基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)研究

胡嘉捷

摘 要：文章以WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用理論結(jié)合實(shí)際的方法，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得RSSI序列，將之與指紋庫(kù)的信息進(jìn)行比對(duì)，最終獲得了定位終端的位置，同時(shí)總結(jié)了定位系統(tǒng)的缺陷以及未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；無(wú)線局域網(wǎng)；非參數(shù)化定位

隨著無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展和成熟，WLAN為人們提供了快速介入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)終端接入位置的信息。通過分析位置信息的及時(shí)性的強(qiáng)烈需求，對(duì)軍事醫(yī)療等領(lǐng)域的定位服務(wù)給予準(zhǔn)確的位置信息，將各國(guó)研發(fā)的全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等運(yùn)用到商業(yè)領(lǐng)域中。其中的室內(nèi)定位系統(tǒng)就是具有精確終端定位技術(shù)的無(wú)線定位技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了人們?cè)谑覂?nèi)的AP接入，還實(shí)現(xiàn)了無(wú)線局域網(wǎng)自身的定位，為基于WLAN的室內(nèi)定位提供了硬件基礎(chǔ)。

1 無(wú)線定位技術(shù)說明

WLAN技術(shù)發(fā)展循序，讓網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行擺脫了線路的束縛，在不添加硬件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位，文章提供了幾種常見的無(wú)線定位技術(shù)，并進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

通過網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位，物體在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)被物體應(yīng)用在導(dǎo)航技術(shù)上，能夠幫助物體通過引導(dǎo)順利達(dá)到目標(biāo)位置。第二，通過對(duì)物體位置的獲取，能夠及時(shí)地獲取物體的實(shí)時(shí)移動(dòng)軌跡。運(yùn)用圖形化的方式為用戶呈現(xiàn)直觀的物體的位置。通過物體增值服務(wù)的開發(fā)獲取關(guān)于物體位置的增值服務(wù)，得到廣域定位的短距離定位，最終用于室外定位，獲得紅外線等短距離定位的方式[1]。

室內(nèi)環(huán)境由于空間相對(duì)封閉，因此信號(hào)的覆蓋范圍非常有限，不同的建筑物，包括室內(nèi)的布置，建筑材料以及布局的結(jié)構(gòu)等都會(huì)有很大的環(huán)境差異，當(dāng)接收端收到的信號(hào)受到建筑物的阻礙發(fā)生信號(hào)損耗，則信號(hào)的覆蓋范圍可能受到影響，出現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分布不均的情況[2]。

2 室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線信道的特性

無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)進(jìn)行傳播的時(shí)候往往受到眾多因素的干擾，包括電磁波顏射、建筑內(nèi)部的干擾、室內(nèi)環(huán)境中的大型金屬物等，所有這些都會(huì)對(duì)WLAN無(wú)線信號(hào)的接收產(chǎn)生干擾，如表2所示。室內(nèi)的無(wú)線電波的傳輸，受到建筑材料、結(jié)構(gòu)以及布局的影響，衰減的程度會(huì)發(fā)生不同。通過對(duì)障礙物穿過的WLAN信號(hào)的衰減情況的分析，可以得到隔墻衰減因子的數(shù)值。

3 常見的室內(nèi)定位方法

3.1 基于紅外線的定位方法

這是采用紅外線發(fā)射器和光學(xué)接收器進(jìn)行發(fā)射，產(chǎn)生位于微波和可見光之間的電磁波，將定位系統(tǒng)中的位置固定在紅外線的發(fā)射器上，采用定位精度較高的紅外線系統(tǒng)進(jìn)行定位，沿著直線傳播紅外線，定位中會(huì)產(chǎn)生很多的盲點(diǎn)，衰減紅外線在空氣中的傳播，將紅外線在空氣中的傳播采用短距離定位的方法，最終造成一定程度的干擾，對(duì)精準(zhǔn)度產(chǎn)生影響[3]。

3.2 基于超聲波的定位方法

這是采用固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種介質(zhì)進(jìn)行傳播的方法，隨著環(huán)境溫度的升高，超聲波的耐性好，使用TDOA的方法進(jìn)行定位，優(yōu)勢(shì)在于定位的精度較高，單個(gè)器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，室內(nèi)的多徑效應(yīng)嚴(yán)重，衰減較為明顯，定位的范圍會(huì)產(chǎn)生波速的變化，通過大量硬件設(shè)備的鋪設(shè)，會(huì)產(chǎn)生較高的系統(tǒng)成本。

3.3 基于超寬帶的室內(nèi)定位技術(shù)

