1.1 室内定位技术的发展现状

随着物联网技术的迅猛发展和移动智能设备（例如手机、计算机和可穿戴设备）的广泛使用，基于位置服务（Location Based Service,LBS）的应用越来越广泛，各行各业对人员和设备的跟踪定位有着越来越多的需求。目前针对室外场景的LBS已经很成熟，全球定位系统（Global Positioning System,GPS）已经广泛应用在飞机、车辆和手持设备中，可为飞机、车辆和行人提供有效的LBS[1]，并成为各种移动设备使用最多的应用之一。近年来，LBS相关技术和产业正向室内发展，以提供无所不在的基于室内位置的服务（Indoor Location Based Service,ILBS），其主要推动力是ILBS带来的巨大应用和商业潜能如图1-1所示。许多公司包括操作系统（Operating System,OS）提供商、服务提供商、设备和芯片提供商都在竟相角逐这个市场[2]。

ILBS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。例如，在大型购物中心、火车站、机场、停车场、博物馆等，用户可以通过ILBS获取定位信息快速找到入口、出口、洗手间、热点服务区域等，不会为在大型室内建筑物内迷失方向而烦恼。结合其他实际应用需求，用户还可以通过ILBS获取展品和商品宣传广告等信息[1]。例如，在医院场景下，通过为病人佩戴一个生理监测定位装置，医护人员能够实时监测病人生理状态指标，一旦生理指标参数出现异常，数据监测中心工作人员可及时做出反应，赶往病人所在区域进行诊治[3]。通过在医疗设备和移动式病床上安装定位监测装置，监测中心可实时跟踪医疗设备和病床动态，减少搜寻时间，有效提高设备病床的使用流转率和员工的工作效率[4]。

在未来，想象这样的场景：当我们到会议室开会，智能电话会自动开启静音模式；逛商场看到一件感兴趣的商品却仍在犹豫是否购买时，拍下照片并自动给照片打上位置标签，等下次决定要买时，智能移动设备会帮助我们导航到该商品的位置。这些都会给我们日常生活和工作，甚至在紧急情况下带来便利[2]。总之，随着各种无线通信定位技术的持续发展，ILBS商业模式将在各行各业具有十分广阔的发展前景和商业应用价值。

1.1.1 室内定位技术的特点和技术指标

1．室内定位技术的特点

室内定位系统（Indoor Positioning System,IPS）是一种以确定室内用户空间位置为目标而构成的相互关联的集合体或装置，可以为用户提供人性化和个性化的ILBS。

目前的大部分IPS均需要借助定位锚点进行定位。定位锚点是已知位置坐标的收发信号装置，通过各种定位测距估计算法，计算出用户设备（User Equipment，UE）相对于定位锚点的位置，从而实现坐标定位。IPS的通用系统架构如图1-2所示。

根据发射机和接收机位置的不同，IPS可分为主动导航定位系统和被动监视定位系统两类[5]。

主动导航定位系统是发射机位于定位锚点，而接收机位于待测节点，其基本原理为定位锚点主动发送与位置相关的ID信息，用户设备接收到ID信息后，查询计算机终端的数据库获取定位锚点的坐标，然后根据多个ID信息的特征参数采用相应的定位算法进行精确定位。目前采用该结构的IPS技术有Wi-Fi、超宽带（Ultra Wideband,UWB）、ZigBee和蓝牙等。

被动监视定位系统的设计思路与主动导航定位正好相反，它是将发射机置于待测节点，而将接收机置于定位锚点，其基本原理为待测节点向周围发送信号，被多个定位锚点所接收，多个定位锚点可以估计信号源的距离、角度和到达时间等参数，然后再通过多边或多角定位算法来确定信号源的位置。目前采用该结构的IPS技术有红外线、射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）标签和超声波等。

和室外定位技术相比，室内定位技术具有以下不同的特点。

首先，与室外环境相比，室内环境由于存在各种各样的反射体，例如墙壁、设备和人，射频信号会通过反射体形成多径传播，从而导致较为严重的多径干扰和延迟问题。同时，反射体和障碍物导致信号的高衰减和散射现象，从而影响定位精度。不过，室内环境也存在一些有利于定位的特点，例如，小覆盖区域使得信号更加容易控制，信号在室内环境下移动速度缓慢使得定位信号的动态变化较小等[6]。

