Wi—Fi定位技術的優越性與發展前景

陳奕鋼

摘 要 自進入現代以來，人類發展出多樣化的定位技術。這些定位技術在特定的場景下有很好的應用，但也面臨很大的挑戰。例如基于衛星的GPS定位技術由于建筑物的遮攔而難以應用于室內，且存在較大誤差；基于攝像頭的目標跟蹤定位技術對光照條件與圖像處理能力有較高要求等。相比較之下，Wi-Fi定位技術則可以克服這些困難并已經發展出了多種多樣的定位方法，在生活、生產、商務、公共服務上可以產生大量便捷的應用。本文將通過比較Wi-Fi定位技術與傳統定位技術的差異來說明其適應的場景與優勢，并探討Wi-Fi定位技術的發展前景。

【關鍵詞】室內定位技術 RSSI CSI MUSIC算法

1 背景

人們從很早以前就開始利用無線電來進行對物理環境的感知，典型的應用包括探測空間中飛行器的雷達系統——通過分析無線電信號（即雷達發射的無線電波飛行器反射后回到雷達無線或飛行器自身發出的無線電波），判斷飛行器的出現、種類以及運動信息。

就室內定位環境而言，信號發射機產生的無線電波經直射、反射、散射等多條路徑傳播，在信號接收機處形成多徑疊加信號。多徑疊加信號受物理傳播空間影響，并攜帶反映環境特征的信息，這些信息就是Wi-Fi定位的基礎。

2 不同Wi-Fi定位技術原理及優缺點

2.1 環境模型

在無線局域網覆蓋的區域，佩戴在人員身上的無線信號發射裝置周期性的發出信號，分布在區域兩對角的無線局域網訪問點（AP）接收到經過多徑疊加的物理信號后，提取信號相關信息并傳遞給定位服務器。服務器根據相應的算法進行計算，得到的定位結果可是作為下一步服務的參考數據。

無線通信有三個主要物理參數分別為信號能量（Power），信號的到達角度（AoA）和信號的傳輸時間（ToF）。定位的數學模型有兩種，一種稱為幾何法，它主要利用信號的幾何參數（例如傳輸距離，傳輸角度等）結合幾何性質來進行定位；另一種稱為指紋法（fingerprinting），它是利用信號的物理參數在空間中的各個點的分布值不同，采用一種類似于指紋識別的方式來進行定位。因此，下面的討論將圍繞這三個物理參數和兩種定位方法進行。

2.2 基于信號能量和幾何法定位

接收信號強度顯示（RSSI）是接收機對于接收到的無線信號能量的一種衡量指標。如果已知發射端的發射功率和接收端的接受功率，那我們就可以通過一臺無線AP，計算出一條路徑的距離信息。這樣在我們的系統模型中，兩臺AP就可以得到兩條路徑的距離信息。又由于AP之間的距離可以預先測量，這樣通過簡單的三角計算，我們就可以定位出人在房間中的位置。它的優點在于理論模型非常簡單，且對于商用的無線網卡來說，信號的接收能量、Gt、Gr都是可以提取出來的，所以實現也簡單。它的缺點在于，多徑傳播限制了RSSI的精確度，例如在典型實驗室環境下，一臺靜止的接收機在一分鐘內接收到的 RSSI 可能出現 5dB 的波動。

2.3 基于信號能量和指紋法定位

我們可以發現對于室內中的每一個位置來說，其到AP的距離矢量組（d1， d2）是互不相同的。與此對應的是，AP對于一個位置發出的信號接收能量組（p1， p2）也不相同。因此這啟發我們：對于房間中的每一個位置點，其在接收機看來都可以由一組唯一的向量組來進行描述。這就是利用指紋法進行定位的理論基礎。

這種定位方法的優缺點也同樣非常明顯且與3.2很相似。其中一個很大的不同是，指紋法需要在定位前進行數據庫的建立，即在定位前進行位置矢量與能量矢量組的采集。這是非常耗時耗力的，而且一旦環境發生一點點變化都有可能會改變已有的通信模型，就需要對數據庫進行成本很高的更新，這是這種定位方法的一大劣勢。其定位精度最好時可以達到0.6米。

2.4 基于傳輸時間和幾何法定位

在一般實驗中所使用的無線網卡都是遵循IEEE 802.11協議的。在實際的網絡通信中，網卡收到的網絡層包（packet）含有發射端的時間信息，具體為包結構中的某一域作為時間戳。這啟發我們：如果能夠測量出信號的傳輸時間，我們就可以得到發射端到接收端的距離，這樣就可以利用3.2所述的三角法求出發射端的位置進行定位。慶幸的是，ToF（Time of Flight）也就是信號的傳輸時間，可以由接收端的接收時間減去包中含有的時間戳得到，因此使得距離變得可求。

