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1、WLANWLAN 指南针（指南针（WLANWLAN 无线定位方案）无线定位方案）上一期 TAG 定位方案，好多人评论说贴个标签来定位太麻烦了，能不能直接靠 无线 AP 自己就完成定位过程？答案是肯定的，也就是今天要介绍的纯无线定位 方案。 纯无线定位方案利用了一些标准的 Wi-Fi 报文来完成终端存在和场强的探测。 只要客户的无线终端接入 Wi-Fi 就可以被定位，不需要提前分发标签。这个方 案非常适合人员流动比较频繁的场景，例如游乐场，商场，地下车库等等，可 以用于室内导航，车位查找，客流分析等等。 但是有得必有失，现在无线终端的类型五花八门，使用的操作系统、版本、手 机硬件的支持情况都不一
2、而足。所以纯无线定位方案的精准度跟终端的支持情 况也有一定的关系，而且考虑到无线信号容易被遮挡，衰减，想要准确通过场 强三点定位出来终端所在的位置，技术上也是相当有难度了。下文便将一一道 来。 另外，本期专题就是“看见 WLAN 系列专题”第一季的终结篇了。此后“看见 WLAN 系列”就将暂告一段落。我的同事们也将投身于更加如火如荼的企业网络 的建设工作当中。在此感谢大家整整一个月以来的陪伴，期待我们下次“遇见” ！1.11.1 WLANWLAN 无线定位概述无线定位概述1.1.11.1.1 WLANWLAN 无线定位背景无线定位背景随着无线网络、移动通信、终端数据处理和普适计算(Pervas
3、ive Computing 或 Ubiquitous Computing，也称泛在计算)等技术的发展及其应用领域的扩大，结 合先进移动通信和网络技术的位置服务(Location Based Services, LBS)及位 置感知计算(或上下文感知计算, Location/Context-aware Computing)随之成 为最具市场前景和发展潜力的移动互联网增值业务之一。 典型的 LBS 服务的例子有商场店铺导航、地下车库逆向寻车、周边人物和资源 查找、兴趣点推荐、旅游导航、会议指南等。从技术角度讲，LBS 中的核心任 务是目标人或物的定位。无论是在空旷还是遮挡的室内外环境下，LBS 中
4、快速 准确地获得移动终端位置并继而提供相应定制化、高质量信息和服务的需求日 益提高。 基于 IEEE 802.11a/b/g/n 通信协议、具有较灵活拓扑架构的无线局域网(WLAN) 在机场、校园、医院、商业区、餐饮娱乐场所和住宅小区等各种场景中的泛在 分布，以及在 PDA、笔记本、上网本、MP4、智能手机等移动终端设备中的广泛 支持使得基于 WLAN 的定位技术具有成本低、覆盖广、精度高等优势。WLAN 定 位技术中尤以基于接收信号强度的定位为其主要研究和应用方向，该类技术与基于信号到达时间(TOA)和信号到达角度(AOA)等传统几何原理的 WLAN 定位相比， 它不需要添加额外的硬件设备来
5、进行时间和角度的精确同步与测量，能充分利 用现有覆盖广泛的无线局域网设施，便捷高效地将高质量定位的应用范围延伸 到密集城区和室内，进一步降低了部署成本。1.1.21.1.2 WLANWLAN 无线定位场景无线定位场景虽然全球定位系统(Global Positioning System, GPS)是迄今应用最为成功的 定位系统，它通过 GPS 卫星信号接收机捕获、测量来自至少 4 颗在轨卫星的广 播信号到达延迟时间来估算终端位置，可以提供覆盖全球范围以及高精度、全 天候的连续定位能力。 但是在室内和高楼密布的城区等信号遮挡严重的密集环境中，由于接收机捕获 不到足够强度的卫星信号，GPS 的定位质
