Wi—Fi定位技术的优越性与发展前景

陈奕钢

摘 要 自进入现代以来，人类发展出多样化的定位技术。这些定位技术在特定的场景下有很好的应用，但也面临很大的挑战。例如基于卫星的GPS定位技术由于建筑物的遮拦而难以应用于室内，且存在較大误差；基于摄像头的目标跟踪定位技术对光照条件与图像处理能力有较高要求等。相比较之下，Wi-Fi定位技术则可以克服这些困难并已经发展出了多种多样的定位方法，在生活、生产、商务、公共服务上可以产生大量便捷的应用。本文将通过比较Wi-Fi定位技术与传统定位技术的差异来说明其适应的场景与优势，并探讨Wi-Fi定位技术的发展前景。

【关键词】室内定位技术 RSSI CSI MUSIC算法

1 背景

人们从很早以前就开始利用无线电来进行对物理环境的感知，典型的应用包括探测空间中飞行器的雷达系统——通过分析无线电信号（即雷达发射的无线电波飞行器反射后回到雷达无线或飞行器自身发出的无线电波），判断飞行器的出现、种类以及运动信息。

就室内定位环境而言，信号发射机产生的无线电波经直射、反射、散射等多条路径传播，在信号接收机处形成多径叠加信号。多径叠加信号受物理传播空间影响，并携带反映环境特征的信息，这些信息就是Wi-Fi定位的基础。

2 不同Wi-Fi定位技术原理及优缺点

2.1 环境模型

在无线局域网覆盖的区域，佩戴在人员身上的无线信号发射装置周期性的发出信号，分布在区域两对角的无线局域网访问点（AP）接收到经过多径叠加的物理信号后，提取信号相关信息并传递给定位服务器。服务器根据相应的算法进行计算，得到的定位结果可是作为下一步服务的参考数据。

无线通信有三个主要物理参数分别为信号能量（Power），信号的到达角度（AoA）和信号的传输时间（ToF）。定位的数学模型有两种，一种称为几何法，它主要利用信号的几何参数（例如传输距离，传输角度等）结合几何性质来进行定位；另一种称为指纹法（fingerprinting），它是利用信号的物理参数在空间中的各个点的分布值不同，采用一种类似于指纹识别的方式来进行定位。因此，下面的讨论将围绕这三个物理参数和两种定位方法进行。

2.2 基于信号能量和几何法定位

接收信号强度显示（RSSI）是接收机对于接收到的无线信号能量的一种衡量指标。如果已知发射端的发射功率和接收端的接受功率，那我们就可以通过一台无线AP，计算出一条路径的距离信息。这样在我们的系统模型中，两台AP就可以得到两条路径的距离信息。又由于AP之间的距离可以预先测量，这样通过简单的三角计算，我们就可以定位出人在房间中的位置。它的优点在于理论模型非常简单，且对于商用的无线网卡来说，信号的接收能量、Gt、Gr都是可以提取出来的，所以实现也简单。它的缺点在于，多径传播限制了RSSI的精确度，例如在典型实验室环境下，一台静止的接收机在一分钟内接收到的 RSSI 可能出现 5dB 的波动。

2.3 基于信号能量和指纹法定位

我们可以发现对于室内中的每一个位置来说，其到AP的距离矢量组（d1， d2）是互不相同的。与此对应的是，AP对于一个位置发出的信号接收能量组（p1， p2）也不相同。因此这启发我们：对于房间中的每一个位置点，其在接收机看来都可以由一组唯一的向量组来进行描述。这就是利用指纹法进行定位的理论基础。

这种定位方法的优缺点也同样非常明显且与3.2很相似。其中一个很大的不同是，指纹法需要在定位前进行数据库的建立，即在定位前进行位置矢量与能量矢量组的采集。这是非常耗时耗力的，而且一旦环境发生一点点变化都有可能会改变已有的通信模型，就需要对数据库进行成本很高的更新，这是这种定位方法的一大劣势。其定位精度最好时可以达到0.6米。

2.4 基于传输时间和几何法定位

在一般实验中所使用的无线网卡都是遵循IEEE 802.11协议的。在实际的网络通信中，网卡收到的网络层包（packet）含有发射端的时间信息，具体为包结构中的某一域作为时间戳。这启发我们：如果能够测量出信号的传输时间，我们就可以得到发射端到接收端的距离，这样就可以利用3.2所述的三角法求出发射端的位置进行定位。庆幸的是，ToF（Time of Flight）也就是信号的传输时间，可以由接收端的接收时间减去包中含有的时间戳得到，因此使得距离变得可求。

