室內(nèi)LED 可見光定位若干關(guān)鍵技術(shù)的比較研究

趙嘉琦，遲 楠

(復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系;電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433)

0 引言

隨著智能通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與發(fā)展，基于位置識(shí)別的服務(wù)(Location Based Services，LBS)正受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)LBS 的關(guān)鍵。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)作為目前最為常用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但由于多徑衰落的影響、其他無(wú)線設(shè)備的干擾以及建筑物的阻擋，GPS在室內(nèi)的信號(hào)覆蓋度差，可靠性低，定位效果并不理想。為解決定位導(dǎo)航“最后一公里”的問題，各研究機(jī)構(gòu)在室內(nèi)定位技術(shù)方面開展了大量的研究，涌現(xiàn)了很多新的技術(shù)，如基于紅外線、超聲波、藍(lán)牙、超寬帶、射頻識(shí)別、WiFi、可見光通信等的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)，有效填補(bǔ)了LBS 在室內(nèi)定位這一塊的空白。其中基于LED 可見光通信的定位技術(shù)是近年來(lái)新興的一種定位技術(shù)，具有極大的發(fā)展前景，文章后半部分將對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)主要分為兩大類，廣域室內(nèi)定位和局域室內(nèi)定位。廣域室內(nèi)定位是承載到廣域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，局域室內(nèi)定位技術(shù)是承載到局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域覆蓋。廣域室內(nèi)定位技術(shù)需要改造基站及手機(jī)芯片等設(shè)備模塊，成本高，周期長(zhǎng);局域室內(nèi)定位技術(shù)成本較低，周期短，是目前商業(yè)化推廣運(yùn)作較好的選擇方案，因此文章將主要討論局域室內(nèi)定位技術(shù)。

圖1 室內(nèi)定位流程圖

通常，局域室內(nèi)定位技術(shù)的流程是，先將環(huán)境的特征信息加載到所要發(fā)射的信號(hào)上，如紅外線、超聲波、藍(lán)牙等，然后由相應(yīng)的傳感器感知信號(hào)的強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間等信息，再根據(jù)相應(yīng)的定位算法計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的確定位置，定位流程如圖1 所示。

1.1 紅外線定位技術(shù)

紅外線是波長(zhǎng)在770 nm～1 mm 之間的電磁波。紅外線室內(nèi)定位的原理是，紅外線發(fā)射器發(fā)射周期性帶有唯一身份ID 的紅外信號(hào)，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器進(jìn)行接收，然后再通過有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心實(shí)現(xiàn)定位。

較為經(jīng)典的紅外線定位系統(tǒng)是由AT＆T 劍橋?qū)嶒?yàn)室開發(fā)的Active Badge 定位系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，待定位目標(biāo)上裝有紅外發(fā)射器，作為移動(dòng)站，周期性發(fā)射唯一身份標(biāo)志ID。同時(shí)，在室內(nèi)布置大量的紅外接收器作為基站，基站通過有線方式連接到控制中心，當(dāng)移動(dòng)站進(jìn)入相應(yīng)定位區(qū)域并且被該區(qū)域基站識(shí)別后，控制中心就可以確定目標(biāo)當(dāng)前的位置。

近年來(lái)，涌現(xiàn)了一些改進(jìn)的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)，比如:使用多對(duì)紅外發(fā)射器和紅外接收器交叉組成的探測(cè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋待測(cè)空間，采用基于最小二乘法原理的極小化誤差法增加探測(cè)距離，提高定位精度。

雖然紅外線具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度，但由于直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點(diǎn)使其室內(nèi)定位的應(yīng)用受到很大限制。此外，紅外線容易被室內(nèi)其他光源干擾，影響定位精度。

1.2 超聲波定位技術(shù)

超聲波室內(nèi)定位原理是，在被定位端加裝超聲波發(fā)射器(接收器)，置于裝有若干超聲波接收器(發(fā)射器)的環(huán)境中，通過測(cè)量超聲波從發(fā)射器到接收器的時(shí)間從而計(jì)算距離。為了減小信號(hào)的同步要求，通常移動(dòng)端攜帶發(fā)射器，參考點(diǎn)攜帶接收器，采用三邊定位法計(jì)算出移動(dòng)端當(dāng)前的位置。

