室内定位系统

无线私人网络的室内定位系统的研究

援引：A Survey Of Indoor Positioning System For Wireless Personal Networks

摘要：

近来，室内定位系统（IPSs）被设计来为个人和设备提供位置信息。私人网络（PNs）被设计来满足用户的需求并且使用户的装备了不同交流软件且在不同地点的设备进行交流并组建一个网络。PNs中的位置可获取服务需要被发展来提供流畅且可获得的私人服务并且提高生活的质量。本篇论文给出了一个易于理解关于多个IPSs的调查。我们以一个PN中的用户的角度比较现存的IPSs和这些系统的大纲轮廓。

1.介绍

准确可靠且实时的室内定位和基于定位的协议和服务在未来通信网络中是不可或缺的。定位系统使得设备的位置信息对于导航，跟踪，监控之类的服务是可获得的。一些基于定位的室内追踪系统已经被应用于医院中的贵重设备上，以免设备被偷盗。

在迅速发展的综合网络和PNs的服务中极为强调用户的需求。人们很多的注意力被放在个人使用的智能情境感知服务上，这使得人们的行为举止更为方便简单。动态和室内环境的不断变化带来的不确定性被定位信息的实用性减小。GPS是应用最为广泛的卫星定位系统。然而GPS不能在室内使用。相较于室外，室内环境更为复杂，室内有着各种干扰因素。例如气压，噪声，其他的的无线网络信号...... IR，RFID，WLAN，UWB基于这些基本技术，很多公司，大学发展出了很多新的技术。在这篇论文中，我们介绍了很多实用的和科研的IPSs。 本篇论文给出了17个现存的17IPSs并且分成了6个标准。我们同样给出了他们各自优点和缺点。

2.个人网络室内定位系统的概述 这一节我们介绍了IPSs和私人网络PNs。我们强调为什么PNs需要位置信息以及现存的IPSs分类。提出了不同的评价标准来比较PNs中的用户需求。

A.什么是私人网络（PN）

为了满足用户的需求，将处在不同地点的用户设备如家中，办公室，车中的设备联络进入一个单一的网络。通过PNs，用户可以使用他们的私人设备在全球不同的网络中享受公共和私人的服务。通过使用不同的网络技术，以用户为中心的PNs使得在任何时间和地点私人间的交流更加方便。PNs的成功依靠于处于不同类型通信网络中的设备的互相合作与联系。

B.为什么PN需要室内定位系统

为了满足用户需求并且为用户提供适合的方便的私人服务，IPSs为用户和设备提供他们的位置信息。GPS虽然可以为户外环境下的用户提供位置信息，但是却无法用于室内。PN对于IPS的需求主要是两个典型的场景，即健身中心和会议。

1）健身中心场景：现代人极为热衷于保持一个良好的身体健康状况。举个例子，John每周去两次健身中心。当他进入健身房，他的私人移动设备设置他的位置在进入健身房，并且为他的私人服务提供设备信息并列出来给他。他的设备会时刻追踪他的体重信息并存储到他的体重数据库中以便以后比较。当他使用任何设备时，私人服务需要他的位置信息来提供训练指导。

2)会议场景：会议是典型的需要位置信息来为用户提供流畅服务的场景。举例:Lily要参加一个技术会议，当他进入会场，当地的服务可以获得她的位置信息。当她在服务范围中时，这些服务可以联系她的设备并且提供和服务相关的信息。使用IPSs，可以为Lily提供室内导航服务，并且能够为Lily的设备进行监控以免设备被偷。在PN服务中，位置信息可获取可以为用户提供舒适有效的服务，当然隐私和安全问题也有一定的风险。

C.什么是室内导航系统（IPS）

IPS可以通过测量用户的移动设备的位置来获得用户的位置信息。Dempsey定义IPS是一个能够实时的持续的获得实物物理地址的系统。从这个定义来看，IPS应该持续工作直到用户关闭系统，并且在一个允许的最大的时间延迟内更新目标的位置信息，同时覆盖用户期待的区域。

IPS可以为用户提供不同种类的位置信息。在位置信息被估算出来之前，地位区域的地图例如办公室，楼层..等应该能够被IPS获取并存储。有了这个地图，目标的位置信息能够被计算并呈现出来。另一种相关的位置信息通过测量目标的不同部位获得。第三种位置信息，是详细描述目标在哪。

