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藍(lán)牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計

2020-06-30 09:16:16
廣東通信技術(shù) 2020年6期
關(guān)鍵詞:無源網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙

1 引言

5G新基建下,通信運營商按下了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速鍵,保證室外覆蓋的同時逐步加大室內(nèi)覆蓋的建設(shè)。但是5G室內(nèi)覆蓋并非簡單疊加在原有4G的有源室分或無源室分系統(tǒng)之上,為克服5G高頻段信號的高衰減性、覆蓋半徑小、穿透性差等問題,亦需要對原有的室分系統(tǒng)進(jìn)行改造更新。同時,運營商利用5G室內(nèi)覆蓋改造的契機,融合藍(lán)牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng),可以拓寬室內(nèi)業(yè)務(wù)能力。

2 運營商切入室內(nèi)定位的背景

2.1 定位技術(shù)的分類

定位按照使用場景的不同劃分為室外定位和室內(nèi)定位兩大類。

目前,室外定位的主流技術(shù)主要包括基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)的衛(wèi)星定位以及基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站定位兩種,廣泛應(yīng)用于航海、航天、航空、測繪、導(dǎo)航、自然災(zāi)害預(yù)防等各個領(lǐng)域。

然而,當(dāng)進(jìn)入到室內(nèi),受到建筑物對定位信號的遮擋,室外定位技術(shù)無法滿足室內(nèi)定位服務(wù)的需求。隨著基于移動通信網(wǎng)的定位技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合多種室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò),有效地為室內(nèi)高精度定位和室內(nèi)外無縫定位的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐,填補了室內(nèi)定位的空白,滿足了室內(nèi)定位服務(wù)所帶來的巨大的應(yīng)用。室內(nèi)定位技術(shù)的原理分析及精度成本比較如表1所示。

表1 室內(nèi)定位原理、定位精度與成本對比表

2.2 室內(nèi)定位應(yīng)用場景豐富,逐漸成為剛需

隨著定位在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用,設(shè)備及人員定位在公共安全、智能物流、智慧養(yǎng)老、商城導(dǎo)航等領(lǐng)域中作為重點的功能亦得到了大力推廣,創(chuàng)造出極大的商業(yè)價值也大大提高了人民的生活質(zhì)量。室內(nèi)定位在各行各業(yè)的適用場景分析如表2所示。

表2 室內(nèi)定位的適用場景分析表

2.3 運營商越來越看重室內(nèi)定位,藍(lán)牙定位是室內(nèi)定位與室分系統(tǒng)結(jié)合優(yōu)選技術(shù)

定位能力的發(fā)展離不開通信技術(shù)的更新?lián)Q代,1G、2G僅是推動了語音和短信的普及,也可以進(jìn)行低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),以全球定位系統(tǒng)(GPS,Global Positioning System)為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到了普及,滿足了室外定位的精度;到3G時代,智能手機開始出現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù),通過基站蜂窩定位技術(shù)實現(xiàn)了低成本的室外定位,同時以WiFi定位、藍(lán)牙定位、ZigBee定位、計算機視覺技術(shù)等為代表的室內(nèi)定位的各種技術(shù)開始涌現(xiàn);到2010年,4G時代的到來開始了高速移動互聯(lián)網(wǎng)和寬帶物聯(lián)網(wǎng)的時代,4G網(wǎng)絡(luò)下用戶能夠進(jìn)行在線視頻觀看、高清視頻回傳等,也帶動了定位技術(shù)向高精度方向的發(fā)展。4G改變生活,5G改變社會,5G不僅對當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了補充,還將對室內(nèi)定位發(fā)展起到極大的推動作用。