超聲波定位通常會(huì)結(jié)合其他的方式比如射頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。目前主要基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng):AT＆T 實(shí)驗(yàn)室的Active Bat 系統(tǒng)及麻省理工學(xué)院的Cricket 系統(tǒng)就是超聲定位與射頻結(jié)合的例子。由于射頻信號(hào)傳輸速率遠(yuǎn)高于超聲波，因此可以利用射頻信號(hào)預(yù)先激活電子標(biāo)簽，開始接收超聲波信號(hào)，再利用TDOA 的方法測(cè)距，進(jìn)行位置估算。有研究引入了節(jié)能機(jī)制，改進(jìn)Cricket 室內(nèi)定位系統(tǒng)的信道分配策略，當(dāng)信標(biāo)與發(fā)射機(jī)的距離范圍為0～6 m 時(shí)，誤差在1.2 cm 左右。

超聲波的傳輸速度遠(yuǎn)小于電磁波，且不受可視距離限制，能夠在介質(zhì)中遠(yuǎn)距離傳播，因此定位精度較高，可達(dá)厘米級(jí)。目前超聲波測(cè)距在工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，但在定位系統(tǒng)中通常需要其他技術(shù)如無(wú)線電輔助定位，導(dǎo)致硬件設(shè)施成本增加。

1.3 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗的無(wú)線傳輸技術(shù)?；谒{(lán)牙的定位系統(tǒng)通常采用兩種測(cè)量算法:基于傳播時(shí)間的測(cè)量方法和基于信號(hào)衰減的測(cè)量方法。對(duì)于前者，由于室內(nèi)環(huán)境多變，存在多徑效應(yīng)，為減小誤差必須采用納秒級(jí)的同步時(shí)鐘，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于后者有兩種思路:一是完全根據(jù)理論公式進(jìn)行計(jì)算，但由于實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)的衰減受多種因素影響，依靠理想模型公式定位效果較差;二是利用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行定位，定位之前預(yù)先測(cè)定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)多個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用接收強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)度分布匹配完成定位。

Nokia 在2011年v提出HAIP(High Accuracy Indoor Positioning)室內(nèi)精確定位方案，該方案采用增強(qiáng)型藍(lán)牙技術(shù)以增加藍(lán)牙發(fā)射天線的指向性，通過三角定位算法實(shí)現(xiàn)精確定位，精度最高可達(dá)到亞米級(jí)。

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)備體積小并且易于集成在手機(jī)等移動(dòng)終端內(nèi)，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙定位系統(tǒng)就能對(duì)其進(jìn)行位置判斷。不足之處在于藍(lán)牙模塊相對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言其耗電量比較大，并且對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。

1.4 超寬帶定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz 量級(jí)的帶寬，不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波。

圖2 超聲波定位結(jié)構(gòu)圖

超寬帶定位系統(tǒng)包括UWB 接收器、UWB 參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB 標(biāo)簽。定位結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，定位過程中由UWB 接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB 信號(hào)，過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾后，得到有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。

超寬帶技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)的典型實(shí)例為英國(guó)Ubisense 公司的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)和TDOA/AOA 算法，定位精度可達(dá)亞米級(jí)，并且已經(jīng)應(yīng)用于寶馬和阿斯頓馬丁公司。

超寬帶技術(shù)發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短、占空比低的窄脈沖信號(hào)，因此它具有較強(qiáng)的多徑分辨能力，可以提供更高精度的定位。另外UWB 信號(hào)自身的功率譜密度很低，具有良好的頻段共存性。但是，目前該技術(shù)還處于新興研究階段，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此硬件成本比較高。

1.5 射頻識(shí)別定位技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)是一種操控簡(jiǎn)易，適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感、電磁耦合及雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。射頻標(biāo)簽和讀寫器通過天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測(cè)移動(dòng)物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息，讀寫器則通過有線或無(wú)線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