IPSs的成功开启了一个室内位置计算系统。这个系统包括三层，位置感知系统，软件抽象定位，基于位置信息的应用。

D.定位技术和定位算法

随着IPS在计算系统中的需求加强，许多无线技术被应用到室内定位系统当中。IR，RFID，WLAN，UWB，每种技术有他独到的优点。

有四种技术进行室内位置估计：三角测量，指纹识别，距离和远景分析。三角测量，指纹识别，视图分析能够给书详细的，相关的和邻近的定位信息。而距离定位技术仅能给出近似位置信息。基于几何性质的三角定位算法，可以使用三种计算位置，即信号强度RSS，入射角AOA，到达时间TOA。

如图，三个点A，B，C坐标已知，E1确切位置坐标

可以通过使用长度或方向R1，R2，R3来计算。每种定位方法有他自己的优点和限制。TOA是最准确的技术，它可以避免室内环境下的多路径影响。RSS和TOA需要知道至少三个参考元素。AOA只需要两个位置测量元素便能够进行位置测量。但是AOA方法在目标比较远的时候会有一些错误。

指纹验证用于提高室内定位的测量准确性。指纹验证包含两个阶段：离线训练阶段和在线定位阶段。在离线阶段，在定位估计位置中的有用的位置数据被收集处理。在在线定位阶段，

一个目标的位置相关数据被和离线阶段预处理的数据进

行比较来获得一个相似的估计值。

如图三个接入点不固定在一个25m*25m的区域中的不同位置上。一个笔记本电脑装备WLAN卡在这个区域中的不同样本点上移动，记录并测量三个固定接入点APs上接收到的信号的强度。这些预处理的信号强度被记录下来作为指纹地图。基于这一区域的指纹地图，IPS使用最邻近邻居定位算法来定位目标。 邻近位置传感技术考察了目标关于定位区域的位置关系。

如图E2，E3是跟踪目标。通过E2,E3是否在区域D中定位他们。然而邻近位置传感技术不能给出确切和相关的位置信息。例如，定位区域可以是一个房间，这 样，便能够准确的定位出追踪目标是否在屋中。

视觉分析定位方式是通过在定位区域内按放相机，监控器等来覆盖监控区域。 定位技术的准确性依赖于定位数据是否包含错误信息。

E.如何对室内定位系统进行分类

IPSs可以根据不同的标准进行分类。一种分类方法是根据他们是否使用了一种现存的无线网络下层构造来计算位置。分为network-based 方法和 non-network-based方法。从花费的角度看，network-based 方法更好。然而，non-network-based方法有专门的针对定位的下层构造并且拥有自由的物理指标，能够提供跟高的准确性。

另一个分类方法是根据系统构造。有三种，self-positioning 构造，下层构造定位结构和self-oriented infrastructure-assisted 构造。 self-positioning由目标自己计算位置并且利用了定位系统的下层构造。下层构造定位系统中的目标，当他的设备进入覆盖范围那么系统自动追踪目标。 self-oriented infrastructure-assisted

中的目标，当他进入覆盖范围，系统需要目标同意追踪才可以进行定位。 F.评价私人网络室内定位系统的标准是什么

1） 安全性和隐私性：安全性和隐私性是PNs定位系统重要问题。因为私人网络专注于用户的需求。对于获取定位信息的权限控制和信息的分布可以提高隐私性。这可以从软件和硬件上着手。

2）花销：IPS的花销包括如下几部分：基础架构的花销，每个用户的定位设备的花销以及系统构建和维护的花销。

3）表现： 准确性和精密度是衡量一个IPS的重要指标。准确性是指平均错误距离，精密度定义为预先定义的准确性的位置估计成功的可能性。一个IPS的延迟同样是评价他的重要方面。出现延迟有两个重要原因：一个是追踪目标的快速移动，另一个是室内环境的动态变化。

4）稳定性和容错性 ：一个稳定的IPS即便在一些不好的环境下依然能够表现良好。比如，在一些特殊情况下，目标上的信号发射源被阻挡，在这种情况下定位系统应该持续良好工作。

