單WiFi室內分米級定位技術探討

楊樹樺

（上海航天技術研究院第804研究所，上海 201108）

0 引言

進入新世紀后，全世界都進入了互聯網時代，臺式電腦已經成為過去式，移動互聯網設備成為主流，而移動互聯網設備的核心就在于WiFi的使用。本文論述的主題是單WiFi室內分米級定位技術，該技術現在是計算機領域里的熱門討論話題和研究熱點。單WiFi室內分米級定位技術主要是探討不同傳播環境下WiFi在室內定位表現出來的不同性能。

1 單WiFi室內分米級定位技術

1.1 室內定位技術的分類

現在使用的室內定位技術主要分為兩個類型：第一種是定位算法下的室內定位技術，第二種是定位型號的室內定位技術。目前，關于室內定位技術的算法有很多種，但是主要被人們使用的是集合定位和指紋定位。集合定位：為了確定目標位置而使用幾何屬性來進行定位，常用的幾何屬性有測距、角度等。一般來說，測距會通過使用目標設備也就是發射端和接收端兩個感應器進行精確定位來實現。這種操作的具體實現方式是目標設備向接收器發送一個時間信號，兩者在傳送的過程中會產生一段時間延遲，這段時間延遲就是這段距離的具體長度，這就是集合屬性當中的定位方法[1]。這種定位方法主要是測算其中精確的時間延遲，通過時間延誤計算實際定位，需要所有的發送設備和接收設備具備同樣的時鐘，不能有任何延誤。TOF的算法的使用可以抵消其中產生的多種影響。就目前而言，這是簡單而且精確的定位技術。

1.2 機遇測角度的定位算法

目前，除了室內定位算法，還有一種定額算法的定位技術，這是一種利用多個天線信號的算法，主要是利用幾何關系的特點來對目標進行定位，這種方法僅需要兩個接收器就可以實現。但對于定位精度而言，兩個接收器是遠遠不夠的，一般情況下需要最少三個甚至多個接收器才可以實現精確定位。

1.3 指紋定位

除了上述兩種定位方法，還有，目前處于研究階段的有指紋定位，首先這種方法需要使用手機，手機定位區域內的指紋特征；然后建模，就是建立數據庫；最后是定位。這種定位方法類似于對比，原理是將目標指紋和數據庫中的指紋對比匹配，得出最接近的指紋作為目標位置，這種方法比上述兩種都要復雜，但是其好處是不需要配備硬件設備，大大降低了定位所需設備要求，這對于技術的推廣使用是有好處的，因為其成本比上述兩種都低很多，這就決定了其被廣泛使用的屬性，除了成本，使用復雜程度也相對較低，但也存在一定缺陷，就是建模時需要較多的準備工作，而且建立的數據庫需要隨時更新，因為數據庫的環境和設備都不是恒定不變的，只要出現變化，數據庫就需要進行更新。

1.4 定位信號類型

定位信號類型有很多種，但是目前常用的有紅外線室內定位技術、RFID室內定位技術、UB室內定位技術、WiFi室內定位技術以及其他室內定位技術[2]。其中，第一種紅外線室內定位技術是其中最常使用的，但只能在室內使用，無法穿透墻體，可以避開室外信號的干擾，可以保證不會受到無線電磁波的電磁干擾，而且紅外線信號很容易覆蓋使用者需要它覆蓋的位置。

第二種是RFID室內定位技術。這是一種利用改變無線電頻率的電磁場實現室內的定位，其成本較低，一般會使用于專業的商業化設備進行RFID的室內定位。

第三種就是UB。這是一種無載波的短距離通信技術，具有超強穿透力以及抗多徑且具備超高數據傳輸。

第四種就是本文論述的主題WiFi定位技術。這種技術也是最常見的，因為WiFi網絡以及移動設備在已經是常用的設備和技術手段了，這也是最近幾年的研究焦點之一。對比于其他技術的，該技術成本最低，可以被大部分人使用，但也存在局限性，因為WiFi定位技術無法分多徑，無法實現顆粒度，這對于定位的準確度有很大影響，怎么解決這個問題成為現在的主要討論話題。除了上述四種主流的定位技術，還有一些諸如藍牙、超聲波等的室內定位技術，但是這幾種技術都受制于環境的影響。無法保證定位的準確性，而且有的成本使用非常高。

