室内移动端定位技术研究
刘冬梅
（铁岭师范高等专科学校，辽宁铁岭112000）
【摘要】基于对国内外移动定位技术文献的研究，对几种重要的室内移动端定位技术做了分类介绍，对其工作原理进行阐述，分析各种定位技术的优点与缺点，提出当前急需解决的问题。
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关键词 移动端；定位技术；WiFi；蓝牙
0引言
1988年提出普适计算认为计算设备应当从人们的视野中消失，计算应该该和环境融为一体，人们能够在任何时间、任何地点以任何方式在没有意识到计算存在的情况下享受所需的服务。而要做到这些，普适计算系统需要获得用户所处的位置即得到基于位置的服务。现在室外定位主要采用GPS卫星定位。室内定位则主要的方法采用基于WIFI的定位技术和基于蓝牙的位置识别技术。
1基于WiFi的室内定位方法
基于WiFi的定位方法是利用现有的无线网络配合WIFI标签和相关移动端设备再结合定位算法来实现定位的技术。当前基于WIFI定位方法主要采用两种定位方法：（1）基于传播模型的定位方法，（2）基于指纹模型的定位方法。其中，基于传播模型的定位方法是对客观事物进行测量分析建立数学表达式。实际环境中影响信号的因素很多，在不同的反射、绕射、散射的条件下根据信号强度随距离等因素的变化规律建立信号传播模型，再利用三边定位法等定位算法判断用户的具体位置。基于指纹模型的定位方法，则采用定位模型训练的方式，首先对实际测量数据进行观测，然后使用机器学习算法进行定位模型训练，形成指纹模型数据库然后根据测试地点的信号特征与指纹模型数据库中的数据进行匹配获得目标点的位置。
1.1基于传播模型的定位方法
基于传播模型的定位方法需要选择一个合适的传播模型，典型的室内传播模型包括：
（1）线性距离路径损耗模型，它假设室内环境下路径损耗与传输距离成线性分布。其表达式为：L(d)=ad+l0，其中a为一次参数，l0为恒参数，L(d)为距离AP为d的信号强度。
（2）对数距离路径损耗模型，基于理论和实验拟合后得到的模型发现在室内接受端的信号强度与距离是成对数变化的，其表达式为：
，其中γ为路径损耗系数其值以来于具体的传播环境，d0为参考距离，PL(d0)是参考距离d0处的功率值。
（3）衰减因子模型，衰减因子模型具有很强的灵活性，它优于对数距离损耗模型。其表达式为：
，其中λSF表示同层路径损耗系数，通过加上衰减因子FAF获得不同层路径损耗。
（4）MK模型，MK模型考虑了发射端与接收端之间的传播过程中，由墙壁和地板引起的信号衰减，其表达式为：Lpico=L0+10·n·log(x)+Nw·Lw+Nf·Lf其中L0表示距离发射端1m处的传播损耗，n是路径损耗系数，x是表示发射端到接受端的距离，Nw和Nf是射箭从发射端到接收端穿过的墙和地板个数，Lw和Lf代表墙和地板的损耗系数。
线性距离路径损耗模型定位方法的复杂度和功耗都比较低，但其定位精度不高。对数距离路径损耗模型定位误差较先行距离路径损耗要小但其灵活性不强。衰减因子模型引入了衰减因子，但是只探讨了二维平面的反射情况没有考虑三维空间反射的影响。MK模型引入墙壁对信号的衰减影响和地板对信号的衰减影响并针对不同的影响因素构建信号传播模型，较前几种模型的效果要好一些。然而，实际的环境非常复杂不可能有纯粹的无线传播环境，WiFi信号在传播过程中受到反射、绕射、散射等各种条件的影响，很难用简单的数学表达式来表示，所以至今也没有一个完美的模型能够刻画出所有的影响因素。
1.2基于指纹的定位方法