5）复杂性：IPSs的复杂性是关于IPS的维修和布置。对于IPS布局来说，要求快速开启这一系统，那么就要求一个数量少的固定下层结构。IPS允许适当的信号重叠以保证想要的信号覆盖区域被全部囊括进去。

6）用户偏好：私人网络是根据用户的需求定义和发展起来的，因此IPSs应该考虑用户的需求来进行跟踪设备，下层构造以及软件的合计。

7）经济实用性：在现存的IPSs中，一些事经济的实用的，一些事研究型的。

8）限制：尽管现在提出的IPSs已经取得了一些有价值的进展，但是在这一领域仍旧存在很大的问题。比如，IPSs的信号可能干扰其他通信网络......

3.私人网络的室内定位系统

这一节我们将介绍一系列不同的室内定位系统。IPS中的定位技术和技巧将被特别强调。

A.红外定位系统

红外定位系统是现在最常用的定位系统，因为红外技术在不同的无线设备上应用广泛。一个红外定位系统能够提供绝对位置估计。这需要在信号发射方接收方间有视线交流并且没有强光源干扰。

电子识别卡：电子识别卡系统采用发散红外技术来刺激位置传感器。通过估计人身上携带的电子识别卡来估计认得位置信息。在侦测区域内，卑职一个或多个传感器来侦测这种红外信号。

尽管电子识别卡和红外传感器很便宜，但是点来连接传感器提高了电子识别系统的价格。而且红外信号的作用范围只有几米，在一个区域中往往要布置大量的传感器，且红外信号易受到光线影响，因此点子识别系统已经被关闭。

萤火虫系统：萤火虫系统通过定位安装在物体上的发射红外线的小标签来定位他的位置。3-D的位置信息可以用来跟踪移动的物体。

关于红外定位系统的总结：红外系统进行定位估算非常准确。红外发射器也非常轻便小巧。然而，红外定位系统在设计上存在安全和隐私问题。同时，红外信号极易受到干扰。如果改用电子滤波器来抵挡干扰光源将会提高成本。

B.超声定位系统

超声波信号是另一个位置测量方法。这一节，我们将介绍几个超声波定位系统。

Active Bat：Active Bat定位系统采用超声波技术和三角测量定位技术

来测量携带跟踪标记的人。标记周期性的广播一个超声波短脉冲。这个超声波短脉冲被接收端接收。标记和接受者之间的距离可以通过超声波计算。

在测试该系统时，720个接收器布置在天花板

上，75个标记可以被追踪并且准确度为3cm准确率为95%。在维护阶段，每个标记的电量由中央控制器监控。然而这一技术的效果受到标记和接收器之间的障碍的影响。

C.无线电频率（RF）定位系统

无线电技术应用到IPSs有如下优点。无线电波可以更容易穿透强和人体。这样定位系统能够覆盖更大的范围并且需要更少的硬件。三角定位和指纹技术广泛用于无线电频率定位系统。

1）射频识别（RFID）：RFID是一种通过电磁传输来进行数据存储和检索的方法。RFID作为无线技术使得个人和设备的识别变得更加便宜和流畅。有两种射频识别技术，被动RFID和主动RFID。被动RFID中，跟踪标记是接收器，但是标记的覆盖范围很小。主动RFID标记时发射器，它们主动发射它们的识别信息，但价格很贵。

WhereNet：WhereNet 定位系统支持室内室外实时定位。WhereNet IPS使用了RFID技术来识别不同的定位单元。WhereNet IPS使用DTOA算法来计算这些标记的位置。WhereNet IPS 绝对的位置信息。

WhereNet Real Time Locating System(RTLS) 包含下列部分：标记，天线位置，定位处理器，服务器，Where Port固定在不同的位置发送低频电子信号给标记。

RFID技术不仅用于室内定位应用，也为用户需求提供潜在服务。RFID定位系统的优点是轻便小巧。然而，距离和绝对定位技术需要多种底层架构安装。

2）WLAN：WLAN技术是目前流行的并且已经被应用到公共区。以现存的WLAN下层架构为基础的基于WLAN的定位系统是低花费的。基于WLAN信号强度的位置估算准确性受到室内环境影响。

