根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)暨技術(shù)研究院 (NIST) 贊助的報(bào)告顯示，美國只要中斷 24 小時(shí)的全球定位系統(tǒng) (GPS) 服務(wù)，就可能影響逾 10 億美元的經(jīng)濟(jì)活動，故業(yè)界不斷在尋找補(bǔ)充或替代方案。GPS 設(shè)備供貨商 PassTime 與蜂窩式云定位 (C-LoC) 創(chuàng)新者 Polte 合作，結(jié)合 5G LTE-M 模塊讓 PassTime 的 Encore 跟蹤器在 GPS 無法使用的地方定位車輛和資產(chǎn)，省卻大量訪問點(diǎn)或信標(biāo) (beacon) 部署麻煩，且云臺計(jì)算可維持最小功耗。有鑒于災(zāi)難現(xiàn)場 Wi-Fi 易斷網(wǎng)，3D 地理定位服務(wù)商 NextNav 通過大都市信標(biāo)系統(tǒng) (MBS) 網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備收集傳感器數(shù)據(jù)來定位。
圖1:TerraPoiNT 提供與 GPS 相同的位置、導(dǎo)航和定時(shí) (PNT) 數(shù)據(jù)，并以與 GPS 兼容的波形進(jìn)行操作，成為現(xiàn)有地理定位技術(shù)的理想補(bǔ)充
蜂窩式 MBS 補(bǔ)充 Z 軸數(shù)據(jù)，縱深可見
MBS 是電信網(wǎng)絡(luò) 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的一部分，其定義為：＂由地面發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，僅出于定位目的而廣播信號＂。當(dāng)用戶設(shè)備測量接收到的信號，可選地借助輔助數(shù)據(jù)計(jì)算其位置或?qū)y量結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器進(jìn)行排名計(jì)算。NextNav 推出名為＂TerraPoiNT＂的 MBS 地面發(fā)射器網(wǎng)絡(luò)，被戰(zhàn)略性地部署在蜂窩基站和其他建筑物上，以覆蓋整個市區(qū)的位置服務(wù)；由于 TerraPoiNT 信號距離要定位的設(shè)備更近、信號強(qiáng)度夠，可到達(dá)室內(nèi)并進(jìn)入 GPS 無法使用的人口稠密市區(qū)，現(xiàn)已部署在美國前 105 個大都市，涵蓋 90% 三層以上建筑物。
MBS 另一個優(yōu)勢是可提供高度準(zhǔn)確的垂直位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而在以多層結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域進(jìn)行 3D 地理定位。垂直 Z 軸因?yàn)槟苊枥L海拔高度和具體樓層，被喻為公安＂圣杯＂，今年美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 或?qū)⒁筮\(yùn)商在某些地區(qū)提供垂直位置信息——80% 時(shí)間內(nèi)的精確度在 ±3 公尺以內(nèi)，而被美國運(yùn)輸部 (DOT) 評為最佳定位、導(dǎo)航和授時(shí) (PNT) 解決方案的 NextNav 可在 94% 時(shí)間內(nèi)達(dá)標(biāo)，優(yōu)于預(yù)期，現(xiàn)已加入 FCC 測試，AT&T 亦正針對急救機(jī)構(gòu)測試。未來訂閱緊急救難網(wǎng)絡(luò)管理局 (FirstNet) 服務(wù)的公安機(jī)構(gòu)可月付 5 美元取得服務(wù)。
不過，欲使用 Z 軸功能，除了確認(rèn)要能接收到蜂窩信號，用戶還必須在進(jìn)入建筑物前從平坦地面上的固定位置校準(zhǔn)設(shè)備才能獲取正確垂直位置讀數(shù)，通常需時(shí) 30 秒。再者，考慮到室內(nèi)、外的連通，設(shè)備商也朝兼采多種定位技術(shù)方向前進(jìn)。Link Labs 的 AirFinder SuperTag Pro 商用跟蹤設(shè)備，即結(jié)合 GPS/GNSS、Wi-Fi 位置查詢、Cell ID、Polt 和 Link Labs 自有 AirFinder 室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)，可在室內(nèi)、外環(huán)境提供連續(xù)的資產(chǎn)可視性。該系統(tǒng)支持韌體無線升級 (FOTA)，且獲得 IP67 防護(hù)等級，現(xiàn)可于亞馬遜 (Amazon) 平臺購買評估套件。
