Wi—Fi定位技術(shù)的優(yōu)越性與發(fā)展前景

陳奕鋼

摘 要 自進(jìn)入現(xiàn)代以來，人類發(fā)展出多樣化的定位技術(shù)。這些定位技術(shù)在特定的場(chǎng)景下有很好的應(yīng)用，但也面臨很大的挑戰(zhàn)。例如基于衛(wèi)星的GPS定位技術(shù)由于建筑物的遮攔而難以應(yīng)用于室內(nèi)，且存在較大誤差；基于攝像頭的目標(biāo)跟蹤定位技術(shù)對(duì)光照條件與圖像處理能力有較高要求等。相比較之下，Wi-Fi定位技術(shù)則可以克服這些困難并已經(jīng)發(fā)展出了多種多樣的定位方法，在生活、生產(chǎn)、商務(wù)、公共服務(wù)上可以產(chǎn)生大量便捷的應(yīng)用。本文將通過比較Wi-Fi定位技術(shù)與傳統(tǒng)定位技術(shù)的差異來說明其適應(yīng)的場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)，并探討Wi-Fi定位技術(shù)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位技術(shù) RSSI CSI MUSIC算法

1 背景

人們從很早以前就開始利用無(wú)線電來進(jìn)行對(duì)物理環(huán)境的感知，典型的應(yīng)用包括探測(cè)空間中飛行器的雷達(dá)系統(tǒng)——通過分析無(wú)線電信號(hào)（即雷達(dá)發(fā)射的無(wú)線電波飛行器反射后回到雷達(dá)無(wú)線或飛行器自身發(fā)出的無(wú)線電波），判斷飛行器的出現(xiàn)、種類以及運(yùn)動(dòng)信息。

就室內(nèi)定位環(huán)境而言，信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的無(wú)線電波經(jīng)直射、反射、散射等多條路徑傳播，在信號(hào)接收機(jī)處形成多徑疊加信號(hào)。多徑疊加信號(hào)受物理傳播空間影響，并攜帶反映環(huán)境特征的信息，這些信息就是Wi-Fi定位的基礎(chǔ)。

2 不同Wi-Fi定位技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 環(huán)境模型

在無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，佩戴在人員身上的無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置周期性的發(fā)出信號(hào)，分布在區(qū)域兩對(duì)角的無(wú)線局域網(wǎng)訪問點(diǎn)（AP）接收到經(jīng)過多徑疊加的物理信號(hào)后，提取信號(hào)相關(guān)信息并傳遞給定位服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算，得到的定位結(jié)果可是作為下一步服務(wù)的參考數(shù)據(jù)。

無(wú)線通信有三個(gè)主要物理參數(shù)分別為信號(hào)能量（Power），信號(hào)的到達(dá)角度（AoA）和信號(hào)的傳輸時(shí)間（ToF）。定位的數(shù)學(xué)模型有兩種，一種稱為幾何法，它主要利用信號(hào)的幾何參數(shù)（例如傳輸距離，傳輸角度等）結(jié)合幾何性質(zhì)來進(jìn)行定位；另一種稱為指紋法（fingerprinting），它是利用信號(hào)的物理參數(shù)在空間中的各個(gè)點(diǎn)的分布值不同，采用一種類似于指紋識(shí)別的方式來進(jìn)行定位。因此，下面的討論將圍繞這三個(gè)物理參數(shù)和兩種定位方法進(jìn)行。

