作者/魯逸文，湖北省恩施土家族苗族自治州高級中學(xué)

引言

在室內(nèi)通信環(huán)境中，定位信號(hào)在傳播過程中遭受嚴(yán)重的穿透損耗。同時(shí)，室內(nèi)信號(hào)反射更加嚴(yán)重[1]，加之室內(nèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致室內(nèi)定位精度降低，所以傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)定位。為了解決室內(nèi)定位的需要，迫切需要新的技術(shù)。本文通過對多種定位方法進(jìn)行分析比較，同時(shí)對于室內(nèi)場所特點(diǎn)進(jìn)行分析，從而選擇了不同室內(nèi)場所中適合的定位技術(shù)，本文工作對室內(nèi)定位技術(shù)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1.常見的定位技術(shù)

1.1 GPS定位技術(shù)

GPS定位技術(shù)（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是一種結(jié)合衛(wèi)星及通信發(fā)展的技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距。GPS定位技術(shù)無需sim卡，也不需要連接網(wǎng)絡(luò)，只要用戶處于室外環(huán)境中，則GPS定位基本上隨時(shí)隨地都完成準(zhǔn)確定位。

然而，GPS啟動(dòng)后用于搜索衛(wèi)星的時(shí)間較長，一般需要2分鐘左右（俗稱冷啟動(dòng)）。除此之外，由于受到穿透損耗以及更加嚴(yán)重的信號(hào)折射和反射，GPS定位在室內(nèi)定位過程中定位精度往往不盡人意[2]，從而導(dǎo)致了現(xiàn)如今成熟的室外定位技術(shù)無法直接應(yīng)用于室內(nèi)定位場景中。

1.2 WiFi定位技術(shù)

在覆蓋WLAN無線局域網(wǎng)的地方，佩戴在人員身上的定位卡或腕帶周期性地發(fā)出信號(hào)，無線局域網(wǎng)訪問點(diǎn)（AP）接收到信號(hào)后，將信號(hào)傳送給定位服務(wù)器[3]。定位服務(wù)器根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱或信號(hào)到達(dá)時(shí)差判斷出人員的位置，并通過電子地圖顯示具體位置。

在室內(nèi)定位技術(shù)中，WiFi定位的精度為米級，相比RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）、藍(lán)牙定位等達(dá)到亞米級定位精度的技術(shù)，要遜色很多。很多人認(rèn)為定位精度越高，定位所帶來的價(jià)值越高。事實(shí)上，定位精度的提高勢必帶動(dòng)成本的提高。此外，就目前的室內(nèi)定位需求，如商場客流分析統(tǒng)計(jì)、基于位置區(qū)域的廣告推送、定位拓?fù)浔O(jiān)控等，米級的定位精度意味著抬頭就能看見，已可以滿足大部分需求。

1.3 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙定位技術(shù)可以分為基于指紋匹配以及基于信號(hào)強(qiáng)度測量兩種方式[3]。藍(lán)牙定位技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是易部署、體積小、終端設(shè)備支持多以及另外一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)低功耗，這將給室內(nèi)定位解決方案的推廣帶來極大便利[4]。只要手機(jī)一直開啟藍(lán)牙，便可以獲得用戶的最新位置。采用另外的一個(gè)缺點(diǎn)為藍(lán)牙信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，受噪聲信號(hào)干擾大。

1.4 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位原理主要是通過計(jì)算電磁波在空間的飛行時(shí)間用光速來換算距離[5]，通過點(diǎn)對點(diǎn)或三角定位（TDOA（Time Diあerence of Arrival，到達(dá)時(shí)間差））的方式實(shí)現(xiàn)。感應(yīng)門禁卡和商場防盜系統(tǒng)用的就是這種技術(shù)。

表1 WiFi定位技術(shù)和藍(lán)牙定位技術(shù)對比

從表1中可以看出，WiFi定位技術(shù)在降低安全性的前提下，傳輸速率比藍(lán)牙出色，抗干擾能力強(qiáng)，且成本低，但是在穿透性方面就要遜色于藍(lán)牙。射頻技術(shù)因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)信息的交換，也就不予討論。

2.常見的定位方法

2.1 TOA

TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間)是基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測距方法，它是已知節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳播速度，再根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)接受到多個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)的信息后，再利用三點(diǎn)定位法或者兩點(diǎn)定位法，來確定該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置[6]。

2.2 TDOA

TDOA（Time Diあerence of Arrival，到達(dá)時(shí)間差 )是根據(jù)同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來測距的，在時(shí)鐘同步的條件下，同時(shí)發(fā)射兩種信號(hào)，由錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算出收到兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到鄰居錨節(jié)點(diǎn)的距離信息，然后利用三角定位方法進(jìn)行定位[6]。

2.3 AOA

AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角)是通過角度測量節(jié)點(diǎn)距離的，在該技術(shù)中，未知節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或者其他接收設(shè)備獲取參考節(jié)點(diǎn)無線信號(hào)到達(dá)方向，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對方向角，然后利用三角測量法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。

2.4 RSSI

signal strength indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示），該算法是由未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射無線信號(hào)，由接收節(jié)點(diǎn)測量接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度，通過信號(hào)強(qiáng)度，得出節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而再根據(jù)三角測量法或其他算法求解出定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。也就是首先計(jì)算出傳播過程中的路徑損耗，從而根據(jù)路損衰減模型估計(jì)待測點(diǎn)位置。