圖2:評估套件隨附四個 AirFinder SuperTag Pro 標(biāo)簽、四個室內(nèi)電池供電定位信標(biāo)、一個 AirFinder SuperTag 安裝支架、電池和其他安裝硬件，以及免費(fèi) 90 天基于 AirFinder Web 的應(yīng)用程序試用版，包括蜂窩數(shù)據(jù)使用
LoRaWAN 走出戶外，衛(wèi)星漫游不斷線
來自每臺設(shè)備的位置數(shù)據(jù)可安全流向 AirFinder 應(yīng)用程序 (APP) 或通過可擴(kuò)展的應(yīng)用程序編程接口 (API) 直接流向客戶數(shù)據(jù)庫，以立即尋址、監(jiān)視資產(chǎn)，或分析資產(chǎn)歷史記錄、添加規(guī)則和警報(bào)、建立地理圍欄等。與此同時(shí)，LoRa 芯片供貨商升特 (Semtech) 新增支援＂時(shí)間戳＂的網(wǎng)關(guān) (Gateway) 芯片組，為每個已解調(diào)的數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確的到達(dá)時(shí)間信息；它能根據(jù)到達(dá)時(shí)間差 (TDOA) 執(zhí)行以網(wǎng)絡(luò)為中心的地理位置，無需在單個物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 節(jié)點(diǎn)增加 GNSS 定位的硬件成本和功能，亦有助于使用 LoRaWAN 協(xié)議加速開發(fā)應(yīng)用程序。
順帶一提，LoRa 聯(lián)盟已啟動＂連通歐盟＂(Connect EU) 計(jì)劃，只要使用具有連接歐盟倡議的 LoRaWAN 設(shè)備，就可在歐洲漫游。多家網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商為全球連接并通過英國營運(yùn)商的衛(wèi)星部署具有漫游能力的平臺，LoRaWAN 可在全球 27 個國家／地區(qū)漫游，也可通過 Lacuna Space在赤道軌道上的 IoT 衛(wèi)星進(jìn)行。截至 2020 年底，LoRa 聯(lián)盟在全球 160 多個國家／地區(qū)擁有活躍的公有和私有 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)；去年底更新 TS002-1.1.0 LoRaWAN 后端接口的技術(shù)規(guī)范后，漫游更加容易，且增加對漫游設(shè)備的 LoRaWAN 地理位置功能支持。
圖3：LoRaWAN 交握漫游信息流之啟動程序
資料來源：https://lora-alliance.org/wp-content/uploads/2020/11/TS002-1.1.0_LoRaWAN_Backend_Interfaces.pdf
LoRaWAN 協(xié)議另有一項(xiàng)獨(dú)特功能：指定設(shè)備可由本地網(wǎng)絡(luò)、或一個／多個訪問網(wǎng)絡(luò)的多個網(wǎng)關(guān)同時(shí)提供服務(wù)，允許多個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)充當(dāng)總管，并為設(shè)備提供統(tǒng)一的覆蓋范圍。除可通過與網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商達(dá)成的協(xié)議訪問 LoRaWAN 漫游，支持多種網(wǎng)絡(luò)互連的漫游中樞 (Hub) 使?fàn)I運(yùn)商更易取得資源或通過 Lacuna Space 衛(wèi)星漫游。公衛(wèi)亦是公安重要一環(huán)，近期 Wiley 一份學(xué)術(shù)研究提到：為遏止肺炎病毒傳播并抑制感染的復(fù)發(fā)，使 IoT 跟蹤的重要性更加突顯，藍(lán)牙低功耗 (BLE) 和超寬帶 (UWB) 是兩大主流技術(shù)。
BLE：RSSI 簡單易管理 vs. UWB：ToF＋AoA 精確安全
BLE 的工作原理是檢測兩個信標(biāo) (具有內(nèi)置警報(bào)功能的獨(dú)立 BLE 卷標(biāo)) 之相對位置；盡管 BLE 解決方案相對普及、便宜且易于管理，卻有著誤報(bào)與隱私的隱憂；相較之下，UWB 只需低能量無線電波就可確定距離和位置等具體空間參數(shù)，精度和抗噪聲干擾的能力較高。