不同RFID 系統(tǒng)的工作頻率不同，表1 列出了工作于不同RFID 系統(tǒng)的特性。根據(jù)表1 的比較，以2.45 GHz 的微波信號(hào)搭建室內(nèi)無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)比較有效。2.45 GHz 信號(hào)由于其具有頻寬和傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)而受到日益廣泛的應(yīng)用，并且其天線和產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，攜帶和使用更加方便。

表1 不同頻段RFID 的系統(tǒng)特性

典型的RFID 室內(nèi)定位體統(tǒng)有LANDMARC 和VIRE。LANDMARC 通過參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度RSS 的分析計(jì)算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出帶定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，定位精度可達(dá)1 m。該系統(tǒng)主要有兩個(gè)缺點(diǎn):一是定位精度受到參考標(biāo)簽分布的影響，二是計(jì)算量極大并存在冗余。VIRE 系統(tǒng)是對(duì)LANDMARC 系統(tǒng)的改進(jìn)，通過引入虛擬標(biāo)簽增加了大量的參考點(diǎn)，提高了定位精度，同時(shí)通過模糊地圖法，去掉那些不可能位置來(lái)減少冗余運(yùn)算。

RFID 技術(shù)具有通用性高、速率快、天線及產(chǎn)品模塊體積小等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于門禁控制、IC 卡、停車場(chǎng)管理等領(lǐng)域中。其缺點(diǎn)在于作用距離近，不易兼容其他系統(tǒng)聯(lián)合工作。未來(lái)基于RFID 的室內(nèi)定位技術(shù)將對(duì)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、精確度及環(huán)境的自主感知能力等提出更高的要求。

1.6 WiFi 定位技術(shù)

WiFi 是一種高速率、高覆蓋度、高帶寬的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)，它基于IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)，幾乎不受非視距影響，其硬件平臺(tái)也已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，使其在中短距離的無(wú)線應(yīng)用中擁有極大的優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)線信號(hào)容易受到其他電磁波的干擾并且有明顯的多徑效應(yīng)，因此WiFi 定位一般采用基于RSSI 的指紋分析法。

經(jīng)典的基于WiFi 的室內(nèi)定位系統(tǒng)是微軟研究院推出的RADAR 定位系統(tǒng)，采用指紋分析法，可達(dá)到米級(jí)定位。不足之處在于前期數(shù)據(jù)庫(kù)的建立成本較高，且系統(tǒng)移植性差，一旦環(huán)境改變，原有數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)失效。

WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于硬件平臺(tái)的成熟以及WiFi 信號(hào)的普及，它將是投入商用最有潛力的定位技術(shù)之一。未來(lái)的研究主要集中于如何在較少的數(shù)據(jù)采集情況下獲得較高的定位精度，以及如何最大程度地避免其他射頻信號(hào)的干擾。

2 可見光定位技術(shù)

可見光通信作為一種新興無(wú)線通信方式，因其能效高，綠色環(huán)保，不受電磁干擾影響，兼具照明和定位兩種功能等優(yōu)勢(shì)而成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)也隨之被提出。

2.1 定位原理

在室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)中，由天花板上固定位置的LED 陣列發(fā)射帶有位置信息的光信號(hào)，經(jīng)編碼調(diào)制后由移動(dòng)目標(biāo)攜帶光探測(cè)器接收光信號(hào)，通過解碼、解調(diào)等信號(hào)處理后恢復(fù)出原始信號(hào)，再由相應(yīng)的定位算法分析得到移動(dòng)目標(biāo)的位置。定位系統(tǒng)中可見光通信結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定位算法

目前，LED 可見光室內(nèi)定位常用的定位算法可以分為四大類，如圖4 所示。

2.2.1 幾何測(cè)量法

第一類是幾何測(cè)量法。這種方法首先測(cè)量待測(cè)點(diǎn)與已知位置的LED 燈(參考點(diǎn))幾何關(guān)系，再通過運(yùn)算獲取待測(cè)點(diǎn)的位置信息。主要采用的幾何關(guān)系有三種，分別是三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法，如圖5 所示。

