室内定位技术现状和发展趋势.docx

责任编辑：王莹室内定位技术现状和发 展趋势indoor location technology and development trend马静宜博士 英特尔中国研究院（北京 100190）摘要：本文首先概述一些室内定位技术的应用场景，并基于 这些应用提出一些相应的系统需求。然后对不同的定位技术 及它们的优势和局限做出分析。最后，讨论了室内定位领域 的新发展趋势。本文网络版地址：/ article/264519.htm 关键词：室内定位；wifi定位；惯性传感器；低功耗蓝牙；混 合方案；多技术融合doi: 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.10.002wireless connection技术专题special report 2014.11 33随着更多新型移动设备比如手 机、平板电脑、可穿戴设备等，物联 网设备的性能飞速增长和基于位置感 知的应用的激增，位置感知发挥了越 来越重要的作用。在室内和室外的环 境下，连续地可靠地提供位置信息可 以为用户带来更好的用户体验。室外 定位和基于位置的服务已经成熟， 基于gps和地图的位置服务被广泛应 用，并成为各种移动设备被使用最多 的应用之一。近年来，位置服务的相 关技术和产业正向室内发展以提供无 所不在的基于位置的服务，其主要推 动力是室内位置服务所能带来的巨大 的应用和商业潜能。许多公司包括os 提供商、服务提供商，设备和芯片提 供商都在竞争这个市场。w室内位置感知可以支持许多应用 场景，并且正在改变移动设备的传统 使用模式。举一些应用的例子，用户可以寻找特定的餐馆或在商 店里寻找某个商品，从附近 商场里的商户得到优惠信 息，在办公室里找到同事， 在机场或火车站找登机口/站台或其它设施，在博物 馆里更有效地了解展品信息 和观看展览，医院确定医护 人员或医疗设备的位置，消 防员在起火大厦里的定位等 等。想像这样的场景，当我 们到会议室开会，手机会自 动开启静音模式，我们逛商 场看到一件感兴趣的商品可 是还在犹豫时，拍下照片并 自动给照片打上位置标签， 等下次决定要买时手机帮我 们导航到该商品的位置。这 些都会给我们日常的生活和 工作，以及在紧急情况下带技术专题special report 无线连接责任编辑：王莹图1 定位技术介绍盖就只是布 局了相应技 术的环境范 围。可 靠 性： 前面提 到室内环境 动 态 性 很 强， 会经常 发生改变， 比如商场的 设置和隔断 会经常发生力，和方便地移植到不同的环境和应 用的能力。响应时间：系统给出一个位置更 新所需的时间是响应时间，不同的应 用需求不同，比如移动用户和导航应 用需要快的位置更新。综合前面阐述的需求，可以总结 出以下室内定位技术所面临的挑战， 如果室内定位技术要广泛使用，这些 技术挑战需要很好的解决。首先，精 度和可靠性，现有的单一定位技术很 难满足不同的精度和环境动态特性所 带来的可靠性要求。 其次，从提高覆来方便。变化。 另一盖的角度，现有的技术基本上都依赖室内定位面临很多独特的挑战，方面，定位所依赖的基础设施也会经定位数据库，而数据库的产生大多依比如说室内的环境动态性很强可以说是常发生变化。举个例子，一些大型的赖人工的现场勘测，这样带来的布局多种多样，不同的大厦会有不同的室内会议，参展商会架设自己的wifi 热和维护成本很高。最后一点，从用户布局；室内的环境更加精细，由此也需点， 这些设施会动态变化位置，甚至体验的角度，要求所采用的定位技术要更高的精度来分辨不同的特征。 室有时开有时关，如果定位技术是基于功耗低，不增加额外成本。内环境的这些独特特征使得现有的很多wifi的，可靠的系统应该不会受到这室内定位技术已经有了很多发解决方案是对特定的环境和应用有针对些因素的影响。展，提出了各种解决方案。这些解决性的解决方案，如果移植到其他环境和成本和复杂度：成本和复杂度指方案各存在不同的优势，同时也有各应用会受到不同的局限。 那么实用的标涵盖两个方面。一个是定位终端的种局限，从而使单一的技术不能满足室内定位解决方案都需要满足那些要求成本，是不是可以用终端已有的硬件以上所提出的这些挑战。当前室内定呢？主要包括以下几个方面：精度、覆而不添加新的硬件。