室內(nèi)定位技術(shù)介紹與分析

作者/魯逸文，湖北省恩施土家族苗族自治州高級中學(xué)

引言

在室內(nèi)通信環(huán)境中，定位信號在傳播過程中遭受嚴(yán)重的穿透損耗。同時，室內(nèi)信號反射更加嚴(yán)重[1]，加之室內(nèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致室內(nèi)定位精度降低，所以傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)定位。為了解決室內(nèi)定位的需要，迫切需要新的技術(shù)。本文通過對多種定位方法進(jìn)行分析比較，同時對于室內(nèi)場所特點進(jìn)行分析，從而選擇了不同室內(nèi)場所中適合的定位技術(shù)，本文工作對室內(nèi)定位技術(shù)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1.常見的定位技術(shù)

1.1 GPS定位技術(shù)

GPS定位技術(shù)（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是一種結(jié)合衛(wèi)星及通信發(fā)展的技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距。GPS定位技術(shù)無需sim卡，也不需要連接網(wǎng)絡(luò)，只要用戶處于室外環(huán)境中，則GPS定位基本上隨時隨地都完成準(zhǔn)確定位。

然而，GPS啟動后用于搜索衛(wèi)星的時間較長，一般需要2分鐘左右（俗稱冷啟動）。除此之外，由于受到穿透損耗以及更加嚴(yán)重的信號折射和反射，GPS定位在室內(nèi)定位過程中定位精度往往不盡人意[2]，從而導(dǎo)致了現(xiàn)如今成熟的室外定位技術(shù)無法直接應(yīng)用于室內(nèi)定位場景中。

1.2 WiFi定位技術(shù)

在覆蓋WLAN無線局域網(wǎng)的地方，佩戴在人員身上的定位卡或腕帶周期性地發(fā)出信號，無線局域網(wǎng)訪問點（AP）接收到信號后，將信號傳送給定位服務(wù)器[3]。定位服務(wù)器根據(jù)信號的強弱或信號到達(dá)時差判斷出人員的位置，并通過電子地圖顯示具體位置。

在室內(nèi)定位技術(shù)中，WiFi定位的精度為米級，相比RFID（射頻識別技術(shù)）、藍(lán)牙定位等達(dá)到亞米級定位精度的技術(shù)，要遜色很多。很多人認(rèn)為定位精度越高，定位所帶來的價值越高。事實上，定位精度的提高勢必帶動成本的提高。此外，就目前的室內(nèi)定位需求，如商場客流分析統(tǒng)計、基于位置區(qū)域的廣告推送、定位拓?fù)浔O(jiān)控等，米級的定位精度意味著抬頭就能看見，已可以滿足大部分需求。

1.3 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙定位技術(shù)可以分為基于指紋匹配以及基于信號強度測量兩種方式[3]。藍(lán)牙定位技術(shù)的最大優(yōu)點就是易部署、體積小、終端設(shè)備支持多以及另外一個最大優(yōu)點低功耗，這將給室內(nèi)定位解決方案的推廣帶來極大便利[4]。只要手機一直開啟藍(lán)牙，便可以獲得用戶的最新位置。采用另外的一個缺點為藍(lán)牙信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，受噪聲信號干擾大。

1.4 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)實現(xiàn)定位原理主要是通過計算電磁波在空間的飛行時間用光速來換算距離[5]，通過點對點或三角定位（TDOA（Time Diあerence of Arrival，到達(dá)時間差））的方式實現(xiàn)。感應(yīng)門禁卡和商場防盜系統(tǒng)用的就是這種技術(shù)。

表1 WiFi定位技術(shù)和藍(lán)牙定位技術(shù)對比

從表1中可以看出，WiFi定位技術(shù)在降低安全性的前提下，傳輸速率比藍(lán)牙出色，抗干擾能力強，且成本低，但是在穿透性方面就要遜色于藍(lán)牙。射頻技術(shù)因為不能實現(xiàn)信息的交換，也就不予討論。

2.常見的定位方法

2.1 TOA

TOA（Time of Arrival，到達(dá)時間)是基于信號到達(dá)時間的測距方法，它是已知節(jié)點的信號傳播速度，再根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。在一個節(jié)點接受到多個鄰居錨節(jié)點的信息后，再利用三點定位法或者兩點定位法，來確定該節(jié)點的坐標(biāo)位置[6]。

2.2 TDOA

TDOA（Time Diあerence of Arrival，到達(dá)時間差 )是根據(jù)同一節(jié)點發(fā)送兩個不同信號的到達(dá)時間差來測距的，在時鐘同步的條件下，同時發(fā)射兩種信號，由錨節(jié)點計算出收到兩種信號到達(dá)的時間差，計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到鄰居錨節(jié)點的距離信息，然后利用三角定位方法進(jìn)行定位[6]。

2.3 AOA

AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角)是通過角度測量節(jié)點距離的，在該技術(shù)中，未知節(jié)點通過天線陣列或者其他接收設(shè)備獲取參考節(jié)點無線信號到達(dá)方向，計算節(jié)點間的相對方向角，然后利用三角測量法計算未知節(jié)點的位置信息。

2.4 RSSI

signal strength indicator，接收信號強度指示），該算法是由未知節(jié)點發(fā)射無線信號，由接收節(jié)點測量接收到的無線信號強度，通過信號強度，得出節(jié)點之間的距離，從而再根據(jù)三角測量法或其他算法求解出定位節(jié)點坐標(biāo)。也就是首先計算出傳播過程中的路徑損耗，從而根據(jù)路損衰減模型估計待測點位置。