三邊定位法就是測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到三個(gè)不在同一直線上的參考點(diǎn)的距離，以這三個(gè)參考點(diǎn)為圓心，以測(cè)量的三邊距離為半徑做出三個(gè)圓的交點(diǎn)就是待測(cè)點(diǎn)的位置。三角定位法依據(jù)這樣一個(gè)幾何原理:在一個(gè)三角形中，如果已知一條邊的長(zhǎng)度和以這條邊為公共邊的兩個(gè)角的大小，那么就可以確定第三個(gè)點(diǎn)的位置，該點(diǎn)是三角形另外兩條邊的交點(diǎn)。雙曲線定位法應(yīng)用到了形成雙曲線的幾何原理:到兩個(gè)固定點(diǎn)的距離差為常數(shù)的動(dòng)點(diǎn)軌跡是以這兩個(gè)固定點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線。通過三個(gè)不在同一直線上的參考點(diǎn)可以確定兩組雙曲線，它們的交點(diǎn)就是待測(cè)點(diǎn)的位置。

圖4 室內(nèi)定位算法分類

圖5 三種主要幾何測(cè)量法原理圖

通過以上方法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)位置時(shí)需要知道距離或是角度關(guān)系，基于距離的測(cè)量方法有信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信號(hào)往返時(shí)間(Return Time of Flight，RTOF)、信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)?；诮嵌鹊臏y(cè)量方法有信號(hào)到達(dá)角度(Angle of Arrival，AOA)。

TOA 測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間t，通過公式R=c·t得到待測(cè)點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離，在三邊定位中可用公式(1)計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)。

TDOA 測(cè)量信號(hào)到達(dá)兩個(gè)參考點(diǎn)的時(shí)間差，利用公式d=c·Δt計(jì)算待測(cè)點(diǎn)到兩個(gè)參考點(diǎn)的距離之差，可以用于雙曲線定位系統(tǒng)中，由公式(2)可得到待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)。和TOA 相比，它的優(yōu)勢(shì)在于不需要嚴(yán)格的同步。

RTOF 是TOA 的改進(jìn)，由于RTOF 是對(duì)信號(hào)的往返時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，同步要求不高，計(jì)算方法同TOA 類似。這種測(cè)量非常類似一個(gè)雷達(dá)，待測(cè)點(diǎn)接收來(lái)自參考點(diǎn)的信號(hào)后隨即將信號(hào)返回，根據(jù)信號(hào)發(fā)出到返回的時(shí)間估算待測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離。

RSS 通過測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度，將其與特定環(huán)境的傳輸損耗模型相對(duì)應(yīng)，從而計(jì)算出距離，適用于三邊定位。

2.2.2 場(chǎng)景分析法

第二類是場(chǎng)景分析法，通過觀察場(chǎng)景中的特征來(lái)推斷待測(cè)目標(biāo)的位置，即通常所說(shuō)的指紋識(shí)別法。一般場(chǎng)景分析法包括兩個(gè)階段，離線勘測(cè)階段和在線定位階段。離線勘測(cè)的目的是建立一個(gè)特定場(chǎng)景特征信息與移動(dòng)設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。在線定位是將實(shí)時(shí)測(cè)量的用戶信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征信息相匹配，從而實(shí)時(shí)確定目標(biāo)的位置。

場(chǎng)景分析分為靜態(tài)場(chǎng)景分析(Static Scene Analysis)和差動(dòng)場(chǎng)景分析(Differential Scene Analysis)。靜態(tài)場(chǎng)景分析中，各參考位置的特征信息構(gòu)建成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，將待觀測(cè)的特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，然后映射到場(chǎng)景中的位置。相對(duì)的，差動(dòng)場(chǎng)景分析則需要連續(xù)追蹤場(chǎng)景間的差異來(lái)估計(jì)待測(cè)點(diǎn)的位置。

2.2.3 近似感知法

第三類是基于鄰近關(guān)系的近似感知法。在室內(nèi)天花板上布置特定的LED 陣列，每一個(gè)LED 燈作為一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)，發(fā)射帶有位置信息的光信號(hào)。當(dāng)用戶終端進(jìn)入服務(wù)接入點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，就可以獲取該燈的位置信息，由服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找返回接入點(diǎn)的位置及有可能的通信覆蓋范圍。

