基于 WLAN 的室内定位技术

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1、基于基于 WLAN 的室内定位技术的室内定位技术基于 WLAN 的室内定位技术的产生和不断发展满足了人们对高带宽、高质量、低成 本的无线网络通信的需求，它具有以下优点： （1）减少组网成本。在网络建设中，组网是一项较大的支出，成本费用较高。而无线 局域网的安装就相对来说较为简单，无需复杂的布线或开挖沟槽。现如今，建筑内的 WLAN 网络已经基本铺设完毕，使得基于 WLAN 的室内定位技术更为方便。 （2）传输速率高。WLAN 的数据传输速率已达到 11Mbit/s，若再将正交频分复用 （Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）应用与 WL

2、AN 结合，速率可达到 54Mbit/s，为基于 WLAN 的定位技术奠定了很好的基础。 （3）可移动性。近年来，随着智能终端的逐渐普及，为 WLAN 的定位技术提供了可 移性的支持，使得基于 WLAN 的室内定位技术更加方便灵活。 （4）资源共享。WLAN 的数据传输速率已经达到较为乐观的速率，而且多个用户可 以共享同一接入点，因此，WLAN 网络在为用户提供上网服务的同时，也可以为用户提供 室内定位的相关服务。 因此，无论从市场定位方面还是技术层面，基于 WLAN 的室内定位技术都具有较大 的潜力和发展空间。通过无线局域网技术，人们可享有各种与位置相关的服务，如室内车 辆导航，安全管理、紧

3、急救援等便利服务。国内 Wifi 网络建设起步较晚，但近几年发展 迅速，应用前景也非常广阔，上海、北京等各大城市也相继计划建立起覆盖全市的高速无 线网络。 目前，国内外对基于 WLAN 的定位技术研究有很多，基于到达时间（TOA）和基于 到达角（AOA）等利用传统几何知识的方法对硬件要求较高，成本代价高，不适用于为人 们日常生活提供定位服务。而基于 RSSI 的定位方法是当前的主流技术和应用方向。一方 面，可以利用信号强度值通过计算移动定位终端到无线 AP 的距离，再利用三边测量法等 几何知识的方法计算待定位终端的位置；另一方面，可利用目前覆盖广泛的 WLAN 的基 础设施网络，将室内场所及密

4、集区域划分为小区域，通过采集小区域的信号强度集进行室 内定位的方法，即基于位置指纹的 WLAN 室内定位。 基于位置指纹的 WLAN 室内定位方法由于其在成本、定位精度及其系统复杂度等方 面具有非常明显的优势，迅速成为目前基于 WLAN 室内定位技术中的主流和国内外学者 争相研究的对象。但是，该技术仍然存在许多关键性问题有待突破。如在恶劣的室内环境 中，无线信号传播过程中存在反射、散射、衍射等现象，造成了多径衰落，众多室内墙壁 的遮挡也使得信号强度的分布更为复杂。另外，空气的流动、温度的变化、人员的走动都 会对信号传播造成影响。在同一空间的同一位置，信号强度也会随着时间的变化而不总是 一固定值

5、，不同移动终端在相同的位置上获取的信号强度值也不一定相同，信号强度具有 一定的随机性，这使得利用信号强度来进行定位难度加大。而且，虽然基于 WLAN 的定 位技术研究有很多，但是在成本和定位精度上还没有达到非常令人满意的效果，许多定位 方案需要重新部署 AP，部署成本高，对原有建筑内的 Wifi 网络改变较大，对人的工作和 生活带来了不便。而若基于现有的网络拓扑结构的情况下，由于大型建筑物的面积较大， 隔间及各种设施较为密集，这使得无线接入点的覆盖范围进一步缩小，无线网路信号非常 不稳定，如何根据位置变化自动适应网络变化及尽量避免较大误差奇异点是非常值得探究 的一个重要课题。而且，随着移动终端