位置指纹是指特定位置与某个可测物理刺激之间的特殊关系。基于位置指纹的技术无需采用额外的特定设备，仅需通用的无线网卡具有接受信号强度测量的能力就可以实现定位。位置指纹定位技术是一种非参数化的定位方法，通过两个阶段来实现定位，两个阶段为离线指纹数据库建立阶段和对用户的AP信号进行实时采集与指纹数据库进行匹配完成定位的阶段。在离线阶段需要将定位区域划分成二维格点，确定测量参考锚点位置，采集参考锚点的AP信号强度样本，并根据信号强度特征建立该参考锚点位置的指纹数据，最终存储在指纹数据库中形成整个空间的指纹信息数据库。在定位阶段，对用户接收的各种信号进行采样，利用采集的信号的特征形成相应数据，通过匹配算法与离线阶段形成的空间指纹信息数据库中的指纹数据进行匹配，最终得到符合测试地点信号特征的数据，再根据最佳匹配结果来判断用户的实际位置。在选择模式匹配算法时根据指纹是否确定而选择确定性定位算法和概率分布定位算法。在确定性定位算法中忽略随机因素的影响，保存同一个位置在某一时间段内多次扫描得到的信号强度算出一个平均值，以这个平均值作为该位置的指纹。随机模型则考虑随机因素的规律以概率统计为基本数学工具进行计算，如贝叶斯法。指纹模型定位方法精度较高，与信源位置无关，但是指纹分析模型的数据分析量非常大。
2基于蓝牙定位方法
蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，它可以实现各种电子设备之间短距离无线连接。2010年蓝牙技术联盟正式采用了蓝牙4.0的核心规范，蓝牙4.0技术功耗更低，有效连接距离更远，采用AES-128加密技术使连接更安全。当前智能终端基本都搭载了蓝牙4.0的硬件模块，各种主流移动操作系统也都支持蓝牙4.0技术，这样的支持使采用蓝牙4.0技术进行室内定位变得可行，在不需要添加太多硬件设备的情况下就能实现室内定位。蓝牙定位的方法有很多，常用的定位技术主要有基于范围检测的定位方法和基于信号强度的定位方法。
2.1基于范围检测的定位方法
基于范围检测的定位方法根据蓝牙的无线信号具有有限的短距离范围的特性在蓝牙定位研究中引入范围检测的思想。蓝牙无线信号具有有限的短距离范围的特性：一类蓝牙设备的信号覆盖范围是100m，2类蓝牙设备是10m，3类是4m，当用户携带设备进入到信号覆盖范围之内时，就能感知用户的位置，再通过三边定位算法就可以计算出用户所在位置。
2.2基于信号强度的定位方法
基于信号强度进行距离测试是常用的节点距离测试方法。当测试到目标节点的信号强度后，根据接节点的信号强度，利用信号衰减和传播距离之间的关系来计算出距离，然后再使用定位算法来计算节点位置。信号强度定位方法以来于信号强度也以来与定位模型，不同的环境对信号的传播损耗不同，在空旷的环境、室内、楼道中都有不同。为得到较精确的定位可以根据不同的环境建立不同的模型，针对具体环境对蓝牙设备进行定位。2005年，诺基亚研究院采用HAIP技术研发了一个定位系统，该系统主要有两个部分，首先在实验大楼的办公区内安装铺设一定量的定位发射台，然后当测试节点进入测试环境时，测试节点与发射台之间进行通信，实现位置感知。这一系统具有低成本、低功耗的特点，定位精度较高。但是需要有前期人工标定位阶段，需要铺设大量作为标签的蓝牙设备；其次，这一定位系统只适合小范围定位使用，因为当位置增加时，位置与标签设备之间的映射表的增加速度很快，最终形成庞大的影射表。查询效率会随着范围的增加而降低。因此，这种定位方法不能有效地大规模推广应用。
3总结
近年来移动端定位技术研究已经广泛开展，未来是移动互联的时代。但是当前的技术仍然存在很多问题，为实现技术模型引入的许多算法仍然有很多需要改进的地方。目前比较关键的问题包括：算法的定位精度问题；节点的能耗问题；节点的有效距离问题等。现有技术在受到实验环境的影响及硬件的限制使得结果的实用性较差，还是在理论研究阶段，大多数结果在仿真环境下实现与实际环境仍然有很多的差距。
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参考文献
［1］莫倩,熊硕.基于蓝牙4.0的接近度分类室内定位算法[J].宇航计测技术,2014,12.
［2］孙露露,崔哲,周静,杨舒,韩会杰,李润鑫.室内移动目标超声定位系统的设计与测试[J].中国科技信息,2014,12.
［3］邓凡平.深入理解Android：WiFi模块NFC和GPS卷[M].机械工业出版社,2014,4.
［责任编辑：汤静］