楊樹(shù)樺

（上海航天技術(shù)研究院第804研究所，上海 201108）

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)后，全世界都進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，臺(tái)式電腦已經(jīng)成為過(guò)去式，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成為主流，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心就在于WiFi的使用。本文論述的主題是單WiFi室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)，該技術(shù)現(xiàn)在是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里的熱門(mén)討論話(huà)題和研究熱點(diǎn)。單WiFi室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)主要是探討不同傳播環(huán)境下WiFi在室內(nèi)定位表現(xiàn)出來(lái)的不同性能。

1 單WiFi室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)

1.1 室內(nèi)定位技術(shù)的分類(lèi)

現(xiàn)在使用的室內(nèi)定位技術(shù)主要分為兩個(gè)類(lèi)型：第一種是定位算法下的室內(nèi)定位技術(shù)，第二種是定位型號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)。目前，關(guān)于室內(nèi)定位技術(shù)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(biāo)位置而使用幾何屬性來(lái)進(jìn)行定位，常用的幾何屬性有測(cè)距、角度等。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)距會(huì)通過(guò)使用目標(biāo)設(shè)備也就是發(fā)射端和接收端兩個(gè)感應(yīng)器進(jìn)行精確定位來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種操作的具體實(shí)現(xiàn)方式是目標(biāo)設(shè)備向接收器發(fā)送一個(gè)時(shí)間信號(hào)，兩者在傳送的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間延遲，這段時(shí)間延遲就是這段距離的具體長(zhǎng)度，這就是集合屬性當(dāng)中的定位方法[1]。這種定位方法主要是測(cè)算其中精確的時(shí)間延遲，通過(guò)時(shí)間延誤計(jì)算實(shí)際定位，需要所有的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備具備同樣的時(shí)鐘，不能有任何延誤。TOF的算法的使用可以抵消其中產(chǎn)生的多種影響。就目前而言，這是簡(jiǎn)單而且精確的定位技術(shù)。

1.2 機(jī)遇測(cè)角度的定位算法

目前，除了室內(nèi)定位算法，還有一種定額算法的定位技術(shù)，這是一種利用多個(gè)天線(xiàn)信號(hào)的算法，主要是利用幾何關(guān)系的特點(diǎn)來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，這種方法僅需要兩個(gè)接收器就可以實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于定位精度而言，兩個(gè)接收器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一般情況下需要最少三個(gè)甚至多個(gè)接收器才可以實(shí)現(xiàn)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(jī)，手機(jī)定位區(qū)域內(nèi)的指紋特征；然后建模，就是建立數(shù)據(jù)庫(kù)；最后是定位。這種定位方法類(lèi)似于對(duì)比，原理是將目標(biāo)指紋和數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋對(duì)比匹配，得出最接近的指紋作為目標(biāo)位置，這種方法比上述兩種都要復(fù)雜，但是其好處是不需要配備硬件設(shè)備，大大降低了定位所需設(shè)備要求，這對(duì)于技術(shù)的推廣使用是有好處的，因?yàn)槠涑杀颈壬鲜鰞煞N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(fù)雜程度也相對(duì)較低，但也存在一定缺陷，就是建模時(shí)需要較多的準(zhǔn)備工作，而且建立的數(shù)據(jù)庫(kù)需要隨時(shí)更新，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境和設(shè)備都不是恒定不變的，只要出現(xiàn)變化，數(shù)據(jù)庫(kù)就需要進(jìn)行更新。

1.4 定位信號(hào)類(lèi)型

定位信號(hào)類(lèi)型有很多種，但是目前常用的有紅外線(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)、RFID室內(nèi)定位技術(shù)、UB室內(nèi)定位技術(shù)、WiFi室內(nèi)定位技術(shù)以及其他室內(nèi)定位技術(shù)[2]。其中，第一種紅外線(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)是其中最常使用的，但只能在室內(nèi)使用，無(wú)法穿透墻體，可以避開(kāi)室外信號(hào)的干擾，可以保證不會(huì)受到無(wú)線(xiàn)電磁波的電磁干擾，而且紅外線(xiàn)信號(hào)很容易覆蓋使用者需要它覆蓋的位置。

第二種是RFID室內(nèi)定位技術(shù)。這是一種利用改變無(wú)線(xiàn)電頻率的電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的定位，其成本較低，一般會(huì)使用于專(zhuān)業(yè)的商業(yè)化設(shè)備進(jìn)行RFID的室內(nèi)定位。

第三種就是UB。這是一種無(wú)載波的短距離通信技術(shù)，具有超強(qiáng)穿透力以及抗多徑且具備超高數(shù)據(jù)傳輸。

第四種就是本文論述的主題WiFi定位技術(shù)。這種技術(shù)也是最常見(jiàn)的，因?yàn)閃iFi網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)設(shè)備在已經(jīng)是常用的設(shè)備和技術(shù)手段了，這也是最近幾年的研究焦點(diǎn)之一。對(duì)比于其他技術(shù)的，該技術(shù)成本最低，可以被大部分人使用，但也存在局限性，因?yàn)閃iFi定位技術(shù)無(wú)法分多徑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)顆粒度，這對(duì)于定位的準(zhǔn)確度有很大影響，怎么解決這個(gè)問(wèn)題成為現(xiàn)在的主要討論話(huà)題。除了上述四種主流的定位技術(shù)，還有一些諸如藍(lán)牙、超聲波等的室內(nèi)定位技術(shù)，但是這幾種技術(shù)都受制于環(huán)境的影響。無(wú)法保證定位的準(zhǔn)確性，而且有的成本使用非常高。