6、量难以得到保证甚至无法完成定位， 使其可用性受到严重制约。所以室内环境的定位是 wlan 无线定位的主打场景， 如商场购物中心、交通枢纽（机场、地铁）、医院、会展中心等。 室内环境定位场景划分标准不同，场景不同： 1. 按照空间视觉受限程度：分为视距场景、非视距场景；视距场景：空旷场所，视觉无遮挡可一览无余的区域，如 商场天井、大 会议室、大型体育场；非视距：有遮挡，视距受限、空间形状曲折区域，如走廊、过道等区域；2. 按照业务转发能力与定位的平衡性区分：轻载接入场景： 终端带宽：100-200kbps； 用户：访客为主 业务：qq、微信、微博，web 访问；高密接入两大场景： 覆盖密度高：每
7、平方米超过 1 人 AP 双频工作，每个 AP 约 50- 60 人并发； 终端应用丰富：基本数据业务，高带宽视频业务3. 按照定位用途不同，分为 TAG 终端定位、移动智能终端定位（手机、 pad）：4. 按照定位实现技术方式，分为终端侧定位、网络侧定位：1.21.2 WlanWlan 定位定位 原理篇原理篇WLAN 系统中定位技术主要有基于 TOA/TDOA/AOA 的三角定位、信号强度定位等 技术。其中，信号强度定位技术主要包括最强基站法/信号强度指纹/信号传播 模型定位等方法。1.2.11.2.1 基于基于 TOA/TDOA/AOATOA/TDOA/AOA 的定位的定位WLAN 定位系
8、统中也可以基于 TOA/TDOA，AOA，RSSI 等进行三角测量和定位。然 而，在 WLAN 低功率无线设备组成的高密度网中，由于各设备之间的同步很难实 现，利用 TDOA 估计距离也很难实现。尽管可以通过测量 TOA 来估计距离，但是 障碍密集地区如室内等环境中用户之间的距离较短，AP 的覆盖范围往往不超过 100 米，无线电波的传输时延可以忽略不计，并存在较严重的衍射和绕射等非 直线传播情况，而且同一用户信号的各条多径分量在时间上相当接近，需要对 设备的分辨率进行改进以区分时间上如此接近的各条多径。所以，精确的 TOA 或者 TDOA 估计，需要借助于更先进的数字信号处理技术来实现。另外
9、，墙壁、人体等影响信号传播的障碍物很多，无线信号存在反射和散射现象，到达接收 机的信号是发射信号经过多个传播路径（存在非视距）之后各分量的叠加。不 同路径分量的幅度、相位、到达时间和入射角各不相同，使接收的复合信号在 幅度和相位上都产生了严重的失真，因此，AOA 也不适于室内无线定位。1.2.21.2.2 基于信号强度的定位技术基于信号强度的定位技术在基于信号强度的 WLAN 定位方法中，具体定位技术分别是最强基站法、传播模 型法和位置指纹法。WLAN 网络环境中基于信号强度的定位系统原理和架构可以 参考下图。最强基站法： 最简单的定位方法是将无线终端用于数据通信的接入热点的位置，近似地作为
10、无线终端的估计位置，此即最强基站法。该方法的精度受限于 AP 的覆盖范围， 难以精确定位。传播模型定位： 是根据接收信号强度随传播距离远近而改变的空间变化性规律（即信号强度路 径传播损耗规律）来确定 WLAN 热点与用户终端之间物理距离，从而利用三角测 量和计算原理完成定位的。基于电波传播模型的接收功率与目标( 干扰源) 的地理位置坐标( X, y ) 之间 的关系一般说来是非线性的。但通过变换， 把原来非线性方程线性化， 并利 用广义逆和共扼梯度法计算由接收机的接收功率来确定目标的地理位置坐标。 根据自由空间路径损耗公式，通过 N 个接收机就可以得到下列方程组即可。位置指纹定位 在 WLAN
11、 网络环境保持不变的条件下，根据空间某位置处不同时刻无线信号强度 变化趋势相同的时间一致性规律，基于场景分析原理，通过匹配实测信号与信 号采集指纹之间相似度来确定用户终端位置。 以终端侧定位为例：WLAN 中用户终端网卡主动扫描或被动监听其接收范围内各 WLAN 信道上 AP 的信号，通过被动监听或主动扫描所接收到的某种 IEEE 802.11 协议数据帧中的 MAC 地址和 SSID 来辨识所有 AP，并收集记录其相应的数据， 如 AP 的 RSSI 值大小以及 AP 是否加密等。表格 1 中是 WLAN 终端扫描或监听所 返回 AP 及其相关属性的典型示例。WLAN 中研究和应用最为广泛的
