基于WiFi的室内定位研究与实现

1前言

近年来，随着无线通信技术与网络技术的不断发展和全面普及，各种新业务与新需求层出不穷，其中位置感知计算(Location-aware Computing)和基于位置的服务LBS 在人们的生产生活中起到了至关重要的作用，如何确定用户位置是实施前述应用的首要问题，因此定位技术是位置感知计算和基于位置的服务的核心问题。

根据应用环境与场景的不同，定位技术可分为室内定位技术和室外定位技术。室外定位系统主要有蜂窝定位和全球定位系统GPS。

蜂窝无线定位即手机定位，是基于移动蜂窝网的基站定位，其定位精度依赖于基站的分布和基站信号覆盖范围的大小。1996 年，美国FCC 颁布了E-911(Emergency call ‘911’)条例提出了相关的技术要求，要求移动通信提供商必须为用户提供定位准确度在125m 以内的室外定位服务，2001 年以后，美国FCC 提出了更严格的准确度和三维空间定位的需求。在政府的要求和市场利润的驱动下，使基于蜂窝移动网的定位技术得到了广泛的应用。

美国的GPS 系统是目前使用最广泛、用户人数量最多的全球性定位系统。GPS系统由24 颗卫星组成，在任何时间任何地点地面接收终端都可以同时接受到4 颗以上的卫星发出的信号。根据电磁波的传播原理，通过卫星信号的到达时间差来计算出搜索到的卫星和终端用户之间的距离，采用三边定位法计算出终端用户的具体位置，其民用定位精度可以达到15m 以内。同时，其他国家也陆续研究开发出了具有自主知识产权的定位系统，包括和中国的北斗卫星定位系统、俄罗斯的Glonass 定位系统和欧盟的Galileo 定位系统。

但是在城市环境中，由于GPS 卫星发射的电磁信号太微弱，楼宇等建筑物阻碍了卫星信号的传播，所以导致了所谓的“都市峡谷”（Urban Canyon）效应，使得GPS 系统无法正确定位。因此，虽然GPS 系统在室外环境能够有效地定位，但是在室内环境却无法进行有效的定位。

以上两种定位系统是应用比较广泛的室外定位系统，但应用于室内的时候，这两种定位系统并不能提供很好的定位服务。首先，由于室内环境复杂，信号在室内传播的情况要复杂于室外传播的情况。其次，室外定位应用大都是开阔环境中，几十米的定位误差并不影响用户的使用感受；但对于室内定位应用而言，需要将定位精度控制在若干米以内，才能为用户提供达可具使用性的室内定位系统。针对室内定位的难点，即克服信号受到环境噪声的干扰，对移动用户的快速定位，对定位精度的高要求，国内外研究人员都进行了有针对性的研究，这些研

究涉及到无线网络、传感器技术、随机信号处理等众多交叉领域。

2总体方案设计

2.1WiFi室内定位技术的分类

2.1.1 几何法

几何法是利用几何学原理估计用户位置的定位方法，几何法包括三边定位法和三角定位法，其中前者使用距离作为几何参数，后者使用角度作为几何参数，以下将简述三边定位法的定位原理。

三边定位法是一种基于测距的定位算法，GPS 全球定位系统是典型的使用三边定位法进行位置估计的定位系统，根据定位目标与各个参考点的距离使用几何方法得到估计坐标。在二维空间坐标系中，选取三个点作为参考点，这三个点必须是不共线的，在得知它们与定位目标之间距离的情况下即可以计算出定位目标的位置。

如图2.1.1 所示，已知参考节点A 、B 、C 的坐标分别为( Xa,Ya )、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），测得它们到待定位节点D 的距离分别为Da 、Db 、Dc，假设节点D 的坐标为(x, y) 。

图2-1-1三边定位法示意图

当测得未知节点与信标节点的距离为d 时，在理想情况下，可认为未知节点在以参考节点为圆心半径为 d 的圆上，三个相交的圆可唯一确定一个点或一个区域，这个点或者这个区域的中心即为未知节点的位置。根据已知参数，可建立如下一组方程：

2.1.2近似法

近似法的原理为在某一范围内监测附近用户，若感知到用户在接近某锚节点时，即可以使用锚节点位置近似计算用户的位置。如图2-4 所示。

在无线网络中，每个接入点都有一定的覆盖范围，它是连接用户从无线通信到有线通信的纽带，为无用户提供通信服务，所有进入这一信号区域的无线用户都可以通过与它的关联实现网络通信。此定位方法是通过AP 接入点的位置来估计用户的位置，其最大优点是简单，易于实施使用，无需在终端安装任何额外的硬件设备和软件程序，可以使用服务器进行集中监控，常用的服务器接入监控程序可以基于RADIUS(Remote Authentication Dial-In User Service)协议或者基于SNMP(Simple Network Management Protocol)协议。近似法的定位精度主要依赖于AP 接入点的接入距离，IEEE 802.11 的理论接入距离是室内100米和室外300 米，但在实际使用中有各种障碍物，如混凝土墙壁和铁对射频信号的屏蔽最大，玻璃、木板、石膏墙等对无线信号的影响最小，所有AP 接入点的有效接入距离是室内3米、室外100米。

图2-1-2 近似法位置估计示意图

2.1.3场景分析法

该方法首先将观察到的环境信息简化成易于量化与计算的信息量，使用相关的信息量描述物理位置，将所有位置的位置信息量汇总构成环境数据库。在位置匹配阶段，利用在某一地点观察到的场景特征信息量，使用特定的匹配算法进行位置匹配，从而分析推断用户的估计位置。

场景分析法的优点在于不用依赖于几何量就可以通过非几何的角度或距离这些的特征估计出物体的位置。测量角度或距离需要添加额外的设备，实施复杂度高，也不利于实际实施。但是，场景分析法也有其不足之处，系统需要获得具体定位环境的特征集，从而与其实时场景特征量进行匹配和定位。而且，环境中的某些环境参数的改变可能会导致先期的环境特征量不再适用，从而可能要重新构建新的特征集。

2.2方案的选择比较

2.2.1定位方法的选取

基于WIFI的室内定位有三种基本定位思路，包括几何法、近似法和场景分析法，表2-2为几种定位方法的对比情况。

表2-2室内定位方法的比较