對比現(xiàn)在室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本,通信基站成本最高,達(dá)到千元級別,WiFi設(shè)備成本為百元級別,藍(lán)牙設(shè)備成本為十元級別。在設(shè)備成本方面,藍(lán)牙定位技術(shù)具有明顯的設(shè)備成本優(yōu)勢。另外,藍(lán)牙定位在定位精度、定位算法的復(fù)雜度、無線安全性等方面與其它定位技術(shù)相差無異,因此滿足單純的室內(nèi)定位、導(dǎo)航功能,可以優(yōu)先選擇藍(lán)牙定位方案。另外,運營商在室內(nèi)部署無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要滿足室內(nèi)的通信需求,并未擴充到如定位等其它能力上,但如果將藍(lán)牙定位與無線通信室分系統(tǒng)的結(jié)合起來,對解決藍(lán)牙信號回傳、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)供電、藍(lán)牙探針布線等棘手問題起到極大的幫助。

3 藍(lán)牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示,圖中描述了一套藍(lán)牙定位系統(tǒng)的構(gòu)成,主要由:藍(lán)牙定位平臺、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙探針以及需要定位的藍(lán)牙終端。

圖1 藍(lán)牙定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組網(wǎng)

藍(lán)牙定位平臺包括藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊、定位能力引擎、定位業(yè)務(wù)呈現(xiàn)模塊、藍(lán)牙設(shè)備管理模塊等,可以部署在云平臺也可以按需單獨部署。

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)是一個匯聚藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至藍(lán)牙定位平臺的網(wǎng)關(guān),部署在建筑物里,回傳網(wǎng)絡(luò)可以基于建筑物內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)也可以插上4G通信模塊。

藍(lán)牙探針既是藍(lán)牙的“廣播者”也是藍(lán)牙的“掃描器”。當(dāng)作為廣播者時,藍(lán)牙探針廣播通用唯一識別碼(UUID,Universally Unique Identifier)、Major、Minor等參數(shù),需定位的終端接收到廣播信號后,可通過本地計算或回傳給平臺計算,得出所處的位置。當(dāng)作為掃描器時,藍(lán)牙探針掃描周圍的藍(lán)牙終端(手機或帶藍(lán)牙發(fā)射的設(shè)備)廣播自身的MAC、UUID、信號強度等參數(shù),通過回傳給平臺計算出藍(lán)牙終端的位置。

3.2 藍(lán)牙室內(nèi)定位結(jié)合無線通信室分系統(tǒng)的設(shè)計方案

目前運營商室內(nèi)無線通信室分系統(tǒng)主要分為兩大類:以分布式皮站為代表的有源室分系統(tǒng)和以室內(nèi)無源分布式天線系統(tǒng)(DAS,Distributed Antenna System)為代表的無源室分系統(tǒng)。其中,室內(nèi)無源DAS由遠(yuǎn)端射頻模塊(RRU,Remote Radio Unit)和無源室分天線組成,由于無源室分天線無法進(jìn)行獨立區(qū)分RSSI,因此無源DAS不具備室內(nèi)定位能力。分布式皮基站平均站間距為30~40米,定位精度大于10米,無法滿足室內(nèi)定位需求,如果要實現(xiàn)5~7米室內(nèi)定位精度,皮基站間距需要縮小至20米。通過在室分系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合藍(lán)牙室內(nèi)定位的信標(biāo),可以將定位精度提高到3~5米,大大降低了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.2.1 藍(lán)牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)

在分布式皮基站上集成藍(lán)牙探針,通過藍(lán)牙探針探測周邊的藍(lán)牙信號。分布式皮基站匯聚藍(lán)牙數(shù)據(jù)后通過室內(nèi)分布系統(tǒng)回傳到藍(lán)牙定位平臺。同時在分布式皮基站上增加擴展口,以串口連線方式拖帶多個藍(lán)牙探針,增加藍(lán)牙探針的密度,提升藍(lán)牙探測的精度。如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)在每層樓的平面視圖,如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙室內(nèi)定位共有源室分系統(tǒng)的平面視圖

3.2.2 藍(lán)牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)