12、信号强度定 位技术便是以上述无线信号扫描和监听结果为基础展开的。WLAN 中首个定位系统 RADAR 由微软研究院的 Bahl 等人于 2000 年设计提出，其 使用的是信号强度指纹定位技术。指纹定位主要分为离线训练和在线定位两个 阶段。离线阶段在目标区域内，WLAN 终端在有限个样本点处从周围的 AP 采集 信号，测量从邻近若干 AP 接收的信号强度，并记录自身位置。同时，终端捕获 观测 AP MAC 作为识别信息。然后将包含 AP 识别信息、AP 信号强度和对应观测 样本点位置等信息的先验数据保存，建立信号指纹数据库。为提供较准确和完 整的指纹记录，离线指纹的收集需以足够密度覆盖整个物理空
13、间。基于上述采 集好的信号指纹数据，在实际定位阶段，定位终端扫描接收范围内的各个 AP， 并根据各 AP 的信号强度，在指纹数据库中找出与所观测 AP 信号强度最接近的 一条指纹记录，并将此记录中的位置信息作为终端的位置。网络侧定位与之类似，只不过后台的定位服务器中保存场强指纹数据如下：目前业界主流的网络侧定位方案，基本采用位置指纹定位方法。我司当前合作 的网络侧 wlan 定位方案，也是采用此方法。1.2.31.2.3 我司当前定位方案原理我司当前定位方案原理1) 离线采样阶段: AP 采集手机终端信号场强 RSSI,将终端物理位置与至少 3 个 AP 采集的场强值进行对应绑定，形成场强指纹
14、库位置， RSSI(AP1，AP2，AP3,)2)实时定位阶段：3 个及以上热点收到 STA 业务数据（或收到 sta 发出 probe 探测帧）， 生成 RSSI 场强 报文，上送到定位服务器定位服务器根据事先采样生成 RSSI 场强指纹数据库sta_位置，热点 1_mac,RSSI_热点 1, 热点 1_mac,RSSI_热点 1, 热点 1_mac,RSSI_热 点 1，根据上报的场强报文进行比对计算，计算出 sta 的位置；Sta 位置通过热点 p 后台服务器，发到手机热点 p 客户端软件，实时显示 1.31.3 WlanWlan 定位定位 实现篇实现篇1.3.11.3.1 场景与定位
15、方案场景与定位方案1.3.21.3.2 定位系统框架定位系统框架图 无线定位系统基础架构 无线定位系统采用无线实时定位系统架构，其主要构成有：终端层:包括智能手机、pad 平板。网络层：无线 AP,AC 接收 STA WIFI 模块发送的无线射频信号，将数据通 过网络平台转发给定位引擎。应用层：包括定位服务器（地图服务器），接收由无线 AP 传回的场强报 文，通过场强定位等算法，计算 STA 所处位置。并将位置信息，传送给定 位管理系统。应用层：定位管理系统,接收定位服务器传来的位置信息，并将 STA 位置 显示在平面图上。同时定位管理系统还可用于对 STA 的路径管理/追踪。应用层:数据分析
16、平台,基于 STA 的位置，进行客流分析，精准营销，进一 步发掘位置的商用价值集1.3.31.3.3 定位能力及定位能力及 LBSLBS 应用应用定位能力：与网络 AP 部署疏密程度、AP 工作方式及配置紧密相关。LBS 应用： 实时定位应用：（店铺导航）顾客点击商铺具体位置，进行线路规划，指引顾客到达店铺， 参与活动。（逆向寻车）顾客停车后，在手机终端 App 软件设定当前停车位置；购物 完毕，在停车场所在楼层，点击手机终端 App“逆向寻车”按钮，实施导 航到停车位。（app 客户端精准营销）基于终端位置的商业信息广播发布和个性化推送 非实时定位应用：客流统计分析，包括用户实时位置数据、区域流量统计数据 和历史位置数据，1.3.4 定位方案工作模式1.3.51.3.5 定位方案网络结构定位方案网络结构1.3.61.3.6 定位方案限制与约束定位方案限制与约束室分场景不支持室外定向天线 AP 覆盖场景不支持；
