河姆渡WI-FI室內(nèi)定位方法解析 河姆渡WIFI人員定位技術(shù)

摘要：互聯(lián)移動(dòng)時(shí)代，基于位置的服務(wù)(LBS)在生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而LBS應(yīng)用的核心就是定位技術(shù)，隨著人們生產(chǎn)生活越來越多得集中在室內(nèi)，加之無線局域網(wǎng)應(yīng)用的明顯優(yōu)勢，基于Wi-Fi的人員定位技術(shù)有了越來越高的研究價(jià)值。

1. 研究背景

在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，人們可以隨時(shí)隨地的接入到互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息交互，這使得人們對(duì)于信息提供的及時(shí)性和原屬地有了更高的要求，因此，基于位置的服務(wù)(LBS，Location Based Service)被廣泛的應(yīng)用到了各類移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

目前的定位服務(wù)主要有兩種提供方法，一種是使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System)，通過全球同步衛(wèi)星提供覆蓋全球的空間定位，另一種基站定位的方法，則是使用無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過無線基站臺(tái)的坐標(biāo)進(jìn)行定位預(yù)估。

在戶外方面，GPS定位技術(shù)以及基站定位技術(shù)已經(jīng)具有全天候、高精度、自動(dòng)測量等特點(diǎn)，在軍事、交通、測繪及人們?nèi)粘Ｉ畹确矫娴玫搅藦V泛應(yīng)用，然后一旦進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，由于建筑物的阻擋，定位信號(hào)難以穿透建筑物，使得傳統(tǒng)定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中無法精確地使用，從而無法提供精準(zhǔn)的室內(nèi)LBS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，導(dǎo)致用戶無法在室內(nèi)環(huán)境下享受基于位置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所帶來的便捷與方便

所以，在人們的生產(chǎn)生活越來越多地集中在室內(nèi)的情況下，尋求一種能在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行高精度且易實(shí)現(xiàn)的定位技術(shù)，來彌補(bǔ)目前GPS及基站定位技術(shù)在室內(nèi)定位中的不足是十分必要的。

由于無線局域網(wǎng)易組網(wǎng)、易擴(kuò)展、成本低、應(yīng)用廣泛等一系列的優(yōu)勢，基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)在今后必將會(huì)有更深層次的發(fā)展。

2. 基于Wi-Fi的室內(nèi)定位方法

針對(duì)無線定位技術(shù)的研究，必須通過基于傳播過程的定位方法，基于傳播過程的定位方法有很多，常用的有基于電波傳播時(shí)間(TOA：time of arrive)、基于電波傳播時(shí)間差(TDOA：time difference of arrival)、基于到達(dá)角度的定位(AOA：arrival of angle)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI：received signal  strength indication)等

1) 基于電波傳播時(shí)間(TOA：time of arrive)

TOA方法主要測量無線信號(hào)在AP和移動(dòng)終端之間的單程傳播時(shí)間或者收發(fā)一次的來回傳播時(shí)間。前一種方法要求AP或移動(dòng)終端臺(tái)能記錄信號(hào)發(fā)出的準(zhǔn)確時(shí)間，并且接收終端也同樣對(duì)時(shí)鐘有著十分高的要求，這樣才能保證單程傳播時(shí)間的記錄；后者則不要求AP和移動(dòng)終端間的同步，是一種測量傳播時(shí)間十分常見的方法，要得到單程的時(shí)間就將測得的結(jié)果除以2即可，但是同樣對(duì)時(shí)鐘的精確度有著十分高的要求。

TOA方法對(duì)時(shí)間測量的精度的要求非常高，在定位的技術(shù)過程中，1微秒的時(shí)間測量計(jì)算誤差將會(huì)導(dǎo)致將近300m左右的定位誤差，因此要求AP和移動(dòng)終端有著非常精確的時(shí)鐘，很大程度上增加了定位的硬件成本

基于電波傳播時(shí)間方法示意圖

2) 基于電波傳播時(shí)間差(TDOA：time difference of arrival)

不同于TOA，TDOA(到達(dá)時(shí)間差)是通過檢測無線信號(hào)到達(dá)兩個(gè)AP的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來確定移動(dòng)終端的位置，顯然，這樣做的目的是降低對(duì)收發(fā)兩端時(shí)間同步的要求以及時(shí)間測量精度的要求。采用三個(gè)不同的AP就可以測到兩個(gè)TDOA值，移動(dòng)終端就位于兩個(gè)TDOA決定的雙曲線的交點(diǎn)上。如果有三個(gè)以上的AP，則可以得到多個(gè)雙曲線方程，如果傳播過程以及測量等都為理想情況，理論上這些雙曲線方程都會(huì)交于一點(diǎn)，而這點(diǎn)就是移動(dòng)終端的坐標(biāo)位置。

TDOA法要求用戶與基站之間達(dá)到實(shí)時(shí)同步，這加大了系統(tǒng)的成本，使得大范圍普及應(yīng)用較為困難。

基于電波傳播時(shí)間差方法示意圖

3) 基于到達(dá)角度的定位(AOA：arrival of angle)

在基于到達(dá)角度AOA的定位機(jī)制中，AP節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知來自待定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)角度或方向，再通過幾何法則計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。AOA定位不僅能確定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，還能同時(shí)得知未知終端的方位信息。但AOA定位方法易受外界環(huán)境影響，而且AOA需要添加額外昂貴的硬件。

AOA法利用方向性天線來判斷信號(hào)源的方向，當(dāng)接收到兩個(gè)以上已知發(fā)射端的方向角度后，就可以利用發(fā)射端和接收端的相對(duì)角度估算出待定位移動(dòng)臺(tái)的位置，此方法估測精度雖然高，但由于需要額外的天線架設(shè)，所以成本偏高，難以實(shí)際應(yīng)用。

4) 基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI：received signal strength indication)

研究測量及實(shí)驗(yàn)表明，無線信號(hào)在傳播過程存在以下規(guī)律：在AP發(fā)射功率一定的情況下，接收方接收到的信號(hào)強(qiáng)度與收發(fā)雙方的距離成一定反比關(guān)系，收發(fā)雙方距離越近，接收方收到的信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，反之則接收到的信號(hào)強(qiáng)度越弱。RSSI方法就是通過已知的電波傳播模型由移動(dòng)終端測量來自幾個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度值，利用三個(gè)或三個(gè)以上信號(hào)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化成到已知基站的距離值來對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位，一般通過3個(gè)AP就可以確定移動(dòng)終端的位置。

這一種方法相對(duì)測量時(shí)間而言是比較簡單的，它不需要對(duì)收發(fā)雙方添加額外的硬件設(shè)備，但是由于空間中對(duì)無線信號(hào)強(qiáng)度影響因素較多，定位精度不甚理想。但考慮到對(duì)硬件要求相對(duì)較低，在定位精度要求不高的情況下可以利用。

下表分析比較了幾種基于傳播過程的定位方法的特性。

各類定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)

分析比較幾種定位方法，在盡量不增加額外硬件設(shè)備的前提下，RSSI是一種更加易于推廣的定位方法。河姆渡WI-FI室內(nèi)定位方法解析 河姆渡WIFI人員定位技術(shù)