常見室內(nèi)無線定位技術(shù)的研究與探討

1、常見室內(nèi)無線定位技術(shù)的研究與探討夏焌峰（大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連116026)摘要：針對近年來定位技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，并且新興的定位技術(shù)發(fā)展迅速，通過對常見的幾種室內(nèi)無線定位技術(shù)的介紹，討論無線定位技術(shù)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)的可能性以及各種方法的局限性，為使用者提供一些參考。關(guān)鍵詞：無線、定位技術(shù)、比較、解決方案1 引言 近年來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展1，數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)快速增加，人們對于室內(nèi)定位的需求日益增加。室內(nèi)定位對于城市居民來說越來越重要，例如在超級(jí)商場，通過獲得消費(fèi)者個(gè)人位置信息和目標(biāo)商品位置信息，進(jìn)行路線指引，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)購；在突發(fā)災(zāi)難中，通過室內(nèi)定位，引導(dǎo)救援人員以最快速度解救大

2、樓內(nèi)被困人員；在醫(yī)院里，病人的監(jiān)控以及醫(yī)療設(shè)備的管理等。實(shí)現(xiàn)低成本且高精度的室內(nèi)定位，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。GPS 1是目前廣泛應(yīng)用于航空航海、車輛導(dǎo)航等領(lǐng)域的室外定位技術(shù)，其優(yōu)勢在于衛(wèi)星的大面積有效覆蓋和定位導(dǎo)航信號(hào)免費(fèi)；缺點(diǎn)是終端成本較高和定位精度誤差源影響較大。GPS定位信號(hào)較弱，無法穿透建筑物，建筑物內(nèi)搜到衛(wèi)星的數(shù)量很難達(dá)到4顆以上，無法通過解算偽距得到當(dāng)前位置，因此GPS等衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)不適合室內(nèi)定位。室內(nèi)定位技術(shù)解決方案主要有：A-GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)絡(luò)等。2 常見無線定位技術(shù)介紹及比較2.1 常見無線定位技

3、術(shù)介紹2.1.1 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC 以及手機(jī)中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍(lán)牙功能移動(dòng)終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時(shí)容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號(hào)傳輸不受視距的影響。其不足在于

4、藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。2.1.2紅外線定位技術(shù)紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位的原理是，紅外線標(biāo)識(shí)發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點(diǎn)使其室內(nèi)定位的效果很差。當(dāng)標(biāo)識(shí)放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時(shí)就不能正常工作，需要在每個(gè)房間、走廊安裝接收天線，造價(jià)較高。因此，紅外線只適合短距離傳播， 而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。2.1.3射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）射頻

5、識(shí)別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息， 且傳輸范圍很大，成本較低。同時(shí)由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。目前，射頻識(shí)別研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標(biāo)準(zhǔn)化等問題。優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)識(shí)的體積比較小，造價(jià)比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。2.1.4超寬帶技術(shù)（UWB）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)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈

6、沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.110.6GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。2.1.5 Wifi技術(shù)無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11的一種定位解

7、決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)測試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。芬蘭的Ekahau公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進(jìn)行室內(nèi)定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1米至20米的范圍內(nèi)，總體而言，它比蜂窩網(wǎng)絡(luò)三角測量定位方法更精確。但是，如果定位的測算僅僅依賴于哪個(gè)Wi-Fi的接入點(diǎn)最近，而不是依賴于合成的信號(hào)強(qiáng)度圖，那么在樓層定位上很容易出錯(cuò)。目前，它應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低。但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。2.1.6 Z

8、igBee 技術(shù)ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它介于射頻識(shí)別和藍(lán)牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術(shù)特點(diǎn)是它的低功耗和低成本。2.2 常見無線定位技術(shù)比較表1 常見無線定位技術(shù)比較23定位精度可靠性使用成本安全性藍(lán)牙技術(shù)5米中高中紅外線技術(shù)5m低中高超寬帶技術(shù)0.15m低高低射頻技術(shù)1m中低中Wi-Fi技術(shù)1.5米低低中Zigbee技術(shù)3米高低高3 室內(nèi)定位技術(shù)解決方案介紹3

9、.1 谷歌方案谷歌手機(jī)地圖6.0版的時(shí)候已經(jīng)在一些地區(qū)加入了室內(nèi)導(dǎo)航功能，此方案主要依靠GPS（室內(nèi)一般也能搜索到23顆衛(wèi)星）、wifi信號(hào)、手機(jī)基站以及根據(jù)一些“盲點(diǎn)”（室內(nèi)無GPS、wifi或基站信號(hào)的地方）的具體位置完成室內(nèi)的定位。目前此方案的精度還不是很滿意，所以谷歌后來又發(fā)布了一個(gè)叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手機(jī)應(yīng)用，號(hào)召用戶按照一定的步驟來提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。谷歌一直在努力解決兩個(gè)問題：獲取更多的建筑平面圖；提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。建筑平面圖是室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，就如同GPS車用導(dǎo)航需要電子導(dǎo)航地圖一樣。谷歌目前想通過“眾包”的方式解決數(shù)據(jù)源的問題，就