一般有兩種方法確定用戶終端的位置，分別是廣告牌算法和質(zhì)心算法。廣告牌算法是直接將接入點(diǎn)的位置作為用戶終端的位置，這種算法的定位誤差就是接入點(diǎn)的通信范圍。質(zhì)心算法是取用戶終端所有接入點(diǎn)坐標(biāo)平均值，作為用戶終端的位置坐標(biāo)，進(jìn)一步改進(jìn)的算法是加上信號(hào)強(qiáng)度作為權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均。

文獻(xiàn)［13］提出了一種基于LED-ID 的定位方法，并投入使用。LED 陣列采用蜂窩結(jié)構(gòu)，將空間劃分為多個(gè)光照小區(qū)，如圖6 所示，采用廣告牌算法將目標(biāo)定位到所在的光照小區(qū)內(nèi)，該方法的定位精度為兩個(gè)小區(qū)中心距離的一半，實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)米級(jí)定位。

圖6 基于蜂窩結(jié)構(gòu)的LED 陣列排布

2.2.4 圖像傳感器成像法

基于圖像傳感器的室內(nèi)LED 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，在平行于LED 燈與圖像傳感器之間的平面上放置一個(gè)透鏡，使用圖像傳感器測(cè)量法必須保證共線條件，即發(fā)射點(diǎn)、透鏡中心和接收點(diǎn)保持在同一條直線上，示意圖見圖7(b)。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可通過方程組(3)計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)。

圖7 基于圖像傳感器的室內(nèi)LED 定位系統(tǒng)示意圖

其中，f是透鏡的焦距，mi，j(i，j=1，2，3)是旋轉(zhuǎn)矩陣M 的元素，可由方程組(4)確定，ω、φ、θ 分別表示入射光線與x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸的夾角。

仿真結(jié)果表明，隨著圖像傳感器分辨率的提升，定位精度不斷提高。但當(dāng)分辨率上升到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)成像點(diǎn)占據(jù)多個(gè)像素點(diǎn)的現(xiàn)象，此時(shí)就會(huì)有量化誤差的存在，影響定位精度。因此如何減小量化誤差，提高定位精度是需要突破的難點(diǎn)。

2.3 定位算法比較

對(duì)以上幾種室內(nèi)LED 可見光定位算法進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的比較，如表3 所示。

表3 室內(nèi)LED 可見光定位算法比較

幾何測(cè)量法是最為傳統(tǒng)的定位算法，通過對(duì)時(shí)間、角度或是信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)測(cè)量可以較為精確地計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的位置，但需要一定時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算，并且功耗較大。其中，TOA 要求發(fā)射機(jī)和接收機(jī)嚴(yán)格同步，較難實(shí)現(xiàn);TDOA 和RTOF 都是對(duì)TOA的改進(jìn)，對(duì)同步?jīng)]有要求;RSS 的測(cè)量精度較低，這是因?yàn)楣庠谑覂?nèi)遇障礙物沿非視路傳播時(shí)，其傳播模型較為復(fù)雜，誤差較大;AOA 算法一般是和圖像傳感器定位法相結(jié)合，通過圖像傳感器測(cè)量入射光線與待測(cè)點(diǎn)的角度，精度高，但需要高度復(fù)雜的圖像傳感器陣列，復(fù)雜度較高。

場(chǎng)景分析不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，定位速度快，且不需要額外的硬件成本，性能較為穩(wěn)定。不足之處在于系統(tǒng)的移植性較差，前期離線訓(xùn)練階段耗費(fèi)的成本太高，且隨著時(shí)間的推移位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)逐漸失效，需要重新構(gòu)建。

基于鄰近關(guān)系的近似感知法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，其性能取決于所布置的LED 發(fā)射陣列的網(wǎng)格密度，密度越大，定位精度越高，但也存在復(fù)雜度提升，鄰近干擾加強(qiáng)的問題。

圖像傳感器成像法的定位精度依賴于各測(cè)量組件的精度，但一般都高于其他定位算法的定位精度，并且能兼具定位速度快、移植性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著MIMO 技術(shù)的發(fā)展以及智能拍照手機(jī)的普及，基于圖像傳感器成像法的室內(nèi)定位技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景，是未來(lái)可見光室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展方向。

