室內定位技術(shù)現狀和發(fā)展趨勢

　　摘要：本文首先概述一些室內定位技術(shù)的應用場(chǎng)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(shù)及它們的優(yōu)勢和局限做出分析。最后，討論了室內定位領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢。

　　隨著(zhù)更多新型移動(dòng)設備比如手機、平板電腦、可穿戴設備等，物聯(lián)網(wǎng)設備的性能飛速增長(cháng)和基于位置感知的應用的激增，位置感知發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。在室內和室外的環(huán)境下，連續地可靠地提供位置信息可以為用戶(hù)帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗。室外定位和基于位置的服務(wù)已經(jīng)成熟，基于GPS和地圖的位置服務(wù)被廣泛應用，并成為各種移動(dòng)設備被使用最多的應用之一。近年來(lái)，位置服務(wù)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正向室內發(fā)展以提供無(wú)所不在的基于位置的服務(wù)，其主要推動(dòng)力是室內位置服務(wù)所能帶來(lái)的巨大的應用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務(wù)提供商，設備和芯片提供商都在競爭這個(gè)市場(chǎng)。

　　室內位置感知可以支持許多應用場(chǎng)景，并且正在改變移動(dòng)設備的傳統使用模式。舉一些應用的例子，用戶(hù)可以尋找特定的餐館或在商店里尋找某個(gè)商品，從附近商場(chǎng)里的商戶(hù)得到優(yōu)惠信息，在辦公室里找到同事，在機場(chǎng)或火車(chē)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(guān)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(chǎng)景，當我們到會(huì )議室開(kāi)會(huì )，手機會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟靜音模式，我們逛商場(chǎng)看到一件感興趣的商品可是還在猶豫時(shí)，拍下照片并自動(dòng)給照片打上位置標簽， 等下次決定要買(mǎi)時(shí)手機幫我們導航到該商品的位置。這些都會(huì )給我們日常的生活和工作，以及在緊急情況下帶來(lái)方便。

　　室內定位面臨很多獨特的挑戰， 比如說(shuō)室內的環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強可以說(shuō)是多種多樣，不同的大廈會(huì )有不同的室內布局;室內的環(huán)境更加精細，由此也需要更高的精度來(lái)分辨不同的特征。 室內環(huán)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(huán)境和應用有針對性的解決方案，如果移植到其他環(huán)境和應用會(huì )受到不同的局限。 那么實(shí)用的室內定位解決方案都需要滿(mǎn)足那些要求呢?主要包括以下幾個(gè)方面：精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時(shí)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(gè)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(gè)特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿(mǎn)足要求。

　　覆蓋范圍：覆蓋范圍主要是指一個(gè)技術(shù)和解決方案可以在多大的范圍內提供滿(mǎn)足精度的覆蓋。有些技術(shù)需要相應或專(zhuān)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(shù)的環(huán)境范圍。

　　可靠性：前面提到室內環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強，會(huì )經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場(chǎng)的設置和隔斷會(huì )經(jīng)常發(fā)生變化。另一方面，定位所依賴(lài)的基礎設施也會(huì )經(jīng)常發(fā)生變化。舉個(gè)例子，一些大型的會(huì )議，參展商會(huì )架設自己的WiFi 熱點(diǎn)， 這些設施會(huì )動(dòng)態(tài)變化位置，甚至有時(shí)開(kāi)有時(shí)關(guān)，如果定位技術(shù)是基于WiFi的，可靠的系統應該不會(huì )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(gè)方面。一個(gè)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(guān)的數據庫。

　　功耗：定位所產(chǎn)生的功耗是一個(gè)很重要的指標尤其對使用電池的移動(dòng)設備，如果功耗大很快使設備沒(méi)電了，就限制了用戶(hù)的使用。有調查表明，電池消耗過(guò)快是很多用戶(hù)不開(kāi)啟定位功能的一個(gè)主要因素。所以，如果要實(shí)現隨時(shí)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(gè)解覺(jué)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(huán)境和應用的能力。

　　響應時(shí)間：系統給出一個(gè)位置更新所需的時(shí)間是響應時(shí)間，不同的應用需求不同，比如移動(dòng)用戶(hù)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(shù)所面臨的挑戰，如果室內定位技術(shù)要廣泛使用，這些技術(shù)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(shù)很難滿(mǎn)足不同的精度和環(huán)境動(dòng)態(tài)特性所帶來(lái)的可靠性要求。 其次，從提高覆蓋的角度，現有的技術(shù)基本上都依賴(lài)定位數據庫，而數據庫的產(chǎn)生大多依賴(lài)人工的現場(chǎng)勘測，這樣帶來(lái)的布局和維護成本很高。最后一點(diǎn)，從用戶(hù)體驗的角度，要求所采用的定位技術(shù)功耗低，不增加額外成本。

　　室內定位技術(shù)已經(jīng)有了很多發(fā)展，提出了各種解決方案。這些解決方案各存在不同的優(yōu)勢，同時(shí)也有各種局限，從而使單一的技術(shù)不能滿(mǎn)足以上所提出的這些挑戰。當前室內定位技術(shù)的發(fā)展趨勢是采取多種技術(shù)的融合，以達到充分發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)勢，并相互彌補不足，從而滿(mǎn)足不同的要求所提出的技術(shù)挑戰，達到最優(yōu)的解決方案。接下來(lái)會(huì )介紹現有的不同定位技術(shù)，并分析它們的優(yōu)勢和局限，最后討論室內定位領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢。

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

　　基于WiFi的定位技術(shù)：WiFi芯片在各種手機和移動(dòng)設備上已經(jīng)普遍應用，而且其基礎熱點(diǎn)設施的室內覆蓋也非常好，很多需要定位的公共場(chǎng)所如機場(chǎng)、商場(chǎng)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(shù)?；赪iFi的定位技術(shù)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(yè)界應用最多的技術(shù)。接收信號強度定位法是通過(guò)信號強度和已知信號衰弱模型來(lái)估計參考點(diǎn)與待測點(diǎn)的距離，根據多個(gè)參考點(diǎn)距離待測點(diǎn)的距離值畫(huà)出圓，多個(gè)圓的重疊部分就是待測目標的位置。它的優(yōu)點(diǎn)是布局和維護成本相對低，只需要采集WiFi熱點(diǎn)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(shù)是將測量到的接收信號強度與前期測量的各個(gè)參考點(diǎn)的信號強度特性進(jìn)行比較，選取匹配最好的參考點(diǎn)位置來(lái)作為測量目標的位置?，F有很多解決方案也是專(zhuān)注在該技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢是定位精度高，可以達到3~5m的精度，缺點(diǎn)是布局和維護的成本較高，系統依賴(lài)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(chǎn)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(shí)間的測量，通過(guò)測量無(wú)線(xiàn)信號在兩個(gè)節點(diǎn)之間的往返飛行時(shí)間，并用該時(shí)間推算節點(diǎn)間的距離，根據多個(gè)參考點(diǎn)距離待測點(diǎn)的距離值畫(huà)出圓，多個(gè)圓的重疊部分就是待測目標的位置。 它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以達到低過(guò)1米的精度，其局限是生態(tài)系統還不完備，現有的設備不支持?，F有的WiFi定位技術(shù)都依賴(lài)WiFi熱點(diǎn)位置分布數據庫或者接收信號強度指紋數據庫實(shí)現定位，所以WiFi定位大范圍在室內應用要解決的主要問(wèn)題是可靠地產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)維護數據庫，同時(shí)要低復雜度，這樣才能在大量的建筑中使用。