其次，室内信号可能存在较多干扰源。这是由于室内环境是相对封闭的，声音、光线、温度等干扰源都会对定位设备的传感器造成一定的影响，特别是声音和光线，会在室内进行多次反射，使得干扰情况更加复杂[5]。

此外，在多层建筑和未知环境中的定位往往较为困难。室内定位不仅要考虑二维平面的位置，在多层建筑中还要考虑楼层的三维位置，甚至包括地上和地下部分。目前大部分室内定位技术都是基于对室内环境了解的基础上进行设计，但在实际应用中，往往未必能够得到有效的环境信息，或者由于某种原因导致定位基础设施遭到了破坏等，这些因素都能给室内定位系统的性能带来不利的影响。如何减少对环境的依赖性是室内定位技术领域的难题之一[5]。

2．室内定位技术的性能指标

通常，IPS会根据定位准确度、精确度、成本、可扩展性、安全性等方面的要求，采用满足特定需求的定位算法。有一些应用需要用到低成本的IPS，例如商场超市的导航导购等；而其他一些应用则可能需要用到高精度的IPS，例如室内工业机器人导航、医疗设备跟踪等。在本节中，我们将介绍几种主流的评价IPS性能的技术指标。

（1）准确度

准确度是指在一定实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，常用来表示系统误差的大小[7]。通常IPS采用位置误差（Location Error, LE）作为准确度最为直观的评价指标，LE可表示为

其中，（x, y）表示待测节点（用户设备）的真实坐标，而（,）表示IPS通过定位算法估计的用户设备的坐标位置。从式（1-1）可看出，LE实际上是估计坐标和真实坐标的欧氏距离。

为了提高系统的准确度，通常可采用多次测量的方法来抑制系统噪声的干扰。通常使用关于位置的均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）作为准确度的评价指标。LE的RMSE可表示为

其中，（，）表示第i次估算出的用户设备坐标值，n表示测量总次数。

对于一些经典的室内定位模型，如果已知系统噪声功率的概率分布函数或概率密度函数，则可通过分析系统模型的定位误差的均方误差（Mean Square Error,MSE）的下界（如克拉美罗下界），作为精确度的一种度量评估方法。

（2）精确度

精确度是指多次重复测定同一个量时各测定值之间彼此相符合的程度，它表示测定过程中随机误差的大小[7]。定位准确度仅考虑了真实位置与估计位置之间的偏差，而定位精确度关注的是在一个定位区域内多次测试的定位误差的分布情况，反映的是IPS的整体工作情况和顽健性。通常可采用定位误差的累积分布函数（Cumulative Distribution Function,CDF）来表征定位精确度[8]。LE的CDF可表示为

其中，E表示关于LE的随机变量，e表示LE的某一个数值，P（E≤e）表示随机变量E取值小于数值e的概率。

（3）复杂度

IPS的复杂度可分为硬件复杂度、软件复杂度和操作复杂度。对于定位算法而言，强调的是软件复杂度，也就是定位算法的计算复杂度。如果定位算法的计算是放在中央服务器上执行的，由于服务器超强的处理能力和充足的电源供应，位置将很快计算出来。如果算法是在移动终端上执行的，由于大部分移动终端缺乏超强的处理能力和大容量电池，算法复杂度对定位的影响显而易见。因此，在互联网终端应用不断普及的背景下，系统设计者更倾向于低复杂度的定位算法。通常，我们很难推导出一个关于复杂度的通用分析计算公式，但是计算IPS的定位时间是可行的，通常可使用定位速率作为表征复杂度的重要技术指标。定位速率的两倍称为位置滞后，其表示一个移动终端移动到一个新的位置所需要的延迟时间[8]。