2 WiFi室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)分類(lèi)

2.1 基于RSI測(cè)距的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)基于RSSI的定位可以被分為兩種：一種是測(cè)距，另一種是非測(cè)距。本文討論的是測(cè)距的定位技術(shù)，這種技術(shù)獲得接收器和發(fā)射器之間距離是通過(guò)路徑而獲得的。但是在室內(nèi)條件下，RSSI會(huì)受到多徑的影響，因此對(duì)于高精確度的室內(nèi)定位，其無(wú)法被使用的，因?yàn)槠渥罡呔_定位僅處于米的級(jí)別，這是精確度很差的一種定位。

2.2 基于CSI測(cè)距的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)

這是一種對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生影響的技術(shù)，是室內(nèi)定位技術(shù)的主流方法，可以滿(mǎn)足測(cè)距和測(cè)角度兩種室內(nèi)定位技。該技術(shù)的關(guān)鍵為路徑損耗模型當(dāng)中的粒徑損耗指數(shù)確定以及直達(dá)路徑功率的提取?，F(xiàn)在很多研究人員對(duì)其進(jìn)行研究，但是沒(méi)有辦法改變其精確度，其保留在米級(jí)別，這是因?yàn)閃iFi的帶寬限制，使這種路徑已經(jīng)是到了極限，目前為止還是沒(méi)有辦法突破這個(gè)瓶頸。

3 傳播環(huán)境的算法

現(xiàn)在由于環(huán)境的不同，所受到的影響也會(huì)有所不同，觀測(cè)時(shí)間更是不一樣，很難從中得到識(shí)別，不同的環(huán)境有不同的設(shè)備。如靜態(tài)環(huán)境下使用硬件設(shè)備噪聲，利用周?chē)h(huán)境噪聲對(duì)CPA的波動(dòng)變化影響，這是在動(dòng)態(tài)下切換對(duì)于CPA波動(dòng)影響的變化，但是這種檢測(cè)器對(duì)于靜態(tài)環(huán)境下是不能被使用的。一般來(lái)說(shuō)，傳播方式影響比較小的是紅外線(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)，無(wú)法穿透墻壁因此可以避開(kāi)室外信號(hào)對(duì)其的干擾，這就可以保證其不會(huì)受到無(wú)線(xiàn)電磁波的電磁干擾，而且紅外線(xiàn)信號(hào)很容易就可以覆蓋使用者需要覆蓋的位置，這也是歸結(jié)于它的可調(diào)節(jié)屬性。但也存在一些缺點(diǎn)，例如精確度很容易受到影響，這是因?yàn)槎鄰秸`差顯著而導(dǎo)致的，如果要保持高精確度，就需要在所有需要檢測(cè)的地方都放一個(gè)接收器，但是這會(huì)導(dǎo)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(nèi)或者室外使用的時(shí)候都會(huì)受到光線(xiàn)的影響，因此這種定位技術(shù)僅限于室內(nèi)的小范圍使用，不適合在室外使用[3]。外界環(huán)境很難對(duì)其進(jìn)行干擾。RFID室內(nèi)定位技術(shù)，利用改變無(wú)線(xiàn)電頻率的電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，這是一種成本比較低的定位技術(shù)，一般會(huì)使用于專(zhuān)業(yè)的商業(yè)化設(shè)備進(jìn)行RFID的室內(nèi)定位，這種定位技術(shù)非常精確，可以達(dá)到毫米級(jí)別，但是這種昂貴的設(shè)備被使用的次數(shù)限制，最常用的還是WiFi。雖然會(huì)存在一些缺點(diǎn)，但是這些都是可以被接受的，因?yàn)橐话愕臋z測(cè)沒(méi)有必要太多精確的定位，只需要達(dá)到WiFi這種級(jí)別的精確度就可以。

4 國(guó)內(nèi)外室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在積極對(duì)室內(nèi)分米級(jí)定位技術(shù)進(jìn)行研究探討，因?yàn)楝F(xiàn)在是網(wǎng)絡(luò)信息的時(shí)代，WiFi對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言是非常重要的。WiFi技術(shù)是起源于外國(guó)，很多WiFi室內(nèi)定位技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)國(guó)內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)的WiFi室內(nèi)技術(shù)還是學(xué)習(xí)的階段，尚未可以達(dá)到一個(gè)很高的程度，對(duì)于定位技術(shù)主要分為兩個(gè)不同的流派類(lèi)型，這兩種類(lèi)型都是基于接收信號(hào)的強(qiáng)度指示來(lái)分類(lèi)的，一種是CSI技術(shù)，另一種是AOA定位技術(shù)。最近一段時(shí)間美國(guó)斯坦福大學(xué)進(jìn)行了新的定位技術(shù)改良，在空間算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，提出一種超分辨率算法，這種算法可以讓先有的WiFi設(shè)備實(shí)現(xiàn)分米級(jí)別的定位。中國(guó)的定位技術(shù)也是在不斷進(jìn)步當(dāng)中，相信不久的將來(lái)可以和國(guó)外并駕齊驅(qū)。

5 結(jié)語(yǔ)

最近幾年，無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備被廣泛使用，其中最重要的就是WiFi信號(hào)以及WiFi設(shè)備的使用，被使用的重要原因是其可以提供一個(gè)可以接受的室內(nèi)定位，而價(jià)格是其他所有檢測(cè)設(shè)備中最低的，這也是得益于進(jìn)入新世紀(jì)后，全世界都進(jìn)入互聯(lián)的時(shí)代。