单WiFi室内分米级定位技术探讨

2021-11-21杨树桦

无线互联科技 2021年4期

杨树桦

（上海航天技术研究院第804研究所，上海 201108）

0 引言

进入新世纪后，全世界都进入了互联网时代，台式电脑已经成为过去式，移动互联网设备成为主流，而移动互联网设备的核心就在于WiFi的使用。本文论述的主题是单WiFi室内分米级定位技术，该技术现在是计算机领域里的热门讨论话题和研究热点。单WiFi室内分米级定位技术主要是探讨不同传播环境下WiFi在室内定位表现出来的不同性能。

1 单WiFi室内分米级定位技术

1.1 室内定位技术的分类

现在使用的室内定位技术主要分为两个类型：第一种是定位算法下的室内定位技术，第二种是定位型号的室内定位技术。目前，关于室内定位技术的算法有很多种，但是主要被人们使用的是集合定位和指纹定位。集合定位：为了确定目标位置而使用几何属性来进行定位，常用的几何属性有测距、角度等。一般来说，测距会通过使用目标设备也就是发射端和接收端两个感应器进行精确定位来实现。这种操作的具体实现方式是目标设备向接收器发送一个时间信号，两者在传送的过程中会产生一段时间延迟，这段时间延迟就是这段距离的具体长度，这就是集合属性当中的定位方法[1]。这种定位方法主要是测算其中精确的时间延迟，通过时间延误计算实际定位，需要所有的发送设备和接收设备具备同样的时钟，不能有任何延误。TOF的算法的使用可以抵消其中产生的多种影响。就目前而言，这是简单而且精确的定位技术。

1.2 机遇测角度的定位算法

目前，除了室内定位算法，还有一种定额算法的定位技术，这是一种利用多个天线信号的算法，主要是利用几何关系的特点来对目标进行定位，这种方法仅需要两个接收器就可以实现。但对于定位精度而言，两个接收器是远远不够的，一般情况下需要最少三个甚至多个接收器才可以实现精确定位。

1.3 指纹定位

除了上述两种定位方法，还有，目前处于研究阶段的有指纹定位，首先这种方法需要使用手机，手机定位区域内的指纹特征；然后建模，就是建立数据库；最后是定位。这种定位方法类似于对比，原理是将目标指纹和数据库中的指纹对比匹配，得出最接近的指纹作为目标位置，这种方法比上述两种都要复杂，但是其好处是不需要配备硬件设备，大大降低了定位所需设备要求，这对于技术的推广使用是有好处的，因为其成本比上述两种都低很多，这就决定了其被广泛使用的属性，除了成本，使用复杂程度也相对较低，但也存在一定缺陷，就是建模时需要较多的准备工作，而且建立的数据库需要随时更新，因为数据库的环境和设备都不是恒定不变的，只要出现变化，数据库就需要进行更新。

1.4 定位信号类型

定位信号类型有很多种，但是目前常用的有红外线室内定位技术、RFID室内定位技术、UB室内定位技术、WiFi室内定位技术以及其他室内定位技术[2]。其中，第一种红外线室内定位技术是其中最常使用的，但只能在室内使用，无法穿透墙体，可以避开室外信号的干扰，可以保证不会受到无线电磁波的电磁干扰，而且红外线信号很容易覆盖使用者需要它覆盖的位置。

第二种是RFID室内定位技术。这是一种利用改变无线电频率的电磁场实现室内的定位，其成本较低，一般会使用于专业的商业化设备进行RFID的室内定位。

第三种就是UB。这是一种无载波的短距离通信技术，具有超强穿透力以及抗多径且具备超高数据传输。

第四种就是本文论述的主题WiFi定位技术。这种技术也是最常见的，因为WiFi网络以及移动设备在已经是常用的设备和技术手段了，这也是最近几年的研究焦点之一。对比于其他技术的，该技术成本最低，可以被大部分人使用，但也存在局限性，因为WiFi定位技术无法分多径，无法实现颗粒度，这对于定位的准确度有很大影响，怎么解决这个问题成为现在的主要讨论话题。除了上述四种主流的定位技术，还有一些诸如蓝牙、超声波等的室内定位技术，但是这几种技术都受制于环境的影响。无法保证定位的准确性，而且有的成本使用非常高。

2 WiFi室内分米级定位技术分类

2.1 基于RSI测距的WiFi室内定位技术

一般来说基于RSSI的定位可以被分为两种：一种是测距，另一种是非测距。本文讨论的是测距的定位技术，这种技术获得接收器和发射器之间距离是通过路径而获得的。但是在室内条件下，RSSI会受到多径的影响，因此对于高精确度的室内定位，其无法被使用的，因为其最高精确定位仅处于米的级别，这是精确度很差的一种定位。

2.2 基于CSI测距的WiFi室内定位技术

这是一种对环境变化产生影响的技术，是室内定位技术的主流方法，可以满足测距和测角度两种室内定位技。该技术的关键为路径损耗模型当中的粒径损耗指数确定以及直达路径功率的提取。现在很多研究人员对其进行研究，但是没有办法改变其精确度，其保留在米级别，这是因为WiFi的带宽限制，使这种路径已经是到了极限，目前为止还是没有办法突破这个瓶颈。

3 传播环境的算法

现在由于环境的不同，所受到的影响也会有所不同，观测时间更是不一样，很难从中得到识别，不同的环境有不同的设备。如静态环境下使用硬件设备噪声，利用周围环境噪声对CPA的波动变化影响，这是在动态下切换对于CPA波动影响的变化，但是这种检测器对于静态环境下是不能被使用的。一般来说，传播方式影响比较小的是红外线室内定位技术，无法穿透墙壁因此可以避开室外信号对其的干扰，这就可以保证其不会受到无线电磁波的电磁干扰，而且红外线信号很容易就可以覆盖使用者需要覆盖的位置，这也是归结于它的可调节属性。但也存在一些缺点，例如精确度很容易受到影响，这是因为多径误差显著而导致的，如果要保持高精确度，就需要在所有需要检测的地方都放一个接收器，但是这会导致使用成本的增加，所以只能在距离较近的情况下用于查看，而且在室内或者室外使用的时候都会受到光线的影响，因此这种定位技术仅限于室内的小范围使用，不适合在室外使用[3]。外界环境很难对其进行干扰。RFID室内定位技术，利用改变无线电频率的电磁场实现室内定位，这是一种成本比较低的定位技术，一般会使用于专业的商业化设备进行RFID的室内定位，这种定位技术非常精确，可以达到毫米级别，但是这种昂贵的设备被使用的次数限制，最常用的还是WiFi。虽然会存在一些缺点，但是这些都是可以被接受的，因为一般的检测没有必要太多精确的定位，只需要达到WiFi这种级别的精确度就可以。

4 国内外室内分米级定位技术现状

现在国内外都在积极对室内分米级定位技术进行研究探讨，因为现在是网络信息的时代，WiFi对于移动网络设备而言是非常重要的。WiFi技术是起源于外国，很多WiFi室内定位技术都是从国外引进国内。目前，国内的WiFi室内技术还是学习的阶段，尚未可以达到一个很高的程度，对于定位技术主要分为两个不同的流派类型，这两种类型都是基于接收信号的强度指示来分类的，一种是CSI技术，另一种是AOA定位技术。最近一段时间美国斯坦福大学进行了新的定位技术改良，在空间算法基础上进行了技术改进，提出一种超分辨率算法，这种算法可以让先有的WiFi设备实现分米级别的定位。中国的定位技术也是在不断进步当中，相信不久的将来可以和国外并驾齐驱。