（4）可扩展性

在现实情况下，一套定位系统被研发出来后，有可能在不同的室内场景下使用，例如购物中心、展馆、博物馆、图书馆和医院等。另外，根据场景的差异性，系统在一定的区域范围内和给定的定位时间内所能支持的定位对象的数量有可能受限。而IPS的可扩展性意味着当室内地理场景发生更改，以及用户数量发生变化（特别是在增长）时，系统仍可保证正常的定位功能。用户规模表示在单位地理区域和单位时间周期内的用户数量[6]，它是评价可扩展性的一个关键指标。

（5）成本

一套IPS的成本依赖很多因素。重要的因素包括经济费用、时间、空间、重量和能耗等。时间因素主要与安装部署和维护机制有关。移动终端往往具有紧凑的空间和重量限制。而定位锚点部署密度也是需要考虑的一种时间和空间成本。能耗因素则是系统的重要成本因素，对于终端用户而言甚至可能是最重要的因素之一。一些移动单元（如电子物品监视标签和被动式RFID标签等）是完全能量被动的，这些单元仅对外部磁场有反应，因此具有无限的能量寿命。而其他移动终端（装配有可充电电池的设备）如果不充电，只有若干个小时的能量寿命[8]。

1.1.2 常见的室内定位技术

目前，常见的室内定位技术包括红外线（IR）、超声波、RFID、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、UWB、惯性导航定位等。基于这些基本技术的系统实现方案得到了大量研究者的长期关注。一般来说，可以利用单个技术或者几种技术的融合，来达到总体性能和复杂度的折中。下面简单介绍上述几种技术方案的优缺点以及使用这些技术的典型实现系统。

（1）红外线定位

剑桥大学和AT&T实验室联合开发的活动徽章系统是红外线定位技术的经典应用[9]。该系统在移动定位目标上带有红外发射器，周期性地发射唯一身份标志信号。同时，在室内布置大量光学传感器作为定位锚点。定位锚点通过有线或者无线方式连接到控制中心，当移动定位目标进入相应定位区域并且被该区域的定位锚点识别后，控制中心就可以确定移动终端的当前位置。该系统是一种被动监视定位系统。红外线室内定位精度相对较高，但是无法穿透障碍物，仅在直线可视距离内传播，有效距离较短，受室内布局和灯光影响较大，定位成本较高，在实际应用上存在一定的局限性。

（2）超声波定位

超声波室内定位系统基于超声波测距原理，由主测距器和若干个应答器组成。主测距器放置在移动定位目标上，应答器安装在定位锚点上，主测距器向位置固定的应答器发送无线射频信号，应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号，利用反射式测距和三角定位等算法确定物体的位置[9]。Active Bat是超声波定位系统的先驱，通过密集部署大量的超声波接收设备，达到3cm的定位精度[11]。Sonitor室内定位系统是一个能够进行商业应用的超声波定位解决方案，已经应用在若干大型医院用于跟踪病人和医疗设备，精度一般为房间级[12]。超声波定位能在非可视距离下传播，定位精度较高且误差较小，但是超声波信号传输衰减严重，定位有效范围有限，设备成本较高，只适用于特定环境下的室内定位。

（3）RFID定位

RFID定位技术通常采用“邻近信息”的思想，通过触发不同位置的RFID感知器或读写器（定位锚点）进行定位，定位精度取决于定位锚点的分布密度，一般定位精度较低，能满足一定的应用需求。其优点是响应迅速，同时由于其非接触和非视距的特性，这种技术有很好的用户体验[13]。结合半有源RFID标签，采用低频激活器激活RFID发送标识信息，同时在不同的定位锚点位置部署RFID读写器，每个读写器都有自己的设备编号，人员佩戴的电子标签会被不同位置的读写器检测，从而实现定位目的。

