蓝牙室内定位技术发展现状

《基于蓝牙传感网络的室内定位研究及在行为识别中的应用_江德祥》

2.1 无线定位技术概述

利用无线技术实现定位已成为定位研究领域的发展趋势。

每种无线技术都有各自的优缺点和适用局限性，需要根据具体的应用场景，考虑系

统成本、定位精度、实时性要求、技术实现难度和算法复杂性等因素。下面主要从

应用场景上来介绍研究较为集中的几种无线定位技术，其中室外定位主要使用GPS

和GSM 无线技术，而室内主要利用各种无线传感器，包括红外、超声波、蓝牙、

Wi-Fi、ZigBee 和RFID 等。

基于红外的定位系统一般只能实现“房间级”的定位精度，而基于超声波的定位系统能实现“厘米级”的高精度定位，但是这两种定位系统需要特定的硬件设备，价格昂贵。这两种信号的穿透能力差，受墙壁和障碍物遮挡影响较大，并且信号的覆盖范围过小，不适合室内的大范围定位。基于 RFID 的定位技术是基于参考点的思想，在定位区域布置大量的 RFID 节点，再进行匹配查找，这样实现大范围和高精度的室内定位就取决于 RFID 参考点的布置密度。基于 ZigBee 的定位取决于 802.15.4无线技术的特点，其缺点是短距离和高延时，对利用信号强度RSSI 来进行位置估计的应用存在一定局限。室内定位研究最集中的是基于 Wi-Fi 的定位技术，由于无线局域网已在城市各个角落大面积覆盖，完全可以利用现有的无线设备来实现室内定位，降低成本和提高定位精度。基于 Wi-Fi 的无线信号在室内可以达到 100-200 米的覆盖范围，能满足大范围的室内定位需求，其主要原理是利用无线接入点（Access Point，AP）的信号强度 RSS 值，定位设备通过与 AP 之间的信号测量关系来估计可能的坐标位置。

2.2.1 基于范围检测的定位方法

蓝牙定位研究中最先引入了范围检测的思想(文中也称为 Cell-ID 思想)，原因是蓝牙无线信号具有有限的短距离范围特性。一类蓝牙设备的信号覆盖范围是 100m，2 类蓝牙设备是 10m，3 类是 4m。基于这种范围特性，当用户携带设备进入到信号覆盖范围之内时，就能感知用户的位置，达到对应 Range 范围的精度。因此在早期的蓝牙定位研究中，大部分工作都是基于 Cell-ID 的应用原理。 2003 年 Anastasi G 等人[26]提出使用蓝牙技术来实现一种定位框架和服务。基于Cell-ID 的方法实现了一个 BIPS 蓝牙定位系统。BIPS 系统

是在一个建筑物内布置蓝牙接入点，使用以太网将各个接入点连接到定位服务器上，移动用户在他的手持终端上就可以看到到达同一建筑物内其他移动用户位置时他必须行进的路线。蓝牙接入点的任务是发现并登记进入它覆盖区域的用户，其位置信息注册在服务器上。BIPS可以追踪移动用户在一个建筑物内的走动和站立，实现“房间级”的定位精度。实验分析了蓝牙查询周期的影响，同时考虑一个移动用户在蓝牙接入点覆盖范围内的接入时间，比如查询周期为3.84s 时，发现设备的概率在 95%以上，在 20 米的覆盖范围内以 1.3m/s 的速度移动则接入时间为 15.4s，剩下 11.56 秒可提供服务。

文献[27]中同样利用 Cell-ID 的思路，提出将蓝牙与 3G 网络结合，组成一个定位服务网络。文中指出 GPS 不适合室内定位，其他几种技术(2G 的Cell-ID，TOA 方法)的定位精度过低，为了提高定位精度，可结合蓝牙技术实现 10 米的定位精度。

Raffaele Bruno 等人[28]考虑位置感知的需求以及已有的一些定位和追踪系统设备成本太高的问题，提出一种基于蓝牙的定位和追踪系统，实现低成本定位方案。该系统同样利用 Cell-ID 的方法，进入覆盖点的蓝牙设备与蓝牙接入点建立连接，重点分析了蓝牙的发现和连接建立过程，以及此过程的时间消耗和延迟。

Chawathe. S. S 等人[29]描述了一种新的方法来决定移动终端的位置，使用基于Cell-ID 的方法来确定蓝牙锚节点（beacon）交集覆盖区域的位置。根据蓝牙 Range的特点，在室内环境下覆盖的区域是不规则的，利用最大分离子超图的方法来确定锚节点的布置位置。主要利用蓝牙的短距离接收范围优点，以及蓝牙设备低成本和易布置的优势。该方法的另一个优点是让移动设备来决定它自己的位置，而蓝牙锚节点和其他用户都是匿名不确定的。

根据以上的研究工作，基于范围检测的定位方法只能实现“房间级”的定位精度，对于构建大范围的定位追踪服务网络是一种可取的方案，但是对于室内的高精度定位需求基于范围检测的方法只能达到“房间级”的定位精度，不能够满足要求。蓝牙定位研究中开始探索利用蓝牙信号强度 RSSI 来提高定位精度，根据信号传播的空间关系来确定设备的坐标位置。