3.各個(gè)場所的具體分析和比較

3.1 小型場所

3.1.1 居民樓

用戶需要獲得自己或者家人實(shí)時(shí)的位置信息，居民樓是用戶最為經(jīng)常出現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境，作為私人場所，居民樓是人們生活的地方，用戶需要獲得自己或者家人實(shí)時(shí)的位置信息，同時(shí)在家中人們也有許多對定位技術(shù)的要求。居民樓一般空間狹小、密閉性較高，因此家中更適合用傳輸范圍小的藍(lán)牙和WiFi。

WiFi技術(shù)應(yīng)用普及，且價(jià)格低廉，因此WiFi定位技術(shù)可以作為家庭定位技術(shù)的首選。同時(shí)WiFi技術(shù)還具有定位精度較高、傳輸速率快的特點(diǎn)，能夠滿足人們處于類似居民樓的室內(nèi)環(huán)境時(shí)，對于精準(zhǔn)定位、傳輸速率的要求。但是WiFi技術(shù)的較高的傳輸速率是以犧牲安全性為前提的，也就使得用戶信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)增大。相比于WiFi技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)信息傳輸速率較低，但是藍(lán)牙的保密性比WiFi要好。

人們在像居民樓的室內(nèi)環(huán)境中時(shí)，由于此時(shí)娛樂時(shí)間比重高于工作時(shí)間，因此傳輸速率快的WiFi定位更合適，但也不能排除有時(shí)候需要傳送一些重要的隱私文件，所以藍(lán)牙也是很有必要的。

3.1.2 教室

教室是學(xué)生和老師經(jīng)常出現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境。基于學(xué)生職業(yè)的特殊性，教室等環(huán)境中定位技術(shù)適合使用射頻技術(shù)。因?yàn)樵谶@些場合中，很多時(shí)候只是需要位置信息，無需數(shù)據(jù)的相互傳輸（用打卡的方式出勤，只需要讓機(jī)器識(shí)別然后記錄下來）。雖然射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離較小，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息。它的標(biāo)簽的體積比較小，造價(jià)比較低。

3.1.3 辦公室（工作場合）辦公室空間一般都比較狹小，內(nèi)部環(huán)境異常復(fù)雜，但是對于處于類似辦公室的用戶來說，他們不止需要數(shù)據(jù)的相互傳輸，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄砸笠脖染用駱菆鼍爸幸摺４藭r(shí)，為了在保證保密的情況下傳輸信息，藍(lán)牙定位的應(yīng)用會(huì)更多。

3.2 中型場所

3.2.1 商場（體育館）

商場的特點(diǎn)是：空間大，內(nèi)部雜亂，密閉性較高。在這種定位場景中，若用藍(lán)牙技術(shù)，三角均勻部署等方式定位可以滿足人們對商品的精確定位。同時(shí)商場也可以使用WiFi技術(shù)，在人數(shù)很多的情況下會(huì)導(dǎo)致使用藍(lán)牙的人均傳輸速率降低。另一方面，商場可以通過WiFi來向人們發(fā)送一些圖片、視頻類的關(guān)于商品打折促銷的信息，而藍(lán)牙很難做到這一點(diǎn)。值得一提的是，在商場這些公共場合，部分人們會(huì)考慮個(gè)人隱私問題而不去連接WiFi，但對于大多數(shù)人來說，WiFi無疑是一個(gè)很好的選擇，同樣的體育館一類的場景也是如此。這些場景之中還有一些像電影院的特例，人們在這種場合通常需要更多的大量的信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止需要商品的位置，所以WiFi定位技術(shù)的適用性會(huì)更好。

3.2.2 停車場

在停車場，人們更多的是需要一個(gè)粗略的定位，在了解的車子停放的大概位置后就可以動(dòng)身去尋找，也就是說并不一定需要停放的精準(zhǔn)位置。而事實(shí)上，將定位精準(zhǔn)到具體位置成本代價(jià)會(huì)很大，這也就導(dǎo)致停車場對定位精度的需求比較低，所以在停車場內(nèi)部可以使用藍(lán)牙技術(shù)。而在停車場的入口處WiFi或者射頻識(shí)別技術(shù)可以讓人們獲得更多更全的信息。

3.3 大型場所

大型場所包括飛機(jī)場、火車站等地方。在這些人非常多，空曠而且密閉性較差的地方，WiFi信號(hào)覆蓋范圍較廣，信息傳輸數(shù)據(jù)高等特點(diǎn)使得WiFi定位技術(shù)成為像機(jī)場和火車站等大型室內(nèi)場所中室內(nèi)定位技術(shù)的首選。

4.結(jié)論

就目前來說，WiFi技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的室內(nèi)定位技術(shù)，藍(lán)牙次之。在不同的場合會(huì)需要到不同的技術(shù)，這與場合的特點(diǎn)以及人們的需求有關(guān)，而各類定位技術(shù)都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，很多時(shí)候往往是多種方式相結(jié)合，一種為主，其他為輔的方式來進(jìn)行室內(nèi)定位，這樣才能滿足人們的不同需求。也許隨著技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)得到更好的優(yōu)化后情況會(huì)有所改變，或者是5G的出現(xiàn)帶來新的變革，這些技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)造福于人類，極大地推動(dòng)時(shí)代社會(huì)的發(fā)展，最終形成物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。相信不久的將來這些都會(huì)實(shí)現(xiàn)。

* [1]梁坤等.室內(nèi)環(huán)境中的GPS信號(hào)特性分析[J].天文研究與技術(shù).2008

* [2]韓高樓.GPS定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)[J].陜西建筑.2010

* [3]藍(lán)牙與WIFI無線連接哪個(gè)對移動(dòng)設(shè)備最需要[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò) ,2012（14）

* [4]藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2007（6）

* [5]謝東原，基于RFID的區(qū)域無線定位技術(shù)綜述[J].科技傳播，2014

* [6]黃毅，基于到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)研究[J].2014