室內(nèi)無源DAS中,將藍(lán)牙探針與無源室分天線融合,藍(lán)牙探針通過天線陣子發(fā)送藍(lán)牙廣播信號,同時掃描接收其它終端的藍(lán)牙廣播信號。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與RRU相連,提供藍(lán)牙數(shù)據(jù)的上傳、監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互等連接功能,同時將藍(lán)牙信號射頻通過合路器合入到室分系統(tǒng)中,通過室分系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將藍(lán)牙射頻信號傳送到藍(lán)牙探針處。如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)在每棟樓的平面剖視圖,如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙室內(nèi)定位共無源室分系統(tǒng)的平面視圖

3.3 藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的硬件功能實現(xiàn)要求

梳理上述的藍(lán)牙室內(nèi)定位共室分系統(tǒng)的設(shè)計方案,提出了兩種藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的設(shè)計,一種是將藍(lán)牙探針與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)集成到分布式皮基站,另一種是藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)外置于分布式皮基站。

3.3.1 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化

如圖6所示,圖中是藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化的硬件設(shè)計示意,包含以下功能需求點。

(1)具備藍(lán)牙探針,可以探測周邊的藍(lán)牙信號;

(2)具備擴展口,通過串口連線拖帶藍(lán)牙探針,串口連線還需給藍(lán)牙探針供電;

(3)具備存儲功能,將探測到的信號情況保存下來,等待一個發(fā)送周期將其發(fā)送到室內(nèi)定位平臺;

(4)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能,確保信號情況能夠完整上傳到平臺;

圖6 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與分布式皮基站一體化形態(tài)功能架構(gòu)圖

(5)具備監(jiān)控功能,監(jiān)控主控中央處理器(CPU,Central Processing Unit)的工作情況、存儲空間、藍(lán)牙探測模塊工作情況、電壓、與平臺的連接情況等;

(6)具備無線射頻信號合成與分離模塊,將藍(lán)牙無線射頻信號合成到4G/5G射頻信號去,通過天線口送至天線頭端;

(7)具備與4G/5G上連通道合路功能;

(8)分布式皮基站其它功能。

3.3.2 外置式藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)

如圖7所示,圖中是外置式藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計示意,主要的功能點剝離了分布式皮基站本身功能,僅通過網(wǎng)線或串口方式與基站進(jìn)行連接,包括的功能點示意如下。

(1)具備存儲功能,將探測到的信號情況保存下來,等待一個發(fā)送周期將其發(fā)送到室內(nèi)定位平臺;

(2)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能,確保信號情況能夠完整上傳到平臺;

(3)具備監(jiān)控功能,監(jiān)控主控CPU的工作情況、存儲空間、藍(lán)牙探測模塊工作情況、電壓、與平臺的連接情況等;

(4)具備無線射頻信號合成與分離模塊,將藍(lán)牙無線射頻信號合成到4G/5G射頻信號去,通過天線口送至天線頭端,并且接收傳送回來的藍(lán)牙數(shù)據(jù)。

(5)具備與RRU連接的網(wǎng)絡(luò)接口,通過RRU的有源以太網(wǎng)(POE,Power Over Ethernet)供電提供網(wǎng)關(guān)的電源,提供藍(lán)牙數(shù)據(jù)的上傳、監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互等連接功能。

圖7 外置式藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)功能架構(gòu)圖

4 結(jié)語

相對于2G、3G和4G的以語音和數(shù)據(jù)為主,5G時代的業(yè)務(wù)種類更加多元化,室內(nèi)定位可以滿足多種室內(nèi)場景下業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求,是無線通信室分系統(tǒng)向垂直業(yè)務(wù)拓展的重要能力。運營商在升級部署5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的同時,給基于此網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位提供了部署可能,達(dá)到一網(wǎng)多用的建設(shè)目標(biāo),破解在4G階段的室內(nèi)定位技術(shù)普遍存在的成本高、業(yè)務(wù)無法提供能力開放等問題,支撐運營商拓展全新的數(shù)字化業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

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