另一方面是布局位技术的发展趋势是采取多种技术的盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展和维护的成本及其复杂度，包括布局融合，以达到充分发挥单一技术的优性和响应时间。与维护定位所需要的设施和采集相关势，并相互弥补不足，从而满足不同精度：对精度的要求不同的应用的数据库。的要求所提出的技术挑战，达到最优差别很大，比如在超市或仓库找一个功耗： 定位所产生的功耗是一的解决方案。接下来会介绍现有的不特定的商品可能需要1米甚至更低的 精度，如果在购物中心寻找一个特定个很重要的指标尤其对使用电池的移 动设备，如果功耗大很快使设备没电同定位技术，并分析它们的优势和局 限，最后讨论室内定位领域的新发展的品牌或餐馆，5-10米的精度就能满 足要求。了，就限制了用户的使用。有调查表 明，电池消耗过快是很多用户不开启趋势。图1介绍了现有的一些定位技术和覆盖范围： 覆盖范围主要是指定位功能的一个主要因素。所以，如他们的性能特点。下面对其中几种常用一个技术和解决方案可以在多大的范果要实现随时随地的位置感知，必须于室内定位的技术做出简要的介绍。围内提供满足精度的覆盖。有些技术降低定位所增加的设备额外功耗。基于wifi的定位技术：wifi芯片需要相应或专用的基础设施支撑并结可扩展性：可扩展性指一个解觉在各种手机和移动设备上已经普遍应合相应的定位终端使用，这样它的覆方案扩展到更大的覆盖范围使用的能用，而且其基础热点设施的室内覆盖34162014.11 责任编辑：王莹wireless connection技术专题special report 也非常好，很多需要定位的公共场所 如机场、商场都有覆盖，所以wifi用 于室内定位成为很自然的选择， 很 多现有的解决方案都是主要基于wifi 技术。基于wifi的定位技术主要有三 种， 第一种是基于接收信号强度的 三边测量定位（ 接收信号强度定位 法），这也是现在业界应用最多的技术。接收信号强度定位法是通过信号量，通过测量无 线信号在两个节 点之间的往返飞 行时间，并用该 时间推算节点间 的距离，根据多 个参考点距离待 测点的距离值画出圆，多个圆的图2 室内定位技术和业内主要的推动者强度和已知信号衰弱模型来估计参考 点与待测点的距离，根据多个参考点 距离待测点的距离值画出圆，多个圆 的重叠部分就是待测目标的位置。它 的优点是布局和维护成本相对低，只 需要采集wifi热点的位置数据库，局 限是给出的定位精度低，大概能得到 1020m的精度，有些情况可能更低。 第二种是基于接收信号强度的指纹定 位。该技术是将测量到的接收信号强 度与前期测量的各个参考点的信号强 度特性进行比较，选取匹配最好的参 考点位置来作为测量目标的位置。现 有很多解决方案也是专注在该技术。 该技术的优势是定位精度高， 可以 达到35m的精度，缺点是布局和维 护的成本较高， 系统依赖射频信号 强度的指纹数据库，对于大规模的使 用，数据库大，产生和维护成本相对 较高，也在一定程度上造成可移植性差。第三种是基于信号飞行时间的测重叠部分就是待测目标的位置。 它的 优点是精度高，可以达到低过米的 精度，其局限是生态系统还不完备， 现有的设备不支持。现有的wifi定位 技术都依赖wifi热点位置分布数据库 或者接收信号强度指纹数据库实现定 位，所以wifi定位大范围在室内应用 要解决的主要问题是可靠地产生和动 态维护数据库，同时要低复杂度，这 样才能在大量的建筑中使用。基于惯性传感器的辅助定位： 惯性传感器如加速度计、陀螺仪、磁 场计和压力传感器已经被广泛地应用 在手机和平板电脑等移动设备上， 它们提供9轴或12轴自由度的运动估 算。这些传感器可以估计用户的运动 状态，实时地推算用户的运动轨迹及 高度信息。根据估算的运动轨迹，系 统可以给出目标用户相对初始点或参 考点的相对位置。它的优点是在相对短的时间内可以给出准确的相对位置估计，并且位置更新速度快，另外功耗也较低；其缺点是长时间的估算误 差大，另外有些系统对用户会提出使 用限制，比如设备只能采取特定的指 向。基于惯性传感器的辅助定位已经 开始被广泛应用。地图匹配技术：室内地图技术也 需要迅速发展，地图匹配技术可以帮 助定位技术提高精度，比如通过地图 拓扑结构分析来修正惯性传感器给出 的位置推算结果，可以很好地提高惯 性传感器位置推算的精度。