2.2.2 基于信号强度的定位方法

蓝牙技术中提供了基于连接的 RSSI 和基于查询的 RSSI 两个可供定位技术实现的参数。在早期的蓝牙规范中只提供基于连接的 RSSI，这就意味着定位接入点设备和用户蓝牙设备必须在定位阶段一直建立连接。应用基于连接的RSSI 时遇到了一个GRPR 问题，即在信号强度的定义中存在一个黄金分割区，处于这个分割区的 RSSI值总为 0，表示在合适的信号接收范围，对于要将实时 RSSI 值与距离映射成对应关系的定位方法，GRPR 问题是一个限制点。在以后的蓝牙规范当中，提供了基于查询的 RSSI，该方法的优点是不需要建立连接，只需基本的查询过程就可以获取目标蓝牙设备的信号强度值。

Kotanen. A 等人[30]引入了基于信号传播模型的方法，通过读取连接RSSI 值来构建信号强度与距离的映射关系。实验结果达到了 3.76m 的定位精度，实验中也使用了扩展的卡漫滤波来实现 3D 位置的估计。但是基于连接的RSSI 值存在 GRPR 的问题，使得定位参数并不可靠，小范围取得 3.76m 的定位精度并不是一个理想的结果。

文献[31]中也实现一种基于蓝牙信号强度的定位系统，利用蓝牙发送者和接收者之间距离与 RSSI 值的相关性，采用三角定位来估计位置，在 PDA 上进行了实现。该系统提出了三角定位的公式(LSE)，在地图上采集标定数据，最后用三角定位方法求出位置，定位误差为 2.06m。系统同样遇到了 GRPR 的问题，采用了多项式近似转换的方法。

Bandara U 等人[32]提出蓝牙定位系统中使用 RSSI 的三个问题：一是室内环境下信号强度受到多径衰退，干挠等影响；二是信号强度定义中的 GRPR 问题；三是蓝牙的连接建立时间过长。提出了一种多天线的接入 AP 的方法，每个天线都连到 AP上，定位服务器分别记录各个天线上的 RSSI 值。使用一种可变衰减器来解决建立RSSI 映射的问题，使用采集标定数据的方法来解决干挠和多径衰退的问题，实验获得了 92% 2m 的定位精度。该方法采用的仍然是基于连接的 RSSI，不过提供了新的蓝牙定位思路。

Sheng Zhou 等人[33]提出用一个简单的 cell 和信号传输模型来测量具体的 RSSI值与距离的关系，系统表明距离误差为 1.2m。该文献中同样遇到了GRPR 的问题，只是单纯的利用信号传播模型来测量距离与 RSSI 的关系。

文献[34]中提出了利用贝叶斯滤波进行蓝牙定位和用户轨迹估计的方法，该方法同样基于信号强度RSSI与距离的相关性，利用一个简单的信号传播模型来计算距离，再用贝叶斯滤波来估计静态用户和移动用户的位置。

文献[35, 36]中采用了基于指纹标定 Fingerprinting 的定位方法。其中[35]中结合了蓝牙和 Wi-Fi 两种无线信号，分别在实验地图上采集标定数据，不仅直接利用信号强度 RSSI 来进行定位，同时文中提出了利用信号差值来解决设备无关性的问题，消除硬件设备 RSSI 标准不统一的差异。实验结果表明结合蓝牙和 Wi-Fi 这两种无线信号能取得更高的定位精度。文献[36]同样利用Fingerprinting 定位方法，在办公室环境下采集了蓝牙 RSSI 标定数据，系统能够取得平均 2.5 米的定位精度。系统同时比较了不同蓝牙锚节点个数、采集训练样本和定位样本个数对定位精度的影响。

从以上基于信号强度的蓝牙定位研究工作来看，基于信号传播模型的方法应用广泛。一般认为，距离和信号强度 RSSI 之间存在一种基于 LOG 形式的线性关系。根据信号的衰减特性，结合其他因素的影响提出了多种信号传播模型，如弗里斯公式模型，加入隔墙因子 WAF，加入地面反射因子 FAF，以及根据实际采集数据集训练出传播模型等。这些信号传播模型的方法在实际应用环境中仍然不可取，很难找到一个准确的模型来计算 RSSI 与距离的对应关系。

2.2.3 其他定位方法

其他基于蓝牙技术的定位方法主要是利用链路质量 LQ、蓝牙的功率伸缩、信号到达时间差以及查询反馈速率等方法。

文献[37, 38]都采用了基于链路质量 LQ 的定位方法，其中[37]主要利用标定方法采集 LQ 值和 802.11 无线信号的 RSS 值，结合这两种无线技术实现定位。实验结果表明在定位评估中利用多个无线信号的一个主要优点是某种无线信号不能用时利用其他的无线信号也能实现定位，提高定位系统鲁棒性，实验证明用蓝牙信号结合802.11 信号有时并不能提高定位精度。文献[38]提出了基于链路质量 LQ 的三步定位方法，使用低成本的蓝牙设备来实现高精度的定位过程，其中三步定位过程分别为LQ 采样、蓝牙基站调度和实时定位。该