2.2 基于信號(hào)能量和幾何法定位

接收信號(hào)強(qiáng)度顯示（RSSI）是接收機(jī)對(duì)于接收到的無(wú)線信號(hào)能量的一種衡量指標(biāo)。如果已知發(fā)射端的發(fā)射功率和接收端的接受功率，那我們就可以通過一臺(tái)無(wú)線AP，計(jì)算出一條路徑的距離信息。這樣在我們的系統(tǒng)模型中，兩臺(tái)AP就可以得到兩條路徑的距離信息。又由于AP之間的距離可以預(yù)先測(cè)量，這樣通過簡(jiǎn)單的三角計(jì)算，我們就可以定位出人在房間中的位置。它的優(yōu)點(diǎn)在于理論模型非常簡(jiǎn)單，且對(duì)于商用的無(wú)線網(wǎng)卡來說，信號(hào)的接收能量、Gt、Gr都是可以提取出來的，所以實(shí)現(xiàn)也簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)在于，多徑傳播限制了RSSI的精確度，例如在典型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，一臺(tái)靜止的接收機(jī)在一分鐘內(nèi)接收到的 RSSI 可能出現(xiàn) 5dB 的波動(dòng)。

2.3 基于信號(hào)能量和指紋法定位

我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于室內(nèi)中的每一個(gè)位置來說，其到AP的距離矢量組（d1， d2）是互不相同的。與此對(duì)應(yīng)的是，AP對(duì)于一個(gè)位置發(fā)出的信號(hào)接收能量組（p1， p2）也不相同。因此這啟發(fā)我們：對(duì)于房間中的每一個(gè)位置點(diǎn)，其在接收機(jī)看來都可以由一組唯一的向量組來進(jìn)行描述。這就是利用指紋法進(jìn)行定位的理論基礎(chǔ)。

這種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)也同樣非常明顯且與3.2很相似。其中一個(gè)很大的不同是，指紋法需要在定位前進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，即在定位前進(jìn)行位置矢量與能量矢量組的采集。這是非常耗時(shí)耗力的，而且一旦環(huán)境發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)變化都有可能會(huì)改變已有的通信模型，就需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行成本很高的更新，這是這種定位方法的一大劣勢(shì)。其定位精度最好時(shí)可以達(dá)到0.6米。

2.4 基于傳輸時(shí)間和幾何法定位

在一般實(shí)驗(yàn)中所使用的無(wú)線網(wǎng)卡都是遵循IEEE 802.11協(xié)議的。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信中，網(wǎng)卡收到的網(wǎng)絡(luò)層包（packet）含有發(fā)射端的時(shí)間信息，具體為包結(jié)構(gòu)中的某一域作為時(shí)間戳。這啟發(fā)我們：如果能夠測(cè)量出信號(hào)的傳輸時(shí)間，我們就可以得到發(fā)射端到接收端的距離，這樣就可以利用3.2所述的三角法求出發(fā)射端的位置進(jìn)行定位。慶幸的是，ToF（Time of Flight）也就是信號(hào)的傳輸時(shí)間，可以由接收端的接收時(shí)間減去包中含有的時(shí)間戳得到，因此使得距離變得可求。

這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)在于它的方法簡(jiǎn)單，但是它的缺點(diǎn)同樣明顯：我們難以改動(dòng)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序以提取包時(shí)間戳信息，盡管這是這種定位方式所必需的。同時(shí)，接收機(jī)兩端時(shí)間上的偏差是不可避免的。再者，我們得到的ToF是粗略的ToF，它的值包括了硬件的處理時(shí)間與真正的傳輸時(shí)間，這些時(shí)間的偏差因極快的光速而在計(jì)算距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可忽略的誤差，降低定位精度。所以實(shí)驗(yàn)中很少使用這種方法進(jìn)行定位。

2.5 基于到達(dá)角度和幾何法定位

對(duì)于通過一條傳輸路徑到達(dá)AP的信號(hào)來說，入射角度指的是其傳輸方向與AP天線法線的夾角。當(dāng)發(fā)射端距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，其達(dá)到AP的無(wú)線電波可以視為一組平行波。這樣對(duì)于相鄰的天線來說，由于入射角的存在，會(huì)引入一段光程差dsinθ，由此使得相鄰的兩根天線接收到的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)固定的相位差：