10、是鼓勵(lì)用戶上傳建筑平面圖。另外，用戶在使用谷歌的室內(nèi)導(dǎo)航時(shí)，谷歌會(huì)收集一些GPS、wifi、基站等信息，通過服務(wù)器進(jìn)行處理分析之后為用戶提供更準(zhǔn)確的定位服務(wù)。3.2 洛基亞方案諾基亞采用的是HAIP技術(shù)，具體是什么筆者也沒能查到更多的資料，不過諾基亞正在努力使它成為藍(lán)牙協(xié)議的一部分，這樣只要你的設(shè)備帶有藍(lán)牙模塊，就能夠使用這種技術(shù)進(jìn)行定位。當(dāng)然，僅有一個(gè)藍(lán)牙模塊還不能完成定位，還需要在室內(nèi)安裝一種定位發(fā)射臺(tái)，通過這兩者之間的通信完成定位。這種發(fā)射臺(tái)可以覆蓋100m100m的范圍，定位精度在30cm100cm，據(jù)說這種發(fā)射臺(tái)還有成本低、功耗低等特點(diǎn)，一臺(tái)或多臺(tái)都能完成定位。3.3 博通方案博通公

11、司研制了一種用于室內(nèi)定位的新芯片（BCM4752），具備三維定位功能（即你所在位置的高度也算出來）。這種芯片可以通過wifi、藍(lán)牙或NFC等技術(shù)來提供室內(nèi)定位系統(tǒng)支持。更強(qiáng)大的是，該芯片可以結(jié)合其它傳感器，例如手機(jī)里的陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等，將你位置的變化實(shí)時(shí)計(jì)算出來，甚至做到?jīng)]有死角。博通公司的如意算盤是將這種芯片內(nèi)置到智能手機(jī)里。3.4 IndoorAtlas方案IndoorAtlas是一家專注于室內(nèi)導(dǎo)航解決方案的公司，剛成立不久。IndoorAtlas的方案基于地球磁場，依據(jù)是每一個(gè)具體位置的磁場信息都不一樣。不過使用這種技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航比較麻煩，首先用戶需要上傳建筑平面圖，然后

12、還需要你拿著移動(dòng)設(shè)備繞室內(nèi)一圈，記錄下各個(gè)位置的地磁信號(hào)特征，這些信息需要上傳到IndoorAtlas的服務(wù)器。最后，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包開發(fā)一個(gè)應(yīng)用才能使用定位功能（IndoorAtlas的開發(fā)工具包可以在線申請，不過筆者申請了兩次都沒結(jié)果）。3.5 Qubulus方案跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根據(jù)無線電信號(hào)（Radio Signature）來定位。每一個(gè)位置的無線電信號(hào)數(shù)量、頻度、強(qiáng)度等也是不同的，Qubulus根據(jù)這些差異計(jì)算出你的具體位置。使用Qubulus的方案，你同樣需要收集室內(nèi)的無線電信號(hào)。Qubulus也提供了開發(fā)工具包，很容易

13、申請下來。開發(fā)工具包里有一個(gè)例子，可以使用Eclipse直接編譯通過。3.6杜克大學(xué)方案杜克大學(xué)則借助現(xiàn)實(shí)生活中路標(biāo)（landmarks）的思想，正在開發(fā)一個(gè)叫做UnLoc的應(yīng)用。此應(yīng)用通過感知wifi、3G信號(hào)死角，以及一些運(yùn)動(dòng)特征，如電梯、樓梯等，并根據(jù)這些位置已知的路標(biāo)來計(jì)算你的位置。當(dāng)你移動(dòng)的時(shí)候，就根據(jù)其他感應(yīng)器（ 陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等）來跟蹤你的位置。這一過程精度會(huì)逐漸降低，但當(dāng)你到達(dá)下一個(gè)路標(biāo)時(shí)，位置就會(huì)被校準(zhǔn)。4.總結(jié)通過對常見的幾種室內(nèi)定位技術(shù)的了解及比較，可以看出每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在室內(nèi)這樣比較復(fù)雜的環(huán)境里，相對而言ZigBee 技術(shù)有更多的優(yōu)勢，也正被應(yīng)用到住宅、酒店、寫字樓等場所，前景也十分可觀，但如果能將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與無線定