2 WiFi室內分米級定位技術分類

2.1 基于RSI測距的WiFi室內定位技術

一般來說基于RSSI的定位可以被分為兩種：一種是測距，另一種是非測距。本文討論的是測距的定位技術，這種技術獲得接收器和發射器之間距離是通過路徑而獲得的。但是在室內條件下，RSSI會受到多徑的影響，因此對于高精確度的室內定位，其無法被使用的，因為其最高精確定位僅處于米的級別，這是精確度很差的一種定位。

2.2 基于CSI測距的WiFi室內定位技術

這是一種對環境變化產生影響的技術，是室內定位技術的主流方法，可以滿足測距和測角度兩種室內定位技。該技術的關鍵為路徑損耗模型當中的粒徑損耗指數確定以及直達路徑功率的提取。現在很多研究人員對其進行研究，但是沒有辦法改變其精確度，其保留在米級別，這是因為WiFi的帶寬限制，使這種路徑已經是到了極限，目前為止還是沒有辦法突破這個瓶頸。

3 傳播環境的算法

現在由于環境的不同，所受到的影響也會有所不同，觀測時間更是不一樣，很難從中得到識別，不同的環境有不同的設備。如靜態環境下使用硬件設備噪聲，利用周圍環境噪聲對CPA的波動變化影響，這是在動態下切換對于CPA波動影響的變化，但是這種檢測器對于靜態環境下是不能被使用的。一般來說，傳播方式影響比較小的是紅外線室內定位技術，無法穿透墻壁因此可以避開室外信號對其的干擾，這就可以保證其不會受到無線電磁波的電磁干擾，而且紅外線信號很容易就可以覆蓋使用者需要覆蓋的位置，這也是歸結于它的可調節屬性。但也存在一些缺點，例如精確度很容易受到影響，這是因為多徑誤差顯著而導致的，如果要保持高精確度，就需要在所有需要檢測的地方都放一個接收器，但是這會導致使用成本的增加，所以只能在距離較近的情況下用于查看，而且在室內或者室外使用的時候都會受到光線的影響，因此這種定位技術僅限于室內的小范圍使用，不適合在室外使用[3]。外界環境很難對其進行干擾。RFID室內定位技術，利用改變無線電頻率的電磁場實現室內定位，這是一種成本比較低的定位技術，一般會使用于專業的商業化設備進行RFID的室內定位，這種定位技術非常精確，可以達到毫米級別，但是這種昂貴的設備被使用的次數限制，最常用的還是WiFi。雖然會存在一些缺點，但是這些都是可以被接受的，因為一般的檢測沒有必要太多精確的定位，只需要達到WiFi這種級別的精確度就可以。

4 國內外室內分米級定位技術現狀

現在國內外都在積極對室內分米級定位技術進行研究探討，因為現在是網絡信息的時代，WiFi對于移動網絡設備而言是非常重要的。WiFi技術是起源于外國，很多WiFi室內定位技術都是從國外引進國內。目前，國內的WiFi室內技術還是學習的階段，尚未可以達到一個很高的程度，對于定位技術主要分為兩個不同的流派類型，這兩種類型都是基于接收信號的強度指示來分類的，一種是CSI技術，另一種是AOA定位技術。最近一段時間美國斯坦福大學進行了新的定位技術改良，在空間算法基礎上進行了技術改進，提出一種超分辨率算法，這種算法可以讓先有的WiFi設備實現分米級別的定位。中國的定位技術也是在不斷進步當中，相信不久的將來可以和國外并駕齊驅。

5 結語

最近幾年，無線互聯網的設備被廣泛使用，其中最重要的就是WiFi信號以及WiFi設備的使用，被使用的重要原因是其可以提供一個可以接受的室內定位，而價格是其他所有檢測設備中最低的，這也是得益于進入新世紀后，全世界都進入互聯的時代。