这种定位方式的优点在于它的方法简单，但是它的缺点同样明显：我们难以改动网卡的驱动程序以提取包时间戳信息，尽管这是这种定位方式所必需的。同时，接收机两端时间上的偏差是不可避免的。再者，我们得到的ToF是粗略的ToF，它的值包括了硬件的处理时间与真正的传输时间，这些时间的偏差因极快的光速而在计算距离时会产生不可忽略的误差，降低定位精度。所以实验中很少使用这种方法进行定位。

2.5 基于到达角度和几何法定位

对于通过一条传输路径到达AP的信号来说，入射角度指的是其传输方向与AP天线法线的夹角。当发射端距离足够远时，其达到AP的无线电波可以视为一组平行波。这样对于相邻的天线来说，由于入射角的存在，会引入一段光程差dsinθ，由此使得相邻的两根天线接收到的信号产生一个固定的相位差：

Φ（θk）=e-j2π×dsin（θk）×f/c

其中d是相邻天线的间距；θk是第K条路径相对法线的入射角；f是信号的频率，c是光速。在排除了网卡内部晶振的相位差之后，我们可以由空间谱分析理论中的MUSIC算法，估计出传输信道中的N条传输路径的入射角度。

但是这N个角度信息不全是必要的，我们需要的只有由发射端直接入射到接收端的角度信息，这才是对定位有用的。

这种定位方式的优点在于相对于之前介绍的几种定位方法来说精确很多，而且实际上很多研究机构的研究方向也是基于空间谱分析MUSIC算法的。但是它的理论很难，同时在现实环境中由于障碍物等环境因素的作用，直接到达信号往往不存在，这样就需要对理论进行进一步完善。

3 应用场景

由于Wi-Fi定位精度较高，适用于室内，且成本低廉，它可以广泛应用于各种领域，通过佩腕表式、贴卡式、胸牌式等多种多样发射设备，我们可以实现Wi-Fi定位在多领域，多手段，多效果的应用。

3.1 工厂人员设备定位

通过在厂区内布设有限数量的基站，实时精确地定位员工、车辆、资产上的标签式发射装置位置，零延时地将人、车、物的位置信息显示在工厂控制中心，进行安全区域管控、人员在岗监控、车辆实时轨迹监控。精确管控以精益生产、合理调度安排、提高智慧工厂管理水平。

3.2 商业智慧楼宇定位

通过在展厅内布设有限数量的基站，实时精确地定位参观者佩戴的标签位置，零延时地将参观者的位置信息准确地将反映到展厅控制中心，以进行参观者实时位置定位、停留兴趣点分析、多媒体联动等，提升展厅展会参观者行為分析科学性，提供高科技的展厅效果体验。

3.3 监狱监所人员定位

通过在监狱、看守所内布设有限数量基站，实时精确地定位嫌犯、干警身上佩戴的标签位置，零延时地将两者的位置信息准确地将反映到监控室，有效进行警情预警、人员追踪、轨迹分析、聚众行为预判等。

4 对Wi-Fi定位的总结与展望

通过以上分析，我们可以认识到无线感知在 Wi-Fi 信号的局限性以及人们日益增长的环境感知需求两者之间的矛盾中寻求突破口，在低成本和高精度之间寻找平衡点，在频率多样性和空间多样性的综合利用上寻找解决方法，在移动计算和无线通信的交叉领域寻找应用机会。它相对于传统的定位方式具有天然的优越性，多种多样的定位实现方式又为不同环境提出了处理手段，虽然它在精度，覆盖范围，可靠性，成本和复杂度，可扩展性等方面仍存在不足，但随着理论的进一步发展，计算机处理能力的进一步提升，必定会催生出各种各样实际的、方便人们生活的无线定位产品及应用。

参考文献

[1]Manikanta Kotaru，Kiran Joshi， SpotFi：Decimeter Level Localization Using Wi-Fi，Stanford University，Stanford，CA，USA.

[2]ZHENG YANG，From RSSI to CSI：Indoor Localization via Channel Response， Tsinghua University.

[3]杨铮，刘云浩.Wi-Fi雷达：从RSSI到CSI[D].清华大学，2006.

[4]谢鹏程， 基于单摄像头的运动目标跟踪定位技术研究[D].北京信息科技大学仪器学院，2011.

作者单位

西安高新第一中学 陕西省西安市 710075