3.各個場所的具體分析和比較

3.1 小型場所

3.1.1 居民樓

用戶需要獲得自己或者家人實時的位置信息，居民樓是用戶最為經(jīng)常出現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境，作為私人場所，居民樓是人們生活的地方，用戶需要獲得自己或者家人實時的位置信息，同時在家中人們也有許多對定位技術(shù)的要求。居民樓一般空間狹小、密閉性較高，因此家中更適合用傳輸范圍小的藍(lán)牙和WiFi。

WiFi技術(shù)應(yīng)用普及，且價格低廉，因此WiFi定位技術(shù)可以作為家庭定位技術(shù)的首選。同時WiFi技術(shù)還具有定位精度較高、傳輸速率快的特點，能夠滿足人們處于類似居民樓的室內(nèi)環(huán)境時，對于精準(zhǔn)定位、傳輸速率的要求。但是WiFi技術(shù)的較高的傳輸速率是以犧牲安全性為前提的，也就使得用戶信息泄露的風(fēng)險增大。相比于WiFi技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)信息傳輸速率較低，但是藍(lán)牙的保密性比WiFi要好。

人們在像居民樓的室內(nèi)環(huán)境中時，由于此時娛樂時間比重高于工作時間，因此傳輸速率快的WiFi定位更合適，但也不能排除有時候需要傳送一些重要的隱私文件，所以藍(lán)牙也是很有必要的。

3.1.2 教室

教室是學(xué)生和老師經(jīng)常出現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境。基于學(xué)生職業(yè)的特殊性，教室等環(huán)境中定位技術(shù)適合使用射頻技術(shù)。因為在這些場合中，很多時候只是需要位置信息，無需數(shù)據(jù)的相互傳輸（用打卡的方式出勤，只需要讓機器識別然后記錄下來）。雖然射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離較小，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息。它的標(biāo)簽的體積比較小，造價比較低。

3.1.3 辦公室（工作場合）辦公室空間一般都比較狹小，內(nèi)部環(huán)境異常復(fù)雜，但是對于處于類似辦公室的用戶來說，他們不止需要數(shù)據(jù)的相互傳輸，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄砸笠脖染用駱菆鼍爸幸?。此時，為了在保證保密的情況下傳輸信息，藍(lán)牙定位的應(yīng)用會更多。

3.2 中型場所

3.2.1 商場（體育館）

商場的特點是：空間大，內(nèi)部雜亂，密閉性較高。在這種定位場景中，若用藍(lán)牙技術(shù)，三角均勻部署等方式定位可以滿足人們對商品的精確定位。同時商場也可以使用WiFi技術(shù)，在人數(shù)很多的情況下會導(dǎo)致使用藍(lán)牙的人均傳輸速率降低。另一方面，商場可以通過WiFi來向人們發(fā)送一些圖片、視頻類的關(guān)于商品打折促銷的信息，而藍(lán)牙很難做到這一點。值得一提的是，在商場這些公共場合，部分人們會考慮個人隱私問題而不去連接WiFi，但對于大多數(shù)人來說，WiFi無疑是一個很好的選擇，同樣的體育館一類的場景也是如此。這些場景之中還有一些像電影院的特例，人們在這種場合通常需要更多的大量的信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止需要商品的位置，所以WiFi定位技術(shù)的適用性會更好。

3.2.2 停車場

在停車場，人們更多的是需要一個粗略的定位，在了解的車子停放的大概位置后就可以動身去尋找，也就是說并不一定需要停放的精準(zhǔn)位置。而事實上，將定位精準(zhǔn)到具體位置成本代價會很大，這也就導(dǎo)致停車場對定位精度的需求比較低，所以在停車場內(nèi)部可以使用藍(lán)牙技術(shù)。而在停車場的入口處WiFi或者射頻識別技術(shù)可以讓人們獲得更多更全的信息。

3.3 大型場所

大型場所包括飛機場、火車站等地方。在這些人非常多，空曠而且密閉性較差的地方，WiFi信號覆蓋范圍較廣，信息傳輸數(shù)據(jù)高等特點使得WiFi定位技術(shù)成為像機場和火車站等大型室內(nèi)場所中室內(nèi)定位技術(shù)的首選。

4.結(jié)論

就目前來說，WiFi技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的室內(nèi)定位技術(shù)，藍(lán)牙次之。在不同的場合會需要到不同的技術(shù)，這與場合的特點以及人們的需求有關(guān)，而各類定位技術(shù)都有其各自的優(yōu)缺點，很多時候往往是多種方式相結(jié)合，一種為主，其他為輔的方式來進(jìn)行室內(nèi)定位，這樣才能滿足人們的不同需求。也許隨著技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)得到更好的優(yōu)化后情況會有所改變，或者是5G的出現(xiàn)帶來新的變革，這些技術(shù)的發(fā)展必然會造福于人類，極大地推動時代社會的發(fā)展，最終形成物聯(lián)網(wǎng)時代。相信不久的將來這些都會實現(xiàn)。

* [1]梁坤等.室內(nèi)環(huán)境中的GPS信號特性分析[J].天文研究與技術(shù).2008

* [2]韓高樓.GPS定位技術(shù)的優(yōu)缺點[J].陜西建筑.2010

* [3]藍(lán)牙與WIFI無線連接哪個對移動設(shè)備最需要[J].計算機與網(wǎng)絡(luò) ,2012（14）

* [4]藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用[J].河南機電高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2007（6）

* [5]謝東原，基于RFID的區(qū)域無線定位技術(shù)綜述[J].科技傳播，2014

* [6]黃毅，基于到達(dá)時間差的定位技術(shù)研究[J].2014