室內定位技術現狀和發展趨勢

　　摘要：本文首先概述一些室內定位技術的應用場景，并基于這些應用提出一些相應的系統需求。然后對不同的定位技術及它們的優勢和局限做出分析。最后，討論了室內定位領域的新發展趨勢。

　　隨著更多新型移動設備比如手機、平板電腦、可穿戴設備等，物聯網設備的性能飛速增長和基于位置感知的應用的激增，位置感知發揮了越來越重要的作用。在室內和室外的環境下，連續地可靠地提供位置信息可以為用戶帶來更好的用戶體驗。室外定位和基于位置的服務已經成熟，基于GPS和地圖的位置服務被廣泛應用，并成為各種移動設備被使用最多的應用之一。近年來，位置服務的相關技術和產業正向室內發展以提供無所不在的基于位置的服務，其主要推動力是室內位置服務所能帶來的巨大的應用和商業潛能。許多公司包括OS提供商、服務提供商，設備和芯片提供商都在競爭這個市場。

　　室內位置感知可以支持許多應用場景，并且正在改變移動設備的傳統使用模式。舉一些應用的例子，用戶可以尋找特定的餐館或在商店里尋找某個商品，從附近商場里的商戶得到優惠信息，在辦公室里找到同事，在機場或火車站找登機口/站臺或其它設施，在博物館里更有效地了解展品信息和觀看展覽，醫院確定醫護人員或醫療設備的位置，消防員在起火大廈里的定位等等。想像這樣的場景，當我們到會議室開會，手機會自動開啟靜音模式，我們逛商場看到一件感興趣的商品可是還在猶豫時，拍下照片并自動給照片打上位置標簽， 等下次決定要買時手機幫我們導航到該商品的位置。這些都會給我們日常的生活和工作，以及在緊急情況下帶來方便。

　　室內定位面臨很多獨特的挑戰， 比如說室內的環境動態性很強可以說是多種多樣，不同的大廈會有不同的室內布局;室內的環境更加精細，由此也需要更高的精度來分辨不同的特征。 室內環境的這些獨特特征使得現有的很多解決方案是對特定的環境和應用有針對性的解決方案，如果移植到其他環境和應用會受到不同的局限。 那么實用的室內定位解決方案都需要滿足那些要求呢?主要包括以下幾個方面：精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間。

　　精度：對精度的要求不同的應用差別很大，比如在超市或倉庫找一個特定的商品可能需要1米甚至更低的精度，如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿足要求。

　　覆蓋范圍：覆蓋范圍主要是指一個技術和解決方案可以在多大的范圍內提供滿足精度的覆蓋。有些技術需要相應或專用的基礎設施支撐并結合相應的定位終端使用，這樣它的覆蓋就只是布局了相應技術的環境范圍。

　　可靠性：前面提到室內環境動態性很強，會經常發生改變，比如商場的設置和隔斷會經常發生變化。另一方面，定位所依賴的基礎設施也會經常發生變化。舉個例子，一些大型的會議，參展商會架設自己的WiFi 熱點， 這些設施會動態變化位置，甚至有時開有時關，如果定位技術是基于WiFi的，可靠的系統應該不會受到這些因素的影響。

　　成本和復雜度：成本和復雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本，是不是可以用終端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和維護的成本及其復雜度，包括布局與維護定位所需要的設施和采集相關的數據庫。

　　功耗：定位所產生的功耗是一個很重要的指標尤其對使用電池的移動設備，如果功耗大很快使設備沒電了，就限制了用戶的使用。有調查表明，電池消耗過快是很多用戶不開啟定位功能的一個主要因素。所以，如果要實現隨時隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設備額外功耗。

　　可擴展性：可擴展性指一個解覺方案擴展到更大的覆蓋范圍使用的能力，和方便地移植到不同的環境和應用的能力。

　　響應時間：系統給出一個位置更新所需的時間是響應時間，不同的應用需求不同，比如移動用戶和導航應用需要快的位置更新。

　　綜合前面闡述的需求，可以總結出以下室內定位技術所面臨的挑戰，如果室內定位技術要廣泛使用，這些技術挑戰需要很好的解決。首先，精度和可靠性，現有的單一定位技術很難滿足不同的精度和環境動態特性所帶來的可靠性要求。 其次，從提高覆蓋的角度，現有的技術基本上都依賴定位數據庫，而數據庫的產生大多依賴人工的現場勘測，這樣帶來的布局和維護成本很高。最后一點，從用戶體驗的角度，要求所采用的定位技術功耗低，不增加額外成本。

　　室內定位技術已經有了很多發展，提出了各種解決方案。這些解決方案各存在不同的優勢，同時也有各種局限，從而使單一的技術不能滿足以上所提出的這些挑戰。當前室內定位技術的發展趨勢是采取多種技術的融合，以達到充分發揮單一技術的優勢，并相互彌補不足，從而滿足不同的要求所提出的技術挑戰，達到最優的解決方案。接下來會介紹現有的不同定位技術，并分析它們的優勢和局限，最后討論室內定位領域的新發展趨勢。

　　圖1介紹了現有的一些定位技術和他們的性能特點。下面對其中幾種常用于室內定位的技術做出簡要的介紹。

　　基于WiFi的定位技術：WiFi芯片在各種手機和移動設備上已經普遍應用，而且其基礎熱點設施的室內覆蓋也非常好，很多需要定位的公共場所如機場、商場都有覆蓋，所以WiFi用于室內定位成為很自然的選擇，很多現有的解決方案都是主要基于WiFi技術。基于WiFi的定位技術主要有三種，第一種是基于接收信號強度的三邊測量定位(接收信號強度定位法)，這也是現在業界應用最多的技術。接收信號強度定位法是通過信號強度和已知信號衰弱模型來估計參考點與待測點的距離，根據多個參考點距離待測點的距離值畫出圓，多個圓的重疊部分就是待測目標的位置。它的優點是布局和維護成本相對低，只需要采集WiFi熱點的位置數據庫，局限是給出的定位精度低，大概能得到10~20m的精度，有些情況可能更低。第二種是基于接收信號強度的指紋定位。該技術是將測量到的接收信號強度與前期測量的各個參考點的信號強度特性進行比較，選取匹配最好的參考點位置來作為測量目標的位置?，F有很多解決方案也是專注在該技術。該技術的優勢是定位精度高，可以達到3~5m的精度，缺點是布局和維護的成本較高，系統依賴射頻信號強度的指紋數據庫，對于大規模的使用，數據庫大，產生和維護成本相對較高，也在一定程度上造成可移植性差。第三種是基于信號飛行時間的測量，通過測量無線信號在兩個節點之間的往返飛行時間，并用該時間推算節點間的距離，根據多個參考點距離待測點的距離值畫出圓，多個圓的重疊部分就是待測目標的位置。 它的優點是精度高，可以達到低過1米的精度，其局限是生態系統還不完備，現有的設備不支持?，F有的WiFi定位技術都依賴WiFi熱點位置分布數據庫或者接收信號強度指紋數據庫實現定位，所以WiFi定位大范圍在室內應用要解決的主要問題是可靠地產生和動態維護數據庫，同時要低復雜度，這樣才能在大量的建筑中使用。