6、的迅速普及，利用移动终端获取位置服务会给人们 带来极大的便利。但是当前很多位置服务的应用是在移动终端实现，使得本来电池容量就 不是很充裕的移动终端消耗更快，因此在移动终端进行位置计算不仅不太实用，而且会极 大地限制定位算法的复杂度，随着带来的就是定位精度的降低。本文从现有的基于 WLAN 的位置指纹的定位方法出发，充分利用现有的网络拓扑结 构，提出了一种新的自适应网络变化的位置指纹算法，该算法能够通过实施监控无线 AP 的匹配数，自动根据位置适应网络变化，使得定位精度明显提高。在此基础上为了减少无 线信号不稳定引起的较大误差点，提出了一种新的数据修正方法，该方法通过根据平均速 度动态调整预测标

7、准，将预测坐标与实测坐标加权，从而得到最终坐标。然后，基于现有 的无线网络拓扑结构，我们在实测环境中构建了一套基于 Win7 的主动室内定位系统，该 系统在移动终端发起定位需求时，通过收集无线 AP 的信号结合指纹模板库，并通过上述 改进的算法和数据修正方法在实测环境中进行验证，并将定位精度与传统中的位置指纹算 法进行了对比和分析。 最后，从另一个角度设计了一种被动定位的方式，即对进入到定位区域的开启 WIFI 的移动终端进行被动监测位置。具体地，后台服务器通过对定制化的路由器抓取移动终端 的信号强度信息，通过 NFS 服务器将该数据同步传输到后台服务器，后台服务器对数据通 过移动终端的 MA

8、C 地址进行筛选后将数据送入算法服务器，通过之前改进的位置指纹算 法最终得到某移动终端的位置信息。LBS 的研究与发展现状的研究与发展现状“你在哪里” ， “你和谁在一起” ， “附近有什么资源” ，1994 年美国学者 Schilit 提出的位置服务的三大目标。这三大目标分别体现了位置服务中的空间信息、社会信息、 信息查询，构成了 LBS 最基础的内容。简单地说，LBS 就是位置服务商通过定位技术获 取移动终端的位置信息，提供给移动终端用户本人或是其他通信服务系统，从而实现与位 置相关的各种服务。 1993 年，美国一女孩遭绑架后并被杀害，在这个过程中，女孩用手机拨打了 911 电 话，但是

9、呼救中心未能通过手机信号确定她的位置。这个事件促使美国联邦通信委员会在 1996 年推出一个行政性指令 E911，强制要求所有移动运营商为用户提供位置服务，即紧 急呼叫时提供呼救者的位置以便及时救援，政府的强制性要求和巨大市场需求使得定位技 术出现了前所未有的研究热潮。至此，早已非常成熟的 GPS 系统已经为人们室外的定位、 导航等方便提供了便利的服务。但据研究统计表明，人们超过 80%的通信和业务都来自室 内环境，而在众多墙边阻隔的室内环境中，GPS 信号非常微弱，且在室内环境中，人们需 要更高精度的位置信息，而我们迫切希望，能够在室内的任何地点和时间，也能通过无线 信号追踪到移动终端的位置

10、。 LBS 服务拥有强大的市场前景和巨大商机，随着位置信息技术的发展和应用需求的驱 动，位置服务必将成为人们日常生活、工作甚至娱乐的一项基本服务。针对 LBS 的服务 类型大致可以分为以下几个方面： （1）主动请求位置服务查询。无论任何时间或任何地点，用户都可通过自身的移动终 端设备查询自身或其他事物所处的位置信息。如，在大型商场或博物馆等，人们可通过位 置服务查询感兴趣的事物所在位置；公交车站，可查询即将到来的此站所有的公交车信息， 极大地便利了人们的生活。 （2）位置跟踪或导航服务。系统可根据移动终端发射的信号自动查询目标的位置信息 并持续跟踪或为用户提供目的地的导航服务。如：车载导航或智

