蓝牙室内定位技术发展现状

《基于蓝牙传感网络的室内定位研究及在行为识别中的应用_江德祥》 2.12.1 无线定位技术概述无线定位技术概述 利用无线技术实现定位已成为定位研究领域的发展趋势。 每种无线技术都有各自的优缺点和适用局限性，需要根据具体的应用场景，考虑系 统成本、定位精度、实时性要求、技术实现难度和算法复杂性等因素。下面主要从 应用场景上来介绍研究较为集中的几种无线定位技术，其中室外定位主要使用 GPS 和 GSM 无线技术，而室内主要利用各种无线传感器，包括红外、超声波、蓝牙、 Wi-Fi、ZigBee 和 RFID 等。 基于红外的定位系统一般只能实现“房间级”的定位精度，而基于超声波的定 位系统能实现“厘米级”的高精度定位，但是这两种定位系统需要特定的硬件 设备，价格昂贵。这两种信号的穿透能力差，受墙壁和障碍物遮挡影响较大， 并且信号的覆盖范围过小，不适合室内的大范围定位。基于 RFID 的定位技术 是基于参考点的思想，在定位区域布置大量的 RFID 节点，再进行匹配查找， 这样实现大范围和高精度的室内定位就取决于 RFID 参考点的布置密度。基于 ZigBee 的定位取决于 802.15.4 无线技术的特点，其缺点是短距离和高延时，对利用信号强度 RSSI 来进行位置估计的应用存在一定局限。室内定位研究最集中的是基于 Wi-Fi 的定位 技术，由于无线局域网已在城市各个角落大面积覆盖，完全可以利用现有的无线设备来实 现室内定位，降低成本和提高定位精度。基于 Wi-Fi 的无线信号在室内可以达到 100-200 米的覆盖范围，能满足大范围的室内定位需求，其主要原理是利用无线接入点（Access Point，AP）的信号强度 RSS 值，定位设备通过与 AP 之间的信号测量关系来估计可能的 坐标位置。 2.2.12.2.1 基于范围检测的定位方法基于范围检测的定位方法 蓝牙定位研究中最先引入了范围检测的思想(文中也称为 Cell-ID 思想)， 原因是蓝牙无线信号具有有限的短距离范围特性。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。基于这种范围特性，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，达到对应 Range 范 围的精度。因此在早期的蓝牙定位研究中，大部分工作都是基于 Cell-ID 的应 用原理。 2003 年 Anastasi G 等人[26]提出使用蓝牙技术来实现一种定位框 架和服务。基于 Cell-ID 的方法实现了一个 BIPS 蓝牙定位系统。BIPS 系统 是在一个建筑物内布置蓝牙接入点，使用以太网将各个接入点连接到定位服务 器上，移动用户在他的手持终端上就可以看到到达同一建筑物内其他移动用户 位置时他必须行进的路线。蓝牙接入点的任务是发现并登记进入它覆盖区域的 用户，其位置信息注册在服务器上。BIPS 可以追踪移动用户在一个建筑物内的 走动和站立，实现“房间级”的定位精度。实验分析了蓝牙查询周期的影响， 同时考虑一个移动用户在蓝牙接入点覆盖范围内的接入时间，比如查询周期为 3.84s 时，发现设备的概率在 95%以上，在 20 米的覆盖范围内以 1.3m/s 的 速度移动则接入时间为 15.4s，剩下 11.56 秒可提供服务。 文献[27]中同样利用 Cell-ID 的思路，提出将蓝牙与 3G 网络结合，组成 一个定位服务网络。文中指出 GPS 不适合室内定位，其他几种技术(2G 的 Cell-ID，TOA 方法)的定位精度过低，为了提高定位精度，可结合蓝牙技术实 现 10 米的定位精度。 Raffaele Bruno 等人[28]考虑位置感知的需求以及已有的一些定位和追踪 系统设备成本太高的问题，提出一种基于蓝牙的定位和追踪系统，实现低成本 定位方案。该系统同样利用 Cell-ID 的方法，进入覆盖点的蓝牙设备与蓝牙接 入点建立连接，重点分析了蓝牙的发现和连接建立过程，以及此过程的时间消 耗和延迟。 Chawathe. S. S 等人[29]描述了一种新的方法来决定移动终端的位置， 使用基于 Cell-ID 的方法来确定蓝牙锚节点（beacon）交集覆盖区域的位置。 根据蓝牙 Range 的特点，在室内环境下覆盖的区域是不规则的，利用最大分离 子超图的方法来确定锚节点的布置位置。主要利用蓝牙的短距离接收范围优 点，以及蓝牙设备低成本和易布置的优势。该方法的另一个优点是让移动设备 来决定它自己的位置，而蓝牙锚节点和其他用户都是匿名不确定的。 根据以上的研究工作，基于范围检测的定位方法只能实现“房间级”的定 位精度，对于构建大范围的定位追踪服务网络是一种可取的方案，但是对于室 内的高精度定位需求基于范围检测的方法只能达到“房间级”的定位精度，不 能够满足要求。蓝牙定位研究中开始探索利用蓝牙信号强度 RSSI 来提高定位 精度，根据信号传播的空间关系来确定设备的坐标位置。 2.2.22.2.2 基于信号强度的定位方法基于信号强度的定位方法 蓝牙技术中提供了基于连接的 RSSI 和基于查询的 RSSI 两个可供定位技 术实现的参数。在早期的蓝牙规范中只提供基于连接的 RSSI，这就意味着定位 接入点设备和用户蓝牙设备必须在定位阶段一直建立连接。应用基于连接的 RSSI 时遇到了一个 GRPR 问题，即在信号强度的定义中存在一个黄金分割区， 处于这个分割区的 RSSI 值总为 0，表示在合适的信号接收范围，对于要将实 时 RSSI 值与距离映射成对应关系的定位方法，GRPR 问题是一个限制点。在以 后的蓝牙规范当中，提供了基于查询的 RSSI，该方法的优点是不需要建立连 接，只需基本的查询过程就可以获取目标蓝牙设备的信号强度值。 Kotanen. A 等人[30]引入了基于信号传播模型的方法，通过读取连接 RSSI 值来构建信号强度与距离的映射关系。实验结果达到了 3.76m 的定位精 度，实验中也使用了扩展的卡漫滤波来实现 3D 位置的估计。但是基于连接的 RSSI 值存在 GRPR 的问题，使得定位参数并不可靠，小范围取得 3.76m 的定 位精度并不是一个理想的结果。 文献[31]中也实现一种基于蓝牙信号强度的定位系统，利用蓝牙发送者和 接收者之间距离与 RSSI 值的相关性，采用三角定位来估计位置，在 PDA 上进 行了实现。该系统提出了三角定位的公式(LSE)，在地图上采集标定数据，最后 用三角定位方法求出位置，定位误差为 2.06m。系统同样遇到了 GRPR 的问 题，采用了多项式近似转换的方法。 Bandara U 等人[32]提出蓝牙定位系统中使用 RSSI 的三个问题：一是室 内环境下信号强度受到多径衰退，干挠等影响；二是信号强度定义中的 GRPR 问题；三是蓝牙的连接建立时间过长。提出了一种多天线的接入 AP 的方法， 每个天线都连到 AP 上，定位服务器分别记录各个天线上的 RSSI 值。使用一 种可变衰减器来解决建立 RSSI 映射的问题，使用采集标定数据的方法来解决 干挠和多径衰退的问题，实验获得了 92% 2m 的定位精度。该方法采用的仍然 是基于连接的 RSSI，不过提供了新的蓝牙定位思路。 Shen