冬奧背景下基于NB-IOT定位功能的滑雪板的研究與設計

楊 陽 路冬方 任俊昌 郝 娟

(1.河北建筑工程學院 信息工程學院，河北 張家口 075000;2.張家口市公安局網絡安全保衛支隊，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來隨著崇禮滑雪運動的興起，滑雪場事故頻出，出現北大研究生林間滑野雪發生意外事故、男童滑出護欄發生事故等多起事件.由于不能及時定位及智能報警，導致當事故發生之后，運動員不能得到及時的救援以及對事故發生的具體時間、滑雪速度、事故原因等信息無法獲知的現狀.

然而傳統定位方案難以滿足滑雪場滑雪場景的定位需求,GPS+GPRS定位方案存在成本高、終端續航能力差、定位精度受氣候影響的問題；此外，采用GPS+GPRS定位方案，也會因為路況環境(山林隧道)對衛星信號遮擋而影響到定位的精度.基于NB-IoT規范中的定位技術對滑雪設備(例如滑雪板)進行定位追蹤，是適用于雪場場景的一種定位方案，雖然NB-IoT定位精度較低，但對于雪場較寬闊的場景來說對精度的要求不是很高，而其低功耗、低成本、很強的信號穿透力、支持海量接入的優勢，是雪場場景下可選擇的一種理想定位技術.

本文將給出一種設計方案，該方案基于NB-IOT網絡進行崇禮滑雪場運動員的追蹤定位及事故報警系統進行研究及設計.以滑雪雪板為跟蹤定位的設備載體，通過獲取相關信息來監測滑雪運動員的相關信息，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通信模組來與NB-IOT基站進行通信.

1 NB-IoT定位原理

NB-IoT協議版本3GPP R14支持的定位技術包括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OTDOA技術進行介紹.

OTDOA是根據三個基站與移動終端信號傳播的時間差值進行定位的技術.基站使用協議規定的專門的窄帶物聯網定位參考信號NPRS，專門用于終端對基站位置的測量，原理是通過接入終端測量多個不同基站參考信號到達的時間差并結合基站坐標來確定終端位置，如圖1所示.其中需要至少3個基站協作完成定位，又稱作三角定位，并且基站越多，測量精度越高.

圖1 OTDOA定位原理示意圖

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

基站1和基站3到終端的時間差ΔT3可表示為：

這兩個時間差值通過NPRS參考信號可以進行測量，而基站的位置坐標數據是固定值，從而我們可以求得(x,y)，從而知道接入終端的二維坐標，進而進行追蹤定位.

2 定位精度

基于OTDOA定位技術的NB-IoT網絡，目前基于仿真給出的定位精度為50-200 m，下面將結合滑雪場這樣的定位場景對影響定位精度的主要因素進行分析.

2.1 定位參考信號(PRS)帶寬

定時精度與SINR緊密相關，3GPP要求參考小區不低于-6 dB，鄰區不低于-13 dB.進一步SINR又與帶寬成正比，相同條件下NPRS帶寬越大SINR值也越大.對于180 kHz帶寬受限的NB-IoT，增加PRS的連續子幀數(NPRS)或降低PRS的定位周期(TPRS)可以獲得目標的SINR值.

2.2 無線環境的頻域選擇性衰落

對于OTDOA的定位精度，很大程度上受到信道模型的影響，對于廣闊平原地區信號的頻域衰落或者時域色散較小，定位精度較高，對于城區等復雜環境，定位精度較低.而對于雪場定位，一般雪道遮擋物較少，時域色散較小，定位精度較理想，但是對于曲折穿梭于叢林中的雪道來說，時域色散嚴重，會降低定位精度.

2.3 基站數據庫的基站數據

OTDOA的定位精度受到定位服務器中基站數據庫(包括基站的經緯度和站高等)的影響，理想條件下要求站址偏差小于5 m，站高小于80 m.對于冬奧背景下崇禮雪場來說，雪道基本建于海拔較高的山區，海拔高度遠遠高于理想值，所以對NB-IoT定位精度會產生負面作用.