這種技術(shù)采用高速無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行短程無(wú)線通信，UWB定位技術(shù)擁有的定位準(zhǔn)確度較高，但是由于現(xiàn)行的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不成熟，因此應(yīng)用的范圍不夠廣泛。

3.4 藍(lán)牙定位系統(tǒng)

這是對(duì)設(shè)備通信進(jìn)行短距離無(wú)線電的點(diǎn)到點(diǎn)通信，與WLAN的技術(shù)協(xié)議相同，室內(nèi)安裝藍(lán)牙局域網(wǎng)進(jìn)行接入點(diǎn)的連接，可以搭配出多用戶的連接模式，獲得用戶的實(shí)時(shí)位置信息。

3.5 基于WLAN基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)

目前在很多場(chǎng)合中得到廣泛的應(yīng)用，除了通過WLAN接入Internet之外，WLAN還為人們進(jìn)行室內(nèi)的定位提供了多硬件的基礎(chǔ)，如智能手機(jī)等為代表的室內(nèi)定位技術(shù)。

無(wú)線定位隨著中間介質(zhì)的不同，呈現(xiàn)出無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度衰減的特性，隨著傳播逐漸變小而發(fā)生了波動(dòng)，當(dāng)AP和客戶端的位置固定不變，接收到的AP信號(hào)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生小幅度的變化。

目前基于WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)做得較為成功的就是由微軟公司開發(fā)的系統(tǒng)，這是一種建立在WiFi技術(shù)基礎(chǔ)上的定位跟蹤系統(tǒng)。

4 基于WLAN的室內(nèi)定位模型

基于室內(nèi)定位分類的方法采用最多的是建立在位置感知定位技術(shù)基礎(chǔ)上的三角關(guān)系的定位，這種關(guān)系是因位置干技術(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行了3個(gè)方面的分類：一類是三角關(guān)系，一類是臨近關(guān)系，一類為場(chǎng)景分析。

室內(nèi)定位技術(shù)在傳感器類型的分類上，可以分為基于RFID系統(tǒng)的定位，基于UWB的定位，基與超聲波系統(tǒng)的定位以及基于遠(yuǎn)紅外線和藍(lán)牙系統(tǒng)的定位。

指紋定位方法在定位精度方面的限制因素，在某種程度上可以采用多徑效應(yīng)引起的信號(hào)的畸變，解決特殊環(huán)境下的路徑損耗模型的誤差，使得室內(nèi)定位區(qū)域無(wú)線信號(hào)的數(shù)據(jù)，得到認(rèn)真的分析，包括室內(nèi)環(huán)境中光纜開關(guān)的狀態(tài)、信號(hào)接收端的改變，接收信號(hào)的強(qiáng)度變化等。

5 WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一種是建立信號(hào)傳播距離損耗模型的方法，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)衰減進(jìn)行精確的模型的計(jì)量，一種是基于RSSI位置指紋的定位方法，這種信號(hào)傳播損耗模型的建立，是具有較高的定位標(biāo)準(zhǔn)精度的，而且不必考慮多線信號(hào)的多種效應(yīng)的影響，采用RSSI位置指紋的定位方法獲得現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)中需要添加的硬件設(shè)備。

制作室內(nèi)環(huán)境的縮略圖，使用位置拓?fù)鋱D的方法，強(qiáng)化采樣時(shí)的可視化管理。利用室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行AP位置的部署，配置好AP和AC，無(wú)線局域網(wǎng)通過AP上網(wǎng)，也可以對(duì)室外周邊的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行掃描，形成具有AP信號(hào)強(qiáng)度的AP信號(hào)強(qiáng)度序列。

這種定位方法定位精度取決于離線時(shí)所建立的指紋庫(kù)，采樣點(diǎn)在位置視圖中的擺放位置需要合理規(guī)劃，同時(shí)需要存儲(chǔ)大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，信號(hào)傳播損耗模型無(wú)需建立離線階段的指紋庫(kù)，定位精度應(yīng)當(dāng)盡可能符合實(shí)際，位置部署也盡量覆蓋室內(nèi)的各個(gè)區(qū)域。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本已經(jīng)在全球廣泛部署，并由于其部署的靈活性和便捷性受到國(guó)內(nèi)外用戶的歡迎以及專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。無(wú)線定位技術(shù)也由最初的參數(shù)化定位方法向非參數(shù)化定位方法過渡，而且非參數(shù)化定位對(duì)信號(hào)的傳播環(huán)境沒有特殊要求，在室內(nèi)領(lǐng)域的定位精度更高，使得利用其進(jìn)行室內(nèi)定位成為可能。