè)計(jì).以滑雪雪板為跟蹤定位的設(shè)備載體，通過(guò)獲取相關(guān)信息來(lái)監(jiān)測(cè)滑雪運(yùn)動(dòng)員的相關(guān)信息，在雪板上嵌入紅外傳感器、速度傳感器、碰撞傳感器以及NB-IOT通信模組來(lái)與NB-IOT基站進(jìn)行通信.

1 NB-IoT定位原理

NB-IoT協(xié)議版本3GPP R14支持的定位技術(shù)包括TA(Timing Advance)+AOA(Angle of Arrival)和OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)，二者相比，OTDOA定位方式的精度更高，下面將著重對(duì)OTDOA技術(shù)進(jìn)行介紹.

OTDOA是根據(jù)三個(gè)基站與移動(dòng)終端信號(hào)傳播的時(shí)間差值進(jìn)行定位的技術(shù).基站使用協(xié)議規(guī)定的專門的窄帶物聯(lián)網(wǎng)定位參考信號(hào)NPRS，專門用于終端對(duì)基站位置的測(cè)量，原理是通過(guò)接入終端測(cè)量多個(gè)不同基站參考信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差并結(jié)合基站坐標(biāo)來(lái)確定終端位置，如圖1所示.其中需要至少3個(gè)基站協(xié)作完成定位，又稱作三角定位，并且基站越多，測(cè)量精度越高.

圖1 OTDOA定位原理示意圖

圖1中假設(shè)接入終端和三個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(x,y)(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3).則基站1和基站2到終端的時(shí)間差ΔT2可表示為：

基站1和基站3到終端的時(shí)間差ΔT3可表示為：

這兩個(gè)時(shí)間差值通過(guò)NPRS參考信號(hào)可以進(jìn)行測(cè)量，而基站的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)是固定值，從而我們可以求得(x,y)，從而知道接入終端的二維坐標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行追蹤定位.

2 定位精度

基于OTDOA定位技術(shù)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，目前基于仿真給出的定位精度為50-200 m，下面將結(jié)合滑雪場(chǎng)這樣的定位場(chǎng)景對(duì)影響定位精度的主要因素進(jìn)行分析.

2.1 定位參考信號(hào)(PRS)帶寬

定時(shí)精度與SINR緊密相關(guān)，3GPP要求參考小區(qū)不低于-6 dB，鄰區(qū)不低于-13 dB.進(jìn)一步SINR又與帶寬成正比，相同條件下NPRS帶寬越大SINR值也越大.對(duì)于180 kHz帶寬受限的NB-IoT，增加PRS的連續(xù)子幀數(shù)(NPRS)或降低PRS的定位周期(TPRS)可以獲得目標(biāo)的SINR值.

2.2 無(wú)線環(huán)境的頻域選擇性衰落

對(duì)于OTDOA的定位精度，很大程度上受到信道模型的影響，對(duì)于廣闊平原地區(qū)信號(hào)的頻域衰落或者時(shí)域色散較小，定位精度較高，對(duì)于城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境，定位精度較低.而對(duì)于雪場(chǎng)定位，一般雪道遮擋物較少，時(shí)域色散較小，定位精度較理想，但是對(duì)于曲折穿梭于叢林中的雪道來(lái)說(shuō)，時(shí)域色散嚴(yán)重，會(huì)降低定位精度.

2.3 基站數(shù)據(jù)庫(kù)的基站數(shù)據(jù)

OTDOA的定位精度受到定位服務(wù)器中基站數(shù)據(jù)庫(kù)(包括基站的經(jīng)緯度和站高等)的影響，理想條件下要求站址偏差小于5 m，站高小于80 m.對(duì)于冬奧背景下崇禮雪場(chǎng)來(lái)說(shuō)，雪道基本建于海拔較高的山區(qū)，海拔高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想值，所以對(duì)NB-IoT定位精度會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用.

2.4 協(xié)議對(duì)窄帶定位參考信號(hào)(NPRS)的規(guī)劃

良好的NPRS規(guī)劃可以避免出現(xiàn)多個(gè)小區(qū)的NPRS之間的沖突以及混淆，NPRS隔離度很重要的影響著OTDOA的定位精度.3GPP協(xié)議R14版本從碼域、頻域及時(shí)域?yàn)镹PRS信號(hào)提供了3層隔離措施，從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)上為OTDOA定位提供了先天條件避免沖突和混淆.

