1.     研究背景

在移动互联时代，人们可以随时随地的接入到互联网中进行信息交互，这使得人们对于信息提供的及时性和原属地有了更高的要求，因此，基于位置的服务(LBS，Location Based Service)被广泛的应用到了各类移动网络系统中，这种基于用户实时位置的准确、迅速的信息提供，极大地方便了人们的生产生活，而LBS应用的核心，就是即时提供有效的位置信息。

目前的定位服务主要有两种提供方法，一种是使用全球卫星定位系统(GPS, Global Positioning System)，通过全球同步卫星提供覆盖全球的空间定位，另一种基站定位的方法，则是使用无线蜂窝网络，通过无线基站台的坐标进行定位预估。

在户外方面，GPS定位技术以及基站定位技术已经具有全天候、高精度、自动测量等特点，在军事、交通、测绘及人们日常生活等方面得到了广泛应用，然后一旦进入室内环境，由于建筑物的阻挡，定位信号难以穿透建筑物，使得传统定位技术在室内环境中无法精确地使用，从而无法提供精准的室内LBS网络服务，导致用户无法在室内环境下享受基于位置的网络服务所带来的便捷与方便。

所以，在人们的生产生活越来越多地集中在室内的情况下，寻求一种能在室内环境中进行高精度且易实现的定位技术，来弥补目前GPS及基站定位技术在室内定位中的不足是十分必要的。

由于无线局域网易组网、易扩展、成本低、应用广泛等一系列的优势，基于无线局域网的室内定位技术在今后必将会有更深层次的发展。

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2.     基于Wi-Fi的室内定位方法

针对无线定位技术的研究，必须通过基于传播过程的定位方法，基于传播过程的定位方法有很多，常用的有基于电波传播时间(TOA：time of arrive)、基于电波传播时间差(TDOA：time difference of arrival)、基于到达角度的定位(AOA：arrival of angle)和基于接收信号强度(RSSI：received signal  strength indication)等。

1)        基于电波传播时间(TOA：time of arrive)

TOA方法主要测量无线信号在AP和移动终端之间的单程传播时间或者收发一次的来回传播时间。前一种方法要求AP或移动终端台能记录信号发出的准确时间，并且接收终端也同样对时钟有着十分高的要求，这样才能保证单程传播时间的记录；后者则不要求AP和移动终端间的同步，是一种测量传播时间十分常见的方法，要得到单程的时间就将测得的结果除以2即可，但是同样对时钟的精确度有着十分高的要求。

若无线电波从AP到移动终端传播所需时间为t，无线电波的传播速度为C，则移动终端必以AP所在位置为圆心，以C×t为半径的圆上。同理在第二个，第三个AP上进行上述计算，如果传播过程以及测量等都为理想情况，则理论上三个圆会交于一点，这点就是移动终端的所在位置。

但是TOA方法对时间测量的精度的要求非常高，在定位的技术过程中，1微秒的时间测量计算误差将会导致将近300m左右的定位误差，因此要求AP和移动终端有着非常精确的时钟，很大程度上增加了定位的硬件成本。

基于电波传播时间方法示意图

2)        基于电波传播时间差(TDOA：time difference of arrival)

不同于TOA，TDOA(到达时间差)是通过检测无线信号到达两个AP的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动终端的位置，显然，这样做的目的是降低对收发两端时间同步的要求以及时间测量精度的要求。采用三个不同的AP就可以测到两个TDOA值，移动终端就位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。如果有三个以上的AP，则可以得到多个双曲线方程，如果传播过程以及测量等都为理想情况，理论上这些双曲线方程都会交于一点，而这点就是移动终端的坐标位置。

TDOA法要求用户与基站之间达到实时同步，这加大了系统的成本，使得大范围普及应用较为困难。

基于电波传播时间差方法示意图

3)        基于到达角度的定位(AOA：arrival of angle)

在基于到达角度AOA的定位机制中，AP节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知来自待定位节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对角度或方向，再通过几何法则计算出节点的位置。AOA定位不仅能确定节点的坐标，还能同时得知未知终端的方位信息。但AOA定位方法易受外界环境影响，而且AOA需要添加额外昂贵的硬件。

AOA法利用方向性天线来判断信号源的方向，当接收到两个以上已知发射端的方向角度后，就可以利用发射端和接收端的相对角度估算出待定位移动台的位置，此方法估测精度虽然高，但由于需要额外的天线架设，所以成本偏高，难以实际应用。

4)        基于接收信号强度(RSSI：received signal strength indication)

研究测量及实验表明，无线信号在传播过程存在以下规律：在AP发射功率一定的情况下，接收方接收到的信号强度与收发双方的距离成一定反比关系，收发双方距离越近，接收方收到的信号强度越强，反之则接收到的信号强度越弱。RSSI方法就是通过已知的电波传播模型由移动终端测量来自几个AP的信号强度值，利用三个或三个以上信号强度值转化成到已知基站的距离值来对移动终端进行定位，一般通过3个AP就可以确定移动终端的位置。

这一种方法相对测量时间而言是比较简单的，它不需要对收发双方添加额外的硬件设备，但是由于空间中对无线信号强度影响因素较多，定位精度不甚理想。但考虑到对硬件要求相对较低，在定位精度要求不高的情况下可以利用。

下表分析比较了几种基于传播过程的定位方法的特性。

各类定位方法的优缺点

分析比较几种定位方法，在尽量不增加额外硬件设备的前提下，RSSI是一种更加易于推广的定位方法。

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