基于WLAN的室内定位技术探讨

2014-11-24

江西测绘 2014年1期

（江西天久测绘院江西鹰潭 335001）

1 引言

室内定位技术的发展，为民众提供了一种在室内进行快速、准确的定位服务的可能。然而目前由于经济、技术及政策等原因的限制，室内定位技术的发展并没有完全进入商业化实施阶段。鉴于目前室内定位的大量需求，对室内定位技术进行深入的研究十分有必要。

2 WLAN

所谓WLAN，是Wireless Local Area Network的缩写，我们通常称之为无线局域网。WLAN是一种基于无线信号进行数据传输的局域网络，其相对与我们日常普遍使用的局域网差别在于，WLAN 不使用任何导线或者传输电缆进行数据交换与传输。现阶段，无线局域网的布设十分简便，而且也十分的普及，有个人自行布设的家庭局域网，企业自行布设的企业无线网，校园内布设的校园网等，甚至现在很多公交车上都布设了免费的无线网络供乘客使用。一般而言，WLAN 采用的数据传输模式使用的是国际电机电子工程学会（IEEE）定义的802.11 系列标准。

如图1所示，这是某学校架设的一个无线局域网络。

图1 典型的无线局域网（WLAN）

3 定位方案分析

通过对定位点在WLAN中的位置的分析，解算需定位点的真是位置值，这就是我们采用基于WLAN的室内定位技术的基本计算理论。WLAN 具有两种工作模式，一种被称为基础架构模式，这是WLAN 工作的最主要的模式；另一种是相对于基础架构模式而言比较特殊的模式，称为点对点模式。基础架构模式模式是利用接入点（Access Point，即AP）来承担无线网络的数据链接与通讯的任务。而点对点模式采用的则是对等模式，不架设具体的接入设备，采用一定的通讯方案来相互链接，资源共享。一般而言，我们在运用WLAN 进行室内定位计算时，是通过接入点的模式，只有接入点是已知并容易获取位置信息的，才能通过接入点作为已知点反算待定点的位置。

3.1 计算方法

下面分析两种计算方案，分别为三边计算法和三角计算法。这两种方案都是基于接入点已知模式下，通过计算需定位点的相对位置，进而解算其绝对位置，达到室内定位所需的二维甚至三维坐标。

a.三边计算。所谓三边计算，即通过测量未知点与已知点的距离，通过三边交会的计算法则，来解算未知点坐标。一般而言，如仅需要计算二维坐标，计算未知点与三个不共线的已知点的距离就可以就算出未知点的X、Y 值；而如需要计算未知点的三维坐标，则需要测量它与其它四个不共面的已知点间的距离，进而可以计算出其X、Y、Z 值。如图2是一个描述三边计算方案的简单构造图。

图2 通过已知三点解算未知点X的二维坐标

b.三角计算。三角计算则是通过计算未知点与已知点的角度，采用类似于测量学前方交会的方法，仅需要知道未知点与两个已知点的夹角即可解求未知点的二维坐标。如图3所示。

图3 三角计算法解求未知点二维坐标

3.2 信号强度特性分析

上边我们分析了两种计算方案，但是在现实中，无线信号的传输往往不能准确衡量，这里就出现了信号强度与位置解算之间的误差。下面分析信号强度某些固有的特性。

相对于室外而言，室内空间较小，布局复杂，墙壁、门窗、家具电器甚至走动的人员都会对信号的传播产生影响，引起诸如反射、折射、衍射和散射现象，进而导致无线信号的多径(Multipath) 传播效应，因此，无线信号在室内的传播较难预测。以三边计算方案为例，由于信号强度对距离的解算有非常大的影响，进而造成距离解算的困难，在某些特定情况下，距离解算几乎是不可能的。

a.位置影响。实验数据显示，在一般的情况下存在着当所需要解求的未知点距离接入点（已知点）越近时，无线网卡感测的接收信号强度越强。但对于某些特殊情况时，也存在着信号强度会有变化的情况。

b.人的影响。人的影响主要在于，人自身存在着大量水份，而水的共振频率是2.4GHz，这与WLAN中使用的信号传输频率一致，从而导致了在测量中信号的影响。而是事实上，采集信号强度样本的工作，一般是由相关的人员来进行，室内环境又是人员活动密集的地方。因而在室内定位中，人对信号强度的影响总是客观存在也不可避免的。

c.信号强度的概率分布。由于多种干扰因素的影响，某一位置处的接收信号强度将围绕其平均信号强度值在一定范围内波动。根据无线信号的传播衰减规律可知，其平均信号强度由该位置点到接入点的距离确定，波动的大小由环境中干扰因素的强弱来决定，可以用信号的标准偏差表示。信号强度呈现出一定的分布规律[1]。