低功耗蓝牙技术： 基于低功耗 蓝牙的定位技术会变得越来越重要， 尤其是对零售领域的应用。 该技术 需要布局beacon网络，每个beacon创 建一个信号区域，定位精度可以做到 区域定位，也可以通过rssi与距离的 关系公式计算出设备与beacon之间的 距离， 另外还可以利用三边测量定 位、指纹算法等增加定位精度。多个beacons，并且拓扑合下转25责任编辑：王莹focus technology热门 技术 1ms内要完成大量计算，这是今后十 年业界要面对的事。这听起来很困难，似乎要很多的 知识，什么硬件、软件知识，大家很 发怵，认为跟踪该技术太艰难了。其 实不难，我自己十多年没写code， 我专门试一下，我利用在火车、飞机上的时间看一看zynq和vivado的书和 文档，后来做了实验，也差不多会做 了。现在我们的课程，在中山大学珠 海分校，用五天的时间教大学本科三 年级的学生，让他们能够在短时间内 掌握zynq。实际上，zynq和vivado没 什么了不起，只是工具而已。因 此 ， 虽 然 挑 战 很 大 ， 今 后 会 有 革 命 性 的 变 化 。 不 过 ， 一 旦 有新的开始， 下决心去试、 去做， 也 没 什 么 难 的 。 (本文根据谢凯年 在”openhw2014开源硬件与嵌入式 计算论坛“录音编写)上接17 理，能达到比较好的室 内定位效果。现在的局csr 都提供多种技术融合的混合解决 方案。未来会有更多的解决方案是完可以降低对应用处理器的唤醒，以优 化和降低功耗，达到随时随地都知道限是需要布局专用的beacon设施，其整的传感器/wifi/ble的混合解决方所处位置的目标。覆盖范围不广，并且很多移动用户不案以满足多种需求。(6)低功耗优化，降低定位功能对经常开启蓝牙设备。 随着很多大公司( 3 ) 室 内移动设备带来的额外功耗以实现随时随的推动，相关技术会有更大的发展和地图和室内定地的精准定位。包括使用专用的定位处更广泛的应用空间。位数据库会迅理引擎以尽量少唤醒应用处理器，结合图2列举了主要的室内定位技术速发展，相关运动检测和行为模式的检测来降低功和其主要的推动者，这里主要是针对技 术 趋 于 成耗，通过多种定位技术的融合选择最省国外的公司的调研结果。熟，以保证快电同时满足精度的技术，并关闭或使高室内定位已经迎来了高速发展的速扩展的能力功耗的定位技术处于休眠模式，以降低阶段，现在可以看到和预测的趋势可和定位性能的高功耗传感器的使用等。以总结以下几点：可靠性与一致性。这里的挑战包括地(1)基于低功耗蓝牙ble的定位 技术会被越来越广泛应用。蓝牙室内图和数据库的扩展性，快速有效地产 生和维护数据库的技术，比如通过众小结本文介绍了室内定位技术及其发定位已发展一段时间，但过去并未受包的方法。展趋势。内容分为几个部分，首先概重视，随着苹果公司提出的ibeacon技(4)基于位置的应用和服务会更述一些室内定位技术的应用场景，并术， ble 定位受到相当大的关注。目多利用附近的感应和发现。相对定位基于这些应用提出一些相应的系统需前基于该技术的信息推送应用在零售而言，附近的发现会更简单因为它并求。然后对不同的定位技术及它们的业已经获得相当大的响应，预期未来不需要计算精确位置，而只是发现附优势和局限做出分析。最后，讨论了ble室内定位技术会更多结合信息推近的设备就能提供相应的服务。这种室内定位领域的新发展趋势。送、移动支付等应用，或被实践在日技术对于室内和连续无处不在的定位常生活上提供个性化服务。(2)多种技术结合的混合定位方 法，以满足各种室内环境和应用场景 的需求，并弥补单一技术的局限。越 来越多的解决方案已经将9轴或12轴 惯性传感器技术和其它技术如基于 wifi的定位技术融合到一起，并且这 已经成为趋势。google、broadcom、而言有很大影响，并可以作为很好的 补充，尤其是针对精确定位不容易实 现的场景。相关的技术有bt/ble、 lte direct、wifi direct、nfc等。(5)采用专用的定位引擎来处理 定位、运动检测、传感器数据分析、 信息融合和地理围栏等。通过用专用 的处理器来处理运动，情境和定位，参考文献：1 abi research.smartphone indoor location technologies.jun