基于WLAN的室内定位技术研究

    胡嘉捷

    

    摘 要：文章以WLAN室内定位系统为研究对象，采用理论结合实际的方法，从数据库中获得RSSI序列，将之与指纹库的信息进行比对，最终获得了定位终端的位置，同时总结了定位系统的缺陷以及未来的发展方向。

    关键词：室内定位；无线局域网；非参数化定位

    随着无线局域网的发展和成熟，WLAN为人们提供了快速介入互联网的服务以及网络终端接入位置的信息。通过分析位置信息的及时性的强烈需求，对军事医疗等领域的定位服务给予准确的位置信息，将各国研发的全球定位系统和卫星导航系统等运用到商业领域中。其中的室内定位系统就是具有精确终端定位技术的无线定位技术，不仅实现了人们在室内的AP接入，还实现了无线局域网自身的定位，为基于WLAN的室内定位提供了硬件基础。

    1 无线定位技术说明

    WLAN技术发展循序，让网络的运行摆脱了线路的束缚，在不添加硬件的基础上，实现了网络的室内定位，文章提供了几种常见的无线定位技术，并进行了对比，如表1所示。

    通过网络的无线定位，物体在坐标系中的坐标被物体应用在导航技术上，能够帮助物体通过引导顺利达到目标位置。第二，通过对物体位置的获取，能够及时地获取物体的实时移动轨迹。运用图形化的方式为用户呈现直观的物体的位置。通过物体增值服务的开发获取关于物体位置的增值服务，得到广域定位的短距离定位，最终用于室外定位，获得红外线等短距离定位的方式[1]。

    室内环境由于空间相对封闭，因此信号的覆盖范围非常有限，不同的建筑物，包括室内的布置，建筑材料以及布局的结构等都会有很大的环境差异，当接收端收到的信号受到建筑物的阻碍发生信号损耗，则信号的覆盖范围可能受到影响，出现无线网络信号分布不均的情况[2]。

    2 室内环境下无线信道的特性

    无线信号在室内进行传播的时候往往受到众多因素的干扰，包括电磁波颜射、建筑内部的干扰、室内环境中的大型金属物等，所有这些都会对WLAN无线信号的接收产生干扰，如表2所示。室内的无线电波的传输，受到建筑材料、结构以及布局的影响，衰减的程度会发生不同。通过对障碍物穿过的WLAN信号的衰减情况的分析，可以得到隔墙衰减因子的数值。

    3 常见的室内定位方法

    3.1 基于红外线的定位方法

    这是采用红外线发射器和光学接收器进行发射，产生位于微波和可见光之间的电磁波，将定位系統中的位置固定在红外线的发射器上，采用定位精度较高的红外线系统进行定位，沿着直线传播红外线，定位中会产生很多的盲点，衰减红外线在空气中的传播，将红外线在空气中的传播采用短距离定位的方法，最终造成一定程度的干扰，对精准度产生影响[3]。

    3.2 基于超声波的定位方法

    这是采用固态、液态和气态3种介质进行传播的方法，随着环境温度的升高，超声波的耐性好，使用TDOA的方法进行定位，优势在于定位的精度较高，单个器件的结构简单，室内的多径效应严重，衰减较为明显，定位的范围会产生波速的变化，通过大量硬件设备的铺设，会产生较高的系统成本。

    3.3 基于超宽带的室内定位技术

    这种技术采用高速无线数据进行短程无线通信，UWB定位技术拥有的定位准确度较高，但是由于现行的协议标准不成熟，因此应用的范围不够广泛。

    3.4 蓝牙定位系统

    这是对设备通信进行短距离无线电的点到点通信，与WLAN的技术协议相同，室内安装蓝牙局域网进行接入点的连接，可以搭配出多用户的连接模式，获得用户的实时位置信息。

    3.5 基于WLAN基础上的数据传输的无线通信技术

    目前在很多场合中得到广泛的应用，除了通过WLAN接入Internet之外，WLAN还为人们进行室内的定位提供了多硬件的基础，如智能手机等为代表的室内定位技术。

    无线定位随着中间介质的不同，呈现出无线信号的强度衰减的特性，随着传播逐渐变小而发生了波动，当AP和客户端的位置固定不变，接收到的AP信号强度会发生小幅度的变化。

    目前基于WLAN室内定位系统做得较为成功的就是由微软公司开发的系统，这是一种建立在WiFi技术基础上的定位跟踪系统。

    4 基于WLAN的室内定位模型

    基于室内定位分类的方法采用最多的是建立在位置感知定位技术基础上的三角关系的定位，这种关系是因位置干技术为基准进行了3个方面的分类：一类是三角关系，一类是临近关系，一类为场景分析。

    室内定位技术在传感器类型的分类上，可以分为基于RFID系统的定位，基于UWB的定位，基与超声波系统的定位以及基于远红外线和蓝牙系统的定位。

    指纹定位方法在定位精度方面的限制因素，在某种程度上可以采用多径效应引起的信号的畸变，解决特殊环境下的路径损耗模型的误差，使得室内定位区域无线信号的数据，得到认真的分析，包括室内环境中光缆开关的状态、信号接收端的改变，接收信号的强度变化等。

    5 WLAN室内定位系统的设计

    定位系统的设计方法主要有两种，一种是建立信号传播距离损耗模型的方法，这种方法的优势在于对衰减进行精确的模型的计量，一种是基于RSSI位置指纹的定位方法，这种信号传播损耗模型的建立，是具有较高的定位标准精度的，而且不必考虑多线信号的多种效应的影响，采用RSSI位置指纹的定位方法获得现有WLAN网络中需要添加的硬件设备。

    制作室内环境的缩略图，使用位置拓扑图的方法，强化采样时的可视化管理。利用室内环境进行AP位置的部署，配置好AP和AC，无线局域网通过AP上网，也可以对室外周边的无线信号进行扫描，形成具有AP信号强度的AP信号强度序列。

    这种定位方法定位精度取决于离线时所建立的指纹库，采样点在位置视图中的摆放位置需要合理规划，同时需要存储大量的经验数据，信号传播损耗模型无需建立离线阶段的指纹库，定位精度应当尽可能符合实际，位置部署也尽量覆盖室内的各个区域。

    6 结语

    经过几十年的发展，无线网络技术基本已经在全球广泛部署，并由于其部署的灵活性和便捷性受到国内外用户的欢迎以及专家学者的广泛关注。无线定位技术也由最初的参数化定位方法向非参数化定位方法过渡，而且非参数化定位对信号的传播环境没有特殊要求，在室内领域的定位精度更高，使得利用其进行室内定位成为可能。