11、能手机都可为人们提供位 置导航服务；实时追踪老人或小孩的位置，保证他们在安全的区域内。 （3）位置通知服务。在订购特定服务的用户到达服务区域中，服务商会通过向用户发 送图片或文本短信的方式为用户提供特定的服务信息，或是广告商自动向移动用户发送广 告短信。（4）基于位置信息的游戏。早在 04 年，加拿大的 Bell 移动公司就推出了全球首款 基于 GPS 的移动游戏 Swordfis。当前室内定位技术当前室内定位技术随着更多新型智能设备的产生及物联网技术的飞速发展，人们对于位置感知的服务提 出了更多的需求和服务。室外环境中，以 GPS 为首的定位服务已经非常成熟，与地图的结 合更是广泛应用于军事

12、、民用等各个领域，数年来深深影响了人们的生活、工作等各个方 面。但是在建筑物遮挡的室内环境中，GPS 信号极其衰弱，因此人们迫切希望在室内也能 享受到定位及导航服务，因此室内定位技术的发展所带来的巨大的应用和商业潜能使得国 内外学者纷纷加入到基于位置服务的室内定位技术研究的行列中。 当前，多种室内解决方案被提出，如超声波技术、蓝牙技术、红外线技术、射频技术、 Zig Bee 技术、无线传感器定位 AGPS 定位技术、超宽带技术及无线局域网技术等。 （1）蓝牙技术是一种低功耗、短距离的无线传输技术，可以实现不同无线设备间的短 距离互联。只需在室内部署适当的蓝牙局域网接入点，配置多用户的基础网络连

13、接模式， 就可实现利用蓝牙技术实现室内定位的目的。但蓝牙室内定位虽然信号传输不受视距的影 响，但只适用于室内短距离定位，不适合大范围内的室内定位。 （2）Zig Bee 技术是一种典型的低功耗、低成本的新兴无线自组网技术，也可用于室 内定位。Zig Bee 技术有其无线标准，可通过数量较多的微小传感器之间相互协作，以接力 的方式实现定位，但传输速率不高。 （3）超声波定位技术是利用超声波在物体间的反射求取距离，再通过三边定位法等几 何算法估计出待定位物体的位置。此方法定位精度高，结构简单，但受非视距传播影响及 超声波多径效应影响较大，而且需要大量的硬件设备支持，成本投资较大。 （4）基于无线传

14、感器的室内定位技术，通过事先在感兴趣区域部署大量的无线传感器 锚节点，且这些锚节点的位置已知，当携带无线传感器节点的待定位物体进入到定位区域， 接收到来自各锚节点的信号强度统一发送给连接计算机的基站，基站节点根据接收的信号 强度求得与各锚节点的距离，再通过三角形定位法等计算出待定位物体的位置坐标。由于 无线信号传感器的功耗问题及无线信号特别容易受到复杂室内环境及反射、衍射等多径效 应的影响，即使同样距离的两节点的信号强度有时也会相差较远，定位精度仍需提高。 （5）超宽带技术具有带宽大，抗多径效应好，安全性高、定位精度极高等多种优势可 用于室内定位、追踪及导航服务。但超宽带技术难以实现大范围的室内覆盖，且不支持在 手机上使用，定位成本太高，不适用于日常室内定位的服务。 （6）随着 IEEE802.11 标准的制定和发展，WLAN 技术迎来了前所未有的研究浪潮。 因其覆盖范围广，网络传播速度快，网络建设成本低等优势，切合了人们对于移动办公、 移动娱乐的需求，几年来无线 AP 也迅速地在大型建筑物普及，这些都为基于 WLAN 的 室内定位技术奠定了良好的基础。从定位技术的角度，这些定位技术各有利弊，根据不同 的定位环境可采取不同的室内定位技术。下图对当前的一些室内定位技术及特点作了概括 和比较：