這種定位方式的優點在于它的方法簡單，但是它的缺點同樣明顯：我們難以改動網卡的驅動程序以提取包時間戳信息，盡管這是這種定位方式所必需的。同時，接收機兩端時間上的偏差是不可避免的。再者，我們得到的ToF是粗略的ToF，它的值包括了硬件的處理時間與真正的傳輸時間，這些時間的偏差因極快的光速而在計算距離時會產生不可忽略的誤差，降低定位精度。所以實驗中很少使用這種方法進行定位。

2.5 基于到達角度和幾何法定位

對于通過一條傳輸路徑到達AP的信號來說，入射角度指的是其傳輸方向與AP天線法線的夾角。當發射端距離足夠遠時，其達到AP的無線電波可以視為一組平行波。這樣對于相鄰的天線來說，由于入射角的存在，會引入一段光程差dsinθ，由此使得相鄰的兩根天線接收到的信號產生一個固定的相位差：

Φ（θk）=e-j2π×dsin（θk）×f/c

其中d是相鄰天線的間距；θk是第K條路徑相對法線的入射角；f是信號的頻率，c是光速。在排除了網卡內部晶振的相位差之后，我們可以由空間譜分析理論中的MUSIC算法，估計出傳輸信道中的N條傳輸路徑的入射角度。

但是這N個角度信息不全是必要的，我們需要的只有由發射端直接入射到接收端的角度信息，這才是對定位有用的。

這種定位方式的優點在于相對于之前介紹的幾種定位方法來說精確很多，而且實際上很多研究機構的研究方向也是基于空間譜分析MUSIC算法的。但是它的理論很難，同時在現實環境中由于障礙物等環境因素的作用，直接到達信號往往不存在，這樣就需要對理論進行進一步完善。

3 應用場景

由于Wi-Fi定位精度較高，適用于室內，且成本低廉，它可以廣泛應用于各種領域，通過佩腕表式、貼卡式、胸牌式等多種多樣發射設備，我們可以實現Wi-Fi定位在多領域，多手段，多效果的應用。

3.1 工廠人員設備定位

通過在廠區內布設有限數量的基站，實時精確地定位員工、車輛、資產上的標簽式發射裝置位置，零延時地將人、車、物的位置信息顯示在工廠控制中心，進行安全區域管控、人員在崗監控、車輛實時軌跡監控。精確管控以精益生產、合理調度安排、提高智慧工廠管理水平。

3.2 商業智慧樓宇定位

通過在展廳內布設有限數量的基站，實時精確地定位參觀者佩戴的標簽位置，零延時地將參觀者的位置信息準確地將反映到展廳控制中心，以進行參觀者實時位置定位、停留興趣點分析、多媒體聯動等，提升展廳展會參觀者行為分析科學性，提供高科技的展廳效果體驗。

3.3 監獄監所人員定位

通過在監獄、看守所內布設有限數量基站，實時精確地定位嫌犯、干警身上佩戴的標簽位置，零延時地將兩者的位置信息準確地將反映到監控室，有效進行警情預警、人員追蹤、軌跡分析、聚眾行為預判等。

4 對Wi-Fi定位的總結與展望

通過以上分析，我們可以認識到無線感知在 Wi-Fi 信號的局限性以及人們日益增長的環境感知需求兩者之間的矛盾中尋求突破口，在低成本和高精度之間尋找平衡點，在頻率多樣性和空間多樣性的綜合利用上尋找解決方法，在移動計算和無線通信的交叉領域尋找應用機會。它相對于傳統的定位方式具有天然的優越性，多種多樣的定位實現方式又為不同環境提出了處理手段，雖然它在精度，覆蓋范圍，可靠性，成本和復雜度，可擴展性等方面仍存在不足，但隨著理論的進一步發展，計算機處理能力的進一步提升，必定會催生出各種各樣實際的、方便人們生活的無線定位產品及應用。

參考文獻

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[3]楊錚，劉云浩.Wi-Fi雷達：從RSSI到CSI[D].清華大學，2006.

[4]謝鵬程， 基于單攝像頭的運動目標跟蹤定位技術研究[D].北京信息科技大學儀器學院，2011.

作者單位

西安高新第一中學 陜西省西安市 710075