3 基于NB-IoT雪板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員定位的系統(tǒng)方案

隨著各大運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)支持設(shè)備鋪設(shè)及軟件的升級(jí)已經(jīng)勢(shì)不可擋，NB-IoT信號(hào)具有覆蓋范圍廣、穿透力強(qiáng)、NB-IoT模塊成本低等特點(diǎn)，并且對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)能耗低是其無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì)，一個(gè)NB-IoT模組的電池壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于滑雪板壽命.以下將從NB-IoT定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖及該技術(shù)方案功能進(jìn)行詳細(xì)闡述.

3.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

圖2 NB-IoT終端定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖2所示為基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)OTDOA定位技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，該架構(gòu)圖描述了以滑雪板為設(shè)備載體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員定位的技術(shù)方案.該方案將滑雪板作為運(yùn)動(dòng)員跟蹤定位及事故報(bào)警的設(shè)備終端，在滑雪板上嵌入紅外傳感器、速度傳感器、碰撞傳感器以及NB-IOT通信模組來(lái)與NB-IOT基站進(jìn)行通信.在滑雪板嵌入了NB-IOT模組并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與基站聯(lián)網(wǎng)后，滑雪板即為接入到該NB-IOT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的終端設(shè)備，從而多個(gè)基站協(xié)作采用NB-IOT R14協(xié)議中規(guī)定的OTDOA技術(shù)獲取移動(dòng)中的滑雪板的定位測(cè)量值，滑雪板通過(guò)NPRS定位參考信號(hào)將定位測(cè)量結(jié)果通過(guò)S1或者M(jìn)1接口傳輸?shù)紼PC核心網(wǎng)以及定位服務(wù)器等應(yīng)用服務(wù)器群.定位服務(wù)器對(duì)接入設(shè)備產(chǎn)生的位置信息進(jìn)行備份和維護(hù)等處理，然后將經(jīng)過(guò)處理后的定位信息推送給用戶移動(dòng)客戶端APP及后臺(tái)管理人員進(jìn)行查看及使用，終端設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)以雪板為載體的物聯(lián)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、定位數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)等的統(tǒng)計(jì)管理以及事故報(bào)警的及時(shí)救援.

基于3GPP R14協(xié)議版本，NB-IoT基站可與LTE基站共用，在原有的4G基站基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)即可支持NB-IoT，同樣的，LTE EPC核心網(wǎng)只需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級(jí)后就可以支持窄帶物聯(lián)網(wǎng)，從這個(gè)角度來(lái)看，我們基于已有的LTE設(shè)備進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有成本低、兼容性好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

3.2 系統(tǒng)功能

該方案基于NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行滑雪場(chǎng)運(yùn)動(dòng)員的追蹤定位及事故報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究及設(shè)計(jì).基站采用OTDOA定位技術(shù)獲取滑雪板定位測(cè)量值，利用定位服務(wù)器數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

(1)定時(shí)查詢：選定某個(gè)編號(hào)的雪板，控制設(shè)備(雪板)每隔一定時(shí)間回傳定位數(shù)據(jù).

(2)軌跡回放：雪板的定位數(shù)據(jù)在定位服務(wù)器中保存軌跡記錄，可實(shí)現(xiàn)選定某一時(shí)段進(jìn)行軌跡回放及查詢功能.

(3)運(yùn)動(dòng)員相關(guān)滑雪數(shù)據(jù)查看的功能：依據(jù)軌跡數(shù)據(jù)，該功能可以統(tǒng)計(jì)某時(shí)段內(nèi)運(yùn)動(dòng)員滑雪里程數(shù)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、停留時(shí)間等，查看軌跡點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前速度等信息.

(4)電子圍欄：限制雪板進(jìn)入或離開(kāi)某特定區(qū)域，否則雪板會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警狀態(tài)信息.

(5)事故報(bào)警功能：當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，雪板具有自動(dòng)報(bào)警故能，此外運(yùn)動(dòng)員可使用雪板的手動(dòng)報(bào)警功能，以確保報(bào)警信息的發(fā)送.后臺(tái)可顯示任意設(shè)備的報(bào)警信息，在設(shè)備編號(hào)中選擇設(shè)備，選中任意一條報(bào)警信息，點(diǎn)擊警報(bào)定位，可以查看發(fā)生該報(bào)警時(shí)所在的位置并進(jìn)行及時(shí)救援.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)滑雪場(chǎng)運(yùn)動(dòng)員的追蹤定位和事故及時(shí)救援問(wèn)題，給出一種以滑雪板為設(shè)備載體基于NB-IOT協(xié)議進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員定位的設(shè)計(jì)方案，該定位具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合用于定位精度要求較低的、范圍有限的山地運(yùn)動(dòng)員室外定位，具有實(shí)用性及可行性.