（4）Wi-Fi定位

由于Wi-Fi路由设备被广泛使用，基于Wi-Fi的定位方案部署起来成本低廉，不需要额外添加很多硬件设备[13]。目前，主流的Wi-Fi定位技术分为两种：一种是基于至少3个无线接入点（Access Point,AP）的无线接收信号强度（Received Signal Strength,RSS），通过多边定位或多角定位算法估计移动终端的位置；另一种是通过服务器将室内环境中的AP信号强度记录至数据库作为每一个AP的指纹，定位时将接收到的信号强度经由数据对比和一定的估算后得出位置信息，如最早使用这种方案的微软公司所提出的Radar系统[14]。Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大尺度定位、监测和追踪任务，总体精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到几米左右，无法做到精准定位。由于Wi-Fi路由器和移动终端的普及，定位系统可以与其他客户共享网络，硬件成本很低。

（5）蓝牙和ZigBee定位

蓝牙和ZigBee定位技术类似，有部分重合频段，且两者定位技术均基于短距离低功耗通信协议。目前蓝牙定位主要使用蓝牙4.0以上的规范，该规范基于低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy,BLE）技术研发，而ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，两者都具有近距离、低功耗、低成本的特点[15]。蓝牙和ZigBee的定位精度主要取决于基础设施的部署密度，一般均需要在室内环境中布置大量的定位锚点，通过采用邻近探测法、质心法[17]、多边定位法和指纹定位法[18]实现移动终端的定位。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、距离短、功耗低，容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启，就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响，低功耗模式下的传输距离可以达到10m以上。但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性较差，受噪声信号干扰大。

（6）UWB定位

UWB技术通过发送纳秒级或纳秒级以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GHz量级的数据带宽。在室内定位方面，UWB技术受到了高度的重视和广泛深入的研究。由于UWB具有很强的时间分辨率，定位算法主要采用到达时间（Time of Arrival, TOA）或到达时间差（Time Difference of Arrival,TDOA）准则来实现。Ubisense公司推出的TDOA和到达角度（Angle of Arrival,AOA）相结合的室内定位系统，测距范围达到50～100m，精度达到15cm[19]。Zebra公司推出的Dart UWB系统，精度达到30cm，测距范围达到100m[20]。从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等技术角度来分析，UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。然而，UWB难以实现大范围的室内覆盖，系统建设成本远高于RFID和蓝牙定位等技术，限制了该技术的推广和普及。

（7）惯性导航定位

惯性导航定位是一种纯客户端技术，主要利用移动终端惯性传感器采集运动数据，通常采用加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测算法，经过各种滤波运算得到移动目标的位置信息[21]。随着运动时间的增加，惯性导航定位的误差也在不断累积，这时需要外界更高精度的定位信息源对其进行校准。因此目前惯性导航一般和其他指纹定位技术（Wi-Fi和蓝牙等）融合在一起，每过一段时间通过Wi-Fi和蓝牙定位锚点请求当前室内位置，以此来对产生的误差进行修正[24]。惯性导航的定位精度通常取决于传感器质量和安装的位置，绑在用户脚部的惯性导航可采用零速校正限制漂移，有效地对累积误差进行修正，系统定位精度可得到提升[25]。目前该技术商用已比较成熟，在扫地机器人等产品中得到了较广泛的应用。

从以上常见室内定位技术的特点可知，目前的室内定位技术发展主要存在以下几个共性问题。

（1）精度问题

目前大部分商用定位技术的精度还不高，约在几米之内，这个精度对室内环境来说存在一定的不足。要提高精度就必须提高抗干扰能力，解决信号衰减和散射、多径效应和信号校准等传统问题[5]。

（2）部署成本和能耗问题

目前大部分的定位技术都需要在环境中安装辅助节点（定位锚点）用于测距、测角和返回位置信息等。要提高精度，就必须安装大量的辅助节点，大幅增加了成本和能耗。有些技术本身功率大、能耗高；有的技术需要大量的人力、物力去收集指纹信息，完善指纹地图；此外许多系统还需要周期性地人为校准等[5]，这些都在实用性方面制约了当前IPS技术的发展。

此外，各种基于射频通信的IPS，由于受到室内反射、衍射和散射的严重影响，接收机跟踪射频（Radio Frequency,RF）信号具有相当的难度和挑战性，导致定位系统设备和算法复杂度普遍较高。因此，截至当前，“最后一米”的定位问题始终是室内定位技术领域的一个热门话题，具有较大的挑战性。