2.4 協議對窄帶定位參考信號(NPRS)的規劃

良好的NPRS規劃可以避免出現多個小區的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協議R14版本從碼域、頻域及時域為NPRS信號提供了3層隔離措施，從協議標準上為OTDOA定位提供了先天條件避免沖突和混淆.

3 基于NB-IoT雪板進行運動員定位的系統方案

隨著各大運營商NB-IoT網絡支持設備鋪設及軟件的升級已經勢不可擋，NB-IoT信號具有覆蓋范圍廣、穿透力強、NB-IoT模塊成本低等特點，并且對于便攜設備來說能耗低是其無可取代的優勢，一個NB-IoT模組的電池壽命遠遠長于滑雪板壽命.以下將從NB-IoT定位系統網絡架構圖及該技術方案功能進行詳細闡述.

3.1 NB-IoT網絡拓撲

圖2 NB-IoT終端定位系統網絡拓撲圖

如圖2所示為基于NB-IoT網絡OTDOA定位技術的網絡架構圖，該架構圖描述了以滑雪板為設備載體進行運動員定位的技術方案.該方案將滑雪板作為運動員跟蹤定位及事故報警的設備終端，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通信模組來與NB-IOT基站進行通信.在滑雪板嵌入了NB-IOT模組并通過無線網絡與基站聯網后，滑雪板即為接入到該NB-IOT網絡架構中的終端設備，從而多個基站協作采用NB-IOT R14協議中規定的OTDOA技術獲取移動中的滑雪板的定位測量值，滑雪板通過NPRS定位參考信號將定位測量結果通過S1或者M1接口傳輸到EPC核心網以及定位服務器等應用服務器群.定位服務器對接入設備產生的位置信息進行備份和維護等處理，然后將經過處理后的定位信息推送給用戶移動客戶端APP及后臺管理人員進行查看及使用，終端設備管理平臺對設備進行管理和監控，實現以雪板為載體的物聯設備運行狀態、定位數據、采集數據等的統計管理以及事故報警的及時救援.

基于3GPP R14協議版本，NB-IoT基站可與LTE基站共用，在原有的4G基站基礎上進行升級即可支持NB-IoT，同樣的，LTE EPC核心網只需要進行相應的軟件升級后就可以支持窄帶物聯網，從這個角度來看，我們基于已有的LTE設備進行NB-IoT網絡構建具有成本低、兼容性好等獨特的優勢.

3.2 系統功能

該方案基于NB-IOT網絡進行滑雪場運動員的追蹤定位及事故報警系統進行研究及設計.基站采用OTDOA定位技術獲取滑雪板定位測量值，利用定位服務器數據管理平臺可實現的功能包括：

(1)定時查詢：選定某個編號的雪板，控制設備(雪板)每隔一定時間回傳定位數據.

(2)軌跡回放：雪板的定位數據在定位服務器中保存軌跡記錄，可實現選定某一時段進行軌跡回放及查詢功能.

(3)運動員相關滑雪數據查看的功能：依據軌跡數據，該功能可以統計某時段內運動員滑雪里程數、運動時間、停留時間等，查看軌跡點的當前時間、當前速度等信息.

(4)電子圍欄：限制雪板進入或離開某特定區域，否則雪板會自動發送報警狀態信息.

(5)事故報警功能：當發生事故時，雪板具有自動報警故能，此外運動員可使用雪板的手動報警功能，以確保報警信息的發送.后臺可顯示任意設備的報警信息，在設備編號中選擇設備，選中任意一條報警信息，點擊警報定位，可以查看發生該報警時所在的位置并進行及時救援.

4 結 語

本文針對滑雪場運動員的追蹤定位和事故及時救援問題，給出一種以滑雪板為設備載體基于NB-IOT協議進行運動員定位的設計方案，該定位具有成本低、功耗低等優點，適合用于定位精度要求較低的、范圍有限的山地運動員室外定位，具有實用性及可行性.