常見室內(nèi)無線定位技術的研究與探討VIP

1、常見室內(nèi)無線定位技術的研究與探討夏焌峰（大連海事大學 信息科學技術學院,遼寧 大連116026)摘要：針對近年來定位技術的應用越來越廣泛，并且新興的定位技術發(fā)展迅速，通過對常見的幾種室內(nèi)無線定位技術的介紹，討論無線定位技術在室內(nèi)實現(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。關鍵詞：無線、定位技術、比較、解決方案1 引言 近年來移動互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展1，數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務快速增加，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，例如在超級商場，通過獲得消費者個人位置信息和目標商品位置信息，進行路線指引，實現(xiàn)智能導購；在突發(fā)災難中，通過室內(nèi)定位，引導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)療設備的管理等。實現(xiàn)低成本且高精度的室內(nèi)定位，具有非常重要的現(xiàn)實意義。GPS 1是目前廣泛應用于航空航海、車輛導航等領域的室外定位技術，其優(yōu)勢在于衛(wèi)星的大面積有效覆蓋和定位導航信號免費；缺點是終端成本較高和定位精度誤差源影響較大。GPS定位信號較弱，無法穿透建筑物，建筑物內(nèi)搜到衛(wèi)星的數(shù)量很難達到4顆以上，無法通過解算偽距得到當前位置，因此GPS等衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)不適合室內(nèi)定位。室內(nèi)定位技術解決方案主要有：A-GPS定位技術、超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術、超寬帶技術、無線局域網(wǎng)絡等。2 常見無線定位技術介紹及比較2.1 常見無線定位技

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

4、藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。2.1.2紅外線定位技術紅外線室內(nèi)定位技術定位的原理是，紅外線標識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學傳感器接收進行定位。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使其室內(nèi)定位的效果很差。當標識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。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射頻識別技術（RFID）射頻

5、識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息， 且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術。目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優(yōu)點是標識的體積比較小，造價比較低，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（UWB）超寬帶技術是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的通信新技術。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以下的極窄脈

6、沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.110.6GHz量級的帶寬。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)、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術可以應用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。2.1.5 Wifi技術無線局域網(wǎng)絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，而網(wǎng)絡節(jié)點自身定位是大多數(shù)應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解

7、決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網(wǎng)絡結構，系統(tǒng)總精度高。芬蘭的Ekahau公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進行室內(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Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴于合成的信號強度圖，那么在樓層定位上很容易出錯。目前，它應用于小范圍的室內(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ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(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)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。2.2 常見無線定位技術比較表1 常見無線定位技術比較23定位精度可靠性使用成本安全性藍牙技術5米中高中紅外線技術5m低中高超寬帶技術0.15m低高低射頻技術1m中低中Wi-Fi技術1.5米低低中Zigbee技術3米高低高3 室內(nèi)定位技術解決方案介紹3

9、.1 谷歌方案谷歌手機地圖6.0版的時候已經(jīng)在一些地區(qū)加入了室內(nèi)導航功能，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、手機基站以及根據(jù)一些“盲點”（室內(nèi)無GPS、wifi或基站信號的地方）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)布了一個叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手機應用，號召用戶按照一定的步驟來提高室內(nèi)導航的精度。谷歌一直在努力解決兩個問題：獲取更多的建筑平面圖；提高室內(nèi)導航的精度。建筑平面圖是室內(nèi)導航的基礎，就如同GPS車用導航需要電子導航地圖一樣。谷歌目前想通過“眾包”的方式解決數(shù)據(jù)源的問題，就

10、是鼓勵用戶上傳建筑平面圖。另外，用戶在使用谷歌的室內(nèi)導航時，谷歌會收集一些GPS、wifi、基站等信息，通過服務器進行處理分析之后為用戶提供更準確的定位服務。3.2 洛基亞方案諾基亞采用的是HAIP技術，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牙協(xié)議的一部分，這樣只要你的設備帶有藍牙模塊，就能夠使用這種技術進行定位。當然，僅有一個藍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，通過這兩者之間的通信完成定位。這種發(fā)射臺可以覆蓋100m100m的范圍，定位精度在30cm100cm，據(jù)說這種發(fā)射臺還有成本低、功耗低等特點，一臺或多臺都能完成定位。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、藍牙或NFC等技術來提供室內(nèi)定位系統(tǒng)支持。更強大的是，該芯片可以結合其它傳感器，例如手機里的陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等，將你位置的變化實時計算出來，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)置到智能手機里。3.4 IndoorAtlas方案IndoorAtlas是一家專注于室內(nèi)導航解決方案的公司，剛成立不久。IndoorAtlas的方案基于地球磁場，依據(jù)是每一個具體位置的磁場信息都不一樣。不過使用這種技術進行導航比較麻煩，首先用戶需要上傳建筑平面圖，然后

12、還需要你拿著移動設備繞室內(nèi)一圈，記錄下各個位置的地磁信號特征，這些信息需要上傳到IndoorAtlas的服務器。最后，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包開發(fā)一個應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果）。3.5 Qubulus方案跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根據(jù)無線電信號（Radio Signature）來定位。每一個位置的無線電信號數(shù)量、頻度、強度等也是不同的，Qubulus根據(jù)這些差異計算出你的具體位置。使用Qubulus的方案，你同樣需要收集室內(nèi)的無線電信號。Qubulus也提供了開發(fā)工具包，很容易

13、申請下來。開發(fā)工具包里有一個例子，可以使用Eclipse直接編譯通過。3.6杜克大學方案杜克大學則借助現(xiàn)實生活中路標（landmarks）的思想，正在開發(fā)一個叫做UnLoc的應用。此應用通過感知wifi、3G信號死角，以及一些運動特征，如電梯、樓梯等，并根據(jù)這些位置已知的路標來計算你的位置。當你移動的時候，就根據(jù)其他感應器（ 陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等）來跟蹤你的位置。這一過程精度會逐漸降低，但當你到達下一個路標時，位置就會被校準。4.總結通過對常見的幾種室內(nèi)定位技術的了解及比較，可以看出每種方法都有其優(yōu)缺點，在室內(nèi)這樣比較復雜的環(huán)境里，相對而言ZigBee 技術有更多的優(yōu)勢，也正被應用到住宅、酒店、寫字樓等場所，前景也十分可觀，但如果能將衛(wèi)星導航技術與無線定