室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　摘要：本文首先概述一些室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用場景，并基于這些應(yīng)用提出一些相應(yīng)的系統(tǒng)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(nèi)定位領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢。

　　隨著更多新型移動設(shè)備比如手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能飛速增長和基于位置感知的應(yīng)用的激增，位置感知發(fā)揮了越來越重要的作用。在室內(nèi)和室外的環(huán)境下，連續(xù)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(wù)已經(jīng)成熟，基于GPS和地圖的位置服務(wù)被廣泛應(yīng)用，并成為各種移動設(shè)備被使用最多的應(yīng)用之一。近年來，位置服務(wù)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正向室內(nèi)發(fā)展以提供無所不在的基于位置的服務(wù)，其主要推動力是室內(nèi)位置服務(wù)所能帶來的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務(wù)提供商，設(shè)備和芯片提供商都在競爭這個市場。

　　室內(nèi)位置感知可以支持許多應(yīng)用場景，并且正在改變移動設(shè)備的傳統(tǒng)使用模式。舉一些應(yīng)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(yōu)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(shè)施，在博物館里更有效地了解展品信息和觀看展覽，醫(yī)院確定醫(yī)護人員或醫(yī)療設(shè)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?nèi)粘５纳詈凸ぷ?，以及在緊急情況下帶來方便。

　　室內(nèi)定位面臨很多獨特的挑戰(zhàn)， 比如說室內(nèi)的環(huán)境動態(tài)性很強可以說是多種多樣，不同的大廈會有不同的室內(nèi)布局;室內(nèi)的環(huán)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(nèi)環(huán)境的這些獨特特征使得現(xiàn)有的很多解決方案是對特定的環(huán)境和應(yīng)用有針對性的解決方案，如果移植到其他環(huán)境和應(yīng)用會受到不同的局限。 那么實用的室內(nèi)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(yīng)時間。

　　精度：對精度的要求不同的應(yīng)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(shù)和解決方案可以在多大的范圍內(nèi)提供滿足精度的覆蓋。有些技術(shù)需要相應(yīng)或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施支撐并結(jié)合相應(yīng)的定位終端使用，這樣它的覆蓋就只是布局了相應(yīng)技術(shù)的環(huán)境范圍。

　　可靠性：前面提到室內(nèi)環(huán)境動態(tài)性很強，會經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場的設(shè)置和隔斷會經(jīng)常發(fā)生變化。另一方面，定位所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施也會經(jīng)常發(fā)生變化。舉個例子，一些大型的會議，參展商會架設(shè)自己的WiFi 熱點， 這些設(shè)施會動態(tài)變化位置，甚至有時開有時關(guān)，如果定位技術(shù)是基于WiFi的，可靠的系統(tǒng)應(yīng)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(shè)施和采集相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

　　功耗：定位所產(chǎn)生的功耗是一個很重要的指標尤其對使用電池的移動設(shè)備，如果功耗大很快使設(shè)備沒電了，就限制了用戶的使用。有調(diào)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(xiàn)隨時隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設(shè)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(huán)境和應(yīng)用的能力。

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

　　綜合前面闡述的需求，可以總結(jié)出以下室內(nèi)定位技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，如果室內(nèi)定位技術(shù)要廣泛使用，這些技術(shù)挑戰(zhàn)需要很好的解決。首先，精度和可靠性，現(xiàn)有的單一定位技術(shù)很難滿足不同的精度和環(huán)境動態(tài)特性所帶來的可靠性要求。 其次，從提高覆蓋的角度，現(xiàn)有的技術(shù)基本上都依賴定位數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生大多依賴人工的現(xiàn)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(shù)功耗低，不增加額外成本。

　　室內(nèi)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，同時也有各種局限，從而使單一的技術(shù)不能滿足以上所提出的這些挑戰(zhàn)。當前室內(nèi)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，從而滿足不同的要求所提出的技術(shù)挑戰(zhàn)，達到最優(yōu)的解決方案。接下來會介紹現(xiàn)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(nèi)定位領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢。

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

　　基于WiFi的定位技術(shù)：WiFi芯片在各種手機和移動設(shè)備上已經(jīng)普遍應(yīng)用，而且其基礎(chǔ)熱點設(shè)施的室內(nèi)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(nèi)定位成為很自然的選擇，很多現(xiàn)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(xiàn)在業(yè)界應(yīng)用最多的技術(shù)。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(jù)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(yōu)點是布局和維護成本相對低，只需要采集WiFi熱點的位置數(shù)據(jù)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(xiàn)有很多解決方案也是專注在該技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢是定位精度高，可以達到3~5m的精度，缺點是布局和維護的成本較高，系統(tǒng)依賴射頻信號強度的指紋數(shù)據(jù)庫，對于大規(guī)模的使用，數(shù)據(jù)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間的測量，通過測量無線信號在兩個節(jié)點之間的往返飛行時間，并用該時間推算節(jié)點間的距離，根據(jù)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(yōu)點是精度高，可以達到低過1米的精度，其局限是生態(tài)系統(tǒng)還不完備，現(xiàn)有的設(shè)備不支持?，F(xiàn)有的WiFi定位技術(shù)都依賴WiFi熱點位置分布數(shù)據(jù)庫或者接收信號強度指紋數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)定位，所以WiFi定位大范圍在室內(nèi)應(yīng)用要解決的主要問題是可靠地產(chǎn)生和動態(tài)維護數(shù)據(jù)庫，同時要低復雜度，這樣才能在大量的建筑中使用。