RADAR：RADAR使用了WLAN技术。它使用了信号强度和信噪比结合三角测量技术。在实验过程中，3个PC作为APs并且一个笔记本电脑作为追踪目标。在一层楼上做测试。这三个APs测量从目标发出的RF信号强度。这些测量结果用来计算目标的2-D位置。RADAR系统的主要优点是利用现有的WLAN底层架构，他不需要很多的基站来进行位置信息感应。缺点是这一技术不适合轻重量电量有限的设备。

Ekahau：这一定位系统使用现有WLAN架构持续监控WiFi设备和标记的动作。在不同的APs上收到的RF信号用来据顶目标的方位。Ekahau系统包含三部分：现场勘测，Wifi位置标记，定位引擎。APs接收到的数据经由WLAN传到定位引擎，结合信号强度，现场勘测 由定位引擎计算出WIfi位置标记在地图上的额位置。如果有三个火更多的APs的话，定位精度可以到1m。

3）蓝牙：是IEEE802.15.1标准。他的作用范围是100m。蓝牙具有低费用的优点。目前蓝牙技术已经被植入到很多设备中，例如手机，笔记本电脑.....

各种各样的蓝牙集群组成了定位系统的底层构造。蓝牙移动设备的位置可以通过同一个蓝牙集群中的其他移动终端来确定。

Topaz：Topaz定位系统使用蓝牙技术来进行室内定位。通过使用蓝牙技术，该定位系统能够提供一个误差范围2m的2-D定位信息，这是不足以在一个多障碍环境下提供房间级精度的定位信息。Topaz定位系统结合了蓝牙基础定位系统和红外定位技术。在这一系统中，标记被多个固定在不同地点的蓝牙和红外接入点定位。蓝牙服务器收到信号强度并将数据传到定位服务器，蓝牙服务器和定位服务器以及客户机通过局域网相连。通过蓝牙技术和红外技术的结合，目标设备能够被定位到正确的房间。然而使用电池的标记需要定期充电。并且计算位置的延迟比较高。

蓝牙定位技术的总结：蓝牙定位技术可以依托于已经广泛使用的蓝牙技术。这使得该定位技术低功耗，低花销。然而缺点是定位精度比较差并且延迟比较高。

4）传感器网络：传感器是暴露在物理环境中感应周围环境（如声，光，压力...）的设备。传感器一般分为两种：主动传感器和被动传感器。主动传感器和环境联系像radars。被动传感器仅仅接收外部环境中的信息。

在线个人追踪（OPT）系统：OPT是通过在室内环境中布置大量的传感器（T-mote）建立的低花销的定位系统。这些传感器通过利用RSSI来测量发射传感器和接收传感器之间的距离。并且基于这些距离，使用三角定位技术和加权平均算法。

OPT系统中基于三个火

更多传感器的RSSI值进行三角测量。目标携带一个T-mote传感器，他周围的T-mote传感器收到信号兵将数据传到基站或数据处理中心。基站将他的位置呈现在地图上。

基于传感器的定位总结：传感器定位系统是划算的而且方便的定位系统。然而便宜小巧的传感器限制了计算处理能力和电量。

4.结论

在下一代通信网络中，通信应用要求多种多样的环境，人和设备的背景信息来在私人网络中提供流畅以及可获得的服务。一个私人网络专注于用户的需求以使他的在不同地点的且在不同网络中的设备进入一个简单的网络并且提供私人的以用户为中心的解决方案。在这篇文章中，我们描述了现存的IPS的概念并且介绍了IPSs提供的定位数据的类型。然后我们基于主要的感知定位方法将17种现存的IPSs分成6个标准。我们描述了系统构成和工作原理，并讨论了每个IPS的优点缺点。通过这个调查，每种定位方法有他自己的限制。将一些定位技术结合起来能够提高定位服务的质量。既然人们在日常生活中有着某些确定的习惯和遵循的常规，那么用户的位置信息可以基于这些以往的位置信息进行预测。更进一步，位置预测可以和像用户喜好，时间，天气等结合起来进行预测。IPS的设计应该确保对在不断变化的环境中的移动的目标有最适宜的表现。因此，位置测量装置和位置预测等相关信息需要被结合起来来增强PNs中获取信息的智能性。 最近一些正在进行的研究试图提高IPSs的表现。这些项目的目的主要是增强定位的准确度并缩减定位和追踪系统的花费。