表：為肺炎疫情而開發(fā)的 BLE 與 UWB 物聯(lián)網(wǎng)方案示例
UWB 是以飛時(shí)測距 (ToF) 取代接收信號強(qiáng)度指示 (RSSI) 估量距離，然后將其用于三邊測量計(jì)算以確定設(shè)備位置。以汽車遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入 (RKE) 攻擊為例，盡管 BLE 解鎖已有一定程度的加密，但黑客仍可通過放大信號強(qiáng)度以欺騙接收端，并利用重放攻擊解密。反觀基于 IEEE802.15.4z 的 UWB 利用 ToF 和到達(dá)角 (AoA) 精確計(jì)算車輛與鑰匙的距離，中繼攻擊會增加傳輸延遲并顯現(xiàn)收、發(fā)兩端的實(shí)際距離，傳輸時(shí)間和定位地點(diǎn)皆容易有所出入且會曝露黑客行藏，使其難以得手；還能加密時(shí)間戳，防止前導(dǎo)插入攻擊并允許更精確的距離測量。
簡言之，UWB 短脈沖更為精確、安全，可防止距離操縱攻擊。UWB 領(lǐng)先廠商恩智浦 (NXP) 認(rèn)為，UWB 可與 BLE 或近場通信 (NFC) 等其他無線個人局域網(wǎng)絡(luò) (WPAN) 技術(shù)共同協(xié)作，例如，由 BLE 負(fù)責(zé)執(zhí)行低功耗探索發(fā)現(xiàn)和喚醒，并在多個設(shè)備之間設(shè)置 UWB 連接。意即：BLE 可用于初始化，然后利用 UWB 設(shè)置安全范圍，且可將 NFC 作為備援 (參閱：《NXP：集成UWB、NFC 與SE，免持存取感知空間》http://compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2020/0410/62290.html 一文)。
圖4：UWB 可處理上下文信息，簡化決策和精確的設(shè)備管理
實(shí)時(shí)＆室內(nèi)定位，UWB 勁裝上陣
為改善精確和延遲問題，藍(lán)牙 5.1 新增＂尋向＂(direction finding) 功能，可明辨藍(lán)牙信號方向、實(shí)現(xiàn)＂厘米級＂定位，但對于定位等待時(shí)間仍未盡理想；于是，帶寬大、傳輸快、定位時(shí)間較藍(lán)牙快千倍、抵御中繼攻擊能力較強(qiáng)的 UWB 成了保持社交距離和跟蹤接觸者的絕佳方案，也更適合室內(nèi)環(huán)境 (參閱：《UWB 低功率＂厘米級＂定位，照護(hù)／驗(yàn)證隨身帶著走》http://compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2020/0410/62289.html 一文)，UWB＂立即尋址系統(tǒng)＂(RTLS) 正日漸受到最終用戶歡迎。
研調(diào)單位 Market Research Future (MRFR) 指出，COVID-19 流行期間高效傳感器及無線連接系統(tǒng)的導(dǎo)入，催生高度先進(jìn)的室內(nèi)定位及導(dǎo)航 (IPN) 系統(tǒng)的出現(xiàn)，在倉庫、大型制造設(shè)施和大型建筑物中的應(yīng)用也在不斷增加；加上基于云臺的室內(nèi) LBS 和解決方案的上升趨勢，以及它們在全球市場領(lǐng)先企業(yè)中的日益廣泛使用，許多著名的供貨商正積極通過發(fā)布新產(chǎn)品、合作和并購以擴(kuò)大其市場地位。例如，2020 年 7 月，意法半導(dǎo)體 (ST) 宣布從德國著名的機(jī)床和雷射工具供貨商 Trumpf 手中收購法國 UWB 芯片設(shè)計(jì)公司 BeSpoon 股份。
MRFR 報(bào)告斷言，UWB 市場將占據(jù) IPN 最大市場份額；而 BeSpoon 技術(shù)可在條件不利的環(huán)境中使用厘米級精度的安全實(shí)時(shí)室內(nèi)定位功能。ST 將它整合至 STM32 產(chǎn)品組合后，可讓物聯(lián)網(wǎng)、汽車和移動通信應(yīng)用的開發(fā)人員能提供安全門禁及精確的室內(nèi)外地圖等服務(wù)；除并購交易本身外，ST 還將與 TRUMPF 建立 UWB 跟蹤技術(shù)的策略合作伙伴關(guān)系。隨著技術(shù)不斷完善、長期成本趨降，以及龍頭廠商登高一呼，UWB 用武之地可望越發(fā)遼闊。
圖5：UWB 應(yīng)用可擴(kuò)及移動設(shè)備、汽車、家居、健康／健身、工業(yè)等諸多領(lǐng)域
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