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图1-1 借助智能手机的全球导航卫星系统不再迷路
十几年前，我们去到陌生的城市，第一件事就是要购买纸质地图，否则寸步难行。如今，借助智能手机的全球导航卫星系统（GNSS），就可以走遍城市的各个角落，再也不用担心迷路了。这种定位方式通常很准确，但也有失算的时候。例如处于隧道、室内等地，代表我们所在位置的小蓝点有时会出现在距离实际位置很远的地方，这很大程度上是由于卫星信号弱所致，或是多径传播和天空视野被遮挡等原因。荷兰代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹自由大学和荷兰国家计量所的研究人员开发了替代定位系统——地面网络定位系统（TNPS）。该系统独立于GNSS，利用现有电信基础设施为城市地区、隧道和室内提供分米级定位服务。这项新技术对于未来实施基于位置的应用（如建设智慧城市）至关重要。相关研究于2022年11月16日发表在国际顶级学术期刊《自然》（ Nature ），论文题目是《一种用于分米级地面定位的混合光学—无线网络》（ A hybrid optical-wireless network for decimetre-level terrestrial positioning ）。
人们已习惯使用智能手机导航，手机地图上的位置信息源自GNSS。GNSS是指能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。GNSS国际委员会公布的全球四大卫星导航系统供应商分别是，美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统（GLONASS）、欧盟的伽利略导航卫星系统（GALILEO）和中国的北斗导航卫星系统（BDS）。其中，GPS是世界第一个建立并用于导航定位的全球系统，GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者正处于现代化的更新进程中；GALILEO是第一个完全民用的卫星导航系统，正在试验阶段；BDS是中国自主建设运行的GNSS，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。
GNSS在城市地区存在难以克服的局限性：有限的无线电带宽（约20兆赫）意味着多径传播会造成米级定位误差。多径传播是指从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或多个路径到达接收机天线的传播现象，接收机天线接收到的信号是多个波的合成。多径传播会造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误，城市地区密集的建筑物最容易反射、干扰定位信号，发生多径传播现象。此外，在封闭场所还易引起卫星信号阻塞、中断，从而影响定位。更严重的是，GNSS还可能遇到人为故意中断的情况。GNSS不仅可用于导航定位，还可用来授时，误差最多为几纳秒。然而，新兴技术（如量子通信）要求（量子）网络节点亚纳秒的时间同步。此外，即使GNSS的误差可以减少1—2个数量级，也存在无线电信号未加密和强度较弱的缺点，这可能被干扰甚至伪造，以传递虚假的时间和位置信息。基于上述不足，以及缺乏相关备份系统，政府和相关网络运营商开始研究可能的替代定位系统。
图1-2 混合的光学-无线定位系统
荷兰代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹自由大学和荷兰国家计量所的研究人员开发了基于混合光学-无线通信基础设施的TNPS。该系统独立于GNSS运行，将光纤基础设施与地面发射机相结合，使接收机接收到的信号功率比接收到的GNSS信号功率高100万倍，从而消除了许多与GNSS相关的风险。该系统使用正交频分复用（OFDM）电信技术，利用频谱有效的虚拟宽带信号。这种大的带宽意味着系统可以识别出信号在每个基站和接收机之间被反射的路径，减轻了多径传播的有害影响。基站以3.96 KHz的载波频率和160 KHz的带宽传输复用信号。确保基站时间同步是所有问题中最具挑战性的部分，需要通过光纤把基站连接起来，并用定制的定时协议来解决。
研究表明，将载波的相位信息（信号在任何给定时间内完成的周期数）与接收机中的振荡器的相位进行比较，系统可以定位接收机的位置，定位精度小于一个信号波长，如3.96 KHz的波长约是7.6 cm。该系统的关键优势是兼容现有的4G 和5G 电信网络，使用相同类型的多路复用信号。该系统采用高频信号意味着高精度定位，此外，高频信号的波长较短，意味着一定区域可以容纳更多的接收机。例如，140 KHz信号在同一区域允许容纳的接收机数量是28 KHz信号的25倍。有这么多的接收机，可以测量信号的球形波前的曲率，也可以提供有价值的位置信息。
图1-3 智慧城市
光学—无线混合系统的分米级定位系统利用现有的电信基础设施就可以实现，通过采用某些新兴的通信技术，该系统还可以进一步改进。例如，将多个发射机与毫米波长的信号相结合，可以估计信号到达和离开接收机的角度，以及信号在接收机和基站之间传输的时间差。有了这些信息，即使存在基站少和缺乏时间同步等不足，也能保持高精度定位，这是导航系统的理想情况。电信网络的下一步将是引入“智能超表面”（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS），这是一种具有实时可编程电磁特性的人工电磁表面结构，该结构可以通过编程，低功耗和低成本地控制无线信号的传播方向。
以上技术将改进现有定位系统，有望应用于未来的“触觉互联网”（TI）网络。基于准确定位，TI通过以触觉捕捉、触觉信息编码、传递和触觉重现为主的传输路径，对物体或对象进行远程控制、诊断和服务，实现毫秒级响应的触觉交互。TI衍生出“智慧城市”。在智慧城市中，无人机可以准确地递送快递包裹，汽车全部自动驾驶，人随时随地进行数字支付，入户空调就会自动打开等。该研究让实现智慧城市更近了一步。