Φ（θk）=e-j2π×dsin（θk）×f/c

其中d是相鄰天線的間距；θk是第K條路徑相對(duì)法線的入射角；f是信號(hào)的頻率，c是光速。在排除了網(wǎng)卡內(nèi)部晶振的相位差之后，我們可以由空間譜分析理論中的MUSIC算法，估計(jì)出傳輸信道中的N條傳輸路徑的入射角度。

但是這N個(gè)角度信息不全是必要的，我們需要的只有由發(fā)射端直接入射到接收端的角度信息，這才是對(duì)定位有用的。

這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)于之前介紹的幾種定位方法來說精確很多，而且實(shí)際上很多研究機(jī)構(gòu)的研究方向也是基于空間譜分析MUSIC算法的。但是它的理論很難，同時(shí)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中由于障礙物等環(huán)境因素的作用，直接到達(dá)信號(hào)往往不存在，這樣就需要對(duì)理論進(jìn)行進(jìn)一步完善。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

由于Wi-Fi定位精度較高，適用于室內(nèi)，且成本低廉，它可以廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，通過佩腕表式、貼卡式、胸牌式等多種多樣發(fā)射設(shè)備，我們可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi定位在多領(lǐng)域，多手段，多效果的應(yīng)用。

3.1 工廠人員設(shè)備定位

通過在廠區(qū)內(nèi)布設(shè)有限數(shù)量的基站，實(shí)時(shí)精確地定位員工、車輛、資產(chǎn)上的標(biāo)簽式發(fā)射裝置位置，零延時(shí)地將人、車、物的位置信息顯示在工廠控制中心，進(jìn)行安全區(qū)域管控、人員在崗監(jiān)控、車輛實(shí)時(shí)軌跡監(jiān)控。精確管控以精益生產(chǎn)、合理調(diào)度安排、提高智慧工廠管理水平。

3.2 商業(yè)智慧樓宇定位

通過在展廳內(nèi)布設(shè)有限數(shù)量的基站，實(shí)時(shí)精確地定位參觀者佩戴的標(biāo)簽位置，零延時(shí)地將參觀者的位置信息準(zhǔn)確地將反映到展廳控制中心，以進(jìn)行參觀者實(shí)時(shí)位置定位、停留興趣點(diǎn)分析、多媒體聯(lián)動(dòng)等，提升展廳展會(huì)參觀者行為分析科學(xué)性，提供高科技的展廳效果體驗(yàn)。

3.3 監(jiān)獄監(jiān)所人員定位

通過在監(jiān)獄、看守所內(nèi)布設(shè)有限數(shù)量基站，實(shí)時(shí)精確地定位嫌犯、干警身上佩戴的標(biāo)簽位置，零延時(shí)地將兩者的位置信息準(zhǔn)確地將反映到監(jiān)控室，有效進(jìn)行警情預(yù)警、人員追蹤、軌跡分析、聚眾行為預(yù)判等。

4 對(duì)Wi-Fi定位的總結(jié)與展望

通過以上分析，我們可以認(rèn)識(shí)到無(wú)線感知在 Wi-Fi 信號(hào)的局限性以及人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的環(huán)境感知需求兩者之間的矛盾中尋求突破口，在低成本和高精度之間尋找平衡點(diǎn)，在頻率多樣性和空間多樣性的綜合利用上尋找解決方法，在移動(dòng)計(jì)算和無(wú)線通信的交叉領(lǐng)域?qū)ふ覒?yīng)用機(jī)會(huì)。它相對(duì)于傳統(tǒng)的定位方式具有天然的優(yōu)越性，多種多樣的定位實(shí)現(xiàn)方式又為不同環(huán)境提出了處理手段，雖然它在精度，覆蓋范圍，可靠性，成本和復(fù)雜度，可擴(kuò)展性等方面仍存在不足，但隨著理論的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)一步提升，必定會(huì)催生出各種各樣實(shí)際的、方便人們生活的無(wú)線定位產(chǎn)品及應(yīng)用。

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作者單位

西安高新第一中學(xué) 陜西省西安市 710075