2.4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，基于LED 可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)研究尚處于起步階段，正面臨許多挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究工作將主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)完善硬件平臺(tái)的搭建，使之更便攜實(shí)用。(2)研究LED 陣列布局對(duì)照明和定位精度的影響，優(yōu)化布局方案。(3)研究如何有效抑制室內(nèi)其他背景光噪聲的干擾，提高定位精度。(4)融合其他無(wú)線通信手段，尋求多種技術(shù)的互補(bǔ)以完善系統(tǒng)性能。

3 室內(nèi)定位技術(shù)比較

表3 對(duì)各種室內(nèi)定位技術(shù)的性能進(jìn)行了綜合比較。

表3 室內(nèi)定位技術(shù)比較

紅外線定位技術(shù)主要受視距傳播和通信距離短的限制，需要部署大量發(fā)射器和接收器，復(fù)雜度高、功耗大、成本高。超聲波具有良好的方向性，且不受視距影響，定位精度較高，但通常需要其他無(wú)線通信技術(shù)輔助，硬件開銷較大。藍(lán)牙最大的優(yōu)勢(shì)在于能集成在手機(jī)等移動(dòng)終端上，實(shí)用性強(qiáng)，但藍(lán)牙設(shè)備的性能不夠穩(wěn)定，并且對(duì)于相應(yīng)的移動(dòng)終端而言耗電量比較大。超寬帶定位具有良好的多徑分辨能力，可以提供更高的定位精度，但目前的研究還不夠成熟，沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，硬件成本較大。射頻識(shí)別和WiFi 都是目前發(fā)展較為成熟的無(wú)線通信技術(shù)，已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，未來(lái)室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究方向?yàn)樘岣叨ㄎ痪群拖到y(tǒng)穩(wěn)定性，精簡(jiǎn)設(shè)備，降低成本。

基于LED 可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì):首先該技術(shù)使用發(fā)光二極管(LED)作為光源，進(jìn)行定位的同時(shí)可以提供照明服務(wù)，而且除了一些必要的信號(hào)處理幾乎不需要多余的功率消耗。該定位系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何射頻干擾，因此可以部署在射頻輻射被嚴(yán)格限制的環(huán)境中(如醫(yī)院)。因?yàn)閂LC 系統(tǒng)受到多徑效應(yīng)以及來(lái)自其他無(wú)線手持設(shè)備的干擾較少，所以比無(wú)線電波的定位精度更高。但是，目前可見光定位的研究還處于起步階段，如何減小干擾光源的影響、優(yōu)化LED 陣列排布、簡(jiǎn)化硬件設(shè)施等都是未來(lái)研究中需要攻克的難題。

4 小 結(jié)

文章介紹了目前主要的局域室內(nèi)定位技術(shù)及其典型的應(yīng)用系統(tǒng)，并對(duì)LED 可見光室內(nèi)定位技術(shù)做了重點(diǎn)介紹。

雖然，目前大多數(shù)的定位系統(tǒng)基本都能完成簡(jiǎn)單的定位任務(wù)，但離真正實(shí)現(xiàn)室內(nèi)“智能空間”的目標(biāo)，并且投入商用還有一定的差距。后續(xù)的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)室內(nèi)定位技術(shù)的互補(bǔ)融合。不同的定位技術(shù)各有利弊，通過技術(shù)融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，往往能實(shí)現(xiàn)定位精度更高、更穩(wěn)定、成本更低。(2)通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。多種技術(shù)無(wú)縫整合的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑對(duì)通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化提出了要求，這也是室內(nèi)定位未來(lái)發(fā)展必須解決的問題之一。(3)定位算法的不斷改進(jìn)。定位系統(tǒng)的精度不僅僅取決于系統(tǒng)的定位技術(shù)，定位算法也起到了舉足輕重的作用，通過算法的完善能夠有效減小誤碼率，提升系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。(4)新技術(shù)開發(fā)。LED 可見光室內(nèi)定位就是近年來(lái)新興的定位技術(shù)，未來(lái)必定會(huì)有更多新型的無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)中，進(jìn)一步完善“智能家居”應(yīng)用。

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