【室内定位技术】——WiFi技术

概述

位置相关信息是物联网应用的最基础要素之一，在室内环境中具有非常广泛的应用场景，例如机场等大型建筑物的人员导航、特殊贵重物品跟踪、基于位置的服务或广告推送、安全和入侵检测与防范等。在众多的室内定位技术中，因为智能手机，平板电脑的普及，WiFi在室内定位的场景中有很多天然的优势。一般情况下，WiFi热点,也称之为AP(Access Point)，或无线路由器的方位都是固定的，热点只需通电，不论它怎样加密的，都必定会向周围发射信号，只需设备能够扫到，不需要连接WiFi，定位端就能把检测到的热点的信息发送给服务器，服务器根据这些信息，查询、运算，就能知道客户端的具体方位了。

WiFi的历史

二战时期，由于军事用途科学家发明了能够抵挡电波干扰的军事通讯系统，它就是“扩频通讯技术”，也就是CDMA的前身；Wi-Fi于1971年起源于夏威夷，在那里使用了一个名为ALOHAnet的无线UHF分组网络来连接这些岛屿，后来由NCR和AT&T在1991年开发的协议称为WaveLAN，成为IEEE 802.11标准的先驱。1990年澳大利亚射电天文学家沙利文研究让无线电信号与有线网络信号一样可以快速而稳定的传输，自此WiFi此项技术横空出世，成为20世纪最伟大的发明之一。1999年几家有远见的公司成立的组成了无线以太网路相容性联盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，缩写为WECA)；2002年10月，改名为Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance)，目前拥有Wi-Fi注册商标。它明确将Wi-Fi定义为任何“基于电气和电子工程师协会（IEEE）802.11标准的无线局域网（WLAN）产品”。最初，Wi-Fi仅用于代替2.4GHz 802.11b标准，但是Wi-Fi联盟已经扩展了Wi-Fi术语的通用使用，以包括基于任何802.11标准的任何类型的网络或WLAN产品，包括802.11b，802.11a等

任何被Wi-Fi联盟测试和批准为“Wi-Fi认证”（注册商标）的产品都保证彼此可互操作，即使它们来自不同的品牌制造商。这意味着拥有 Wi-Fi 认证产品的用户可以将任何品牌的路由器或调制解调器与任何其他品牌的客户端硬件一起使用，这些硬件也被视为 Wi-Fi 认证。

通过此认证的产品必须在包装上贴上识别印章，注明“Wi-Fi 认证”并注明所使用的射频频段（802.11b、802.11g 或 802.11n 为 2.5GHz，802.11a 为 5GHz），新一代 802.11x 标准每隔几年发布一次，以提供改进的性能和安全性

根据Wi-Fi联盟委托进行的一项研究，Wi-Fi的全球经济价值估计超过3.3万亿美元。到2025年，这一价值预计将增长到近5万亿美元。

WiFi标准

为满足人们对无线接入的需求，电气电子工程师协会IEEE（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，）从 2014 年开始研发新的无线接入标准 IEEE 802.11ax，为了更好地普及推广，2018年10月，由 Wi-Fi 联盟对不同 Wi-Fi 标准制定了新的命名，IEEE 802.11ax 协议标准被命名为 Wi-Fi 6，而此前的 802.11n/ac 也更名为 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 5，统一了 Wi-Fi 标注的方式呈现。Wi-Fi 6 目前是 IEEE 802.11 无线局域网标准的最新版本，并且向上兼容 802.11a/b/g/n/ac 协议标准。因此准确的讲WiFi是一个品牌，是WiFi联盟的商标，但为了Wi-Fi用户和设备供应商更容易理解和记住Wi-Fi标准，因此使用编号重命名了标准。

最新的Wi-Fi 6标准的特点是：第一是高速传输，在 160MHz 信道宽度下，单流最快速率为 1201Mbit/s，理论最大数据吞吐量 9.6Gbps；第二是高效节能，路由器可以统一调度无线终端休眠和数据传输的时间；第三是覆盖范围广，同时支持2.4 GHz和5 GHz两个频段，2.4 GHz 频带比 5 GHz 频段信号更好，穿墙能力更强。

Wi-Fi 6的核心技术

OFDMA

Wi-Fi 6 借鉴了蜂窝网络采用的 OFDMA 技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，是指正交频分多址），允许一次向多个设备传输数据，在一个时间段可以有多个载波同时传输多个数据包，不必设备排队等待、相互竞争，从而提升效率和降低时延。可以在低吞吐量或小包应用（如物联网传感器）的高密度环境中应用

MU-MIMO

MU-MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用户多输入多输出系统)，相比 Wi-Fi 5 只能在下行使用 SU-MIMO (Single-User Multiple-InputMultiple-Output,单用户多入多出技术)技术，Wi-Fi 6 支持完整版的 MU-MIMO 技术，同时支持上行/下行，更可以一次同时支撑 8 个终端设备上行/下行传输数据。Wi-Fi 6 让路由器利用多天线同时跟多个终端设备进行沟通，做到“一心多用”。解决多个设备同时连接造成虽然都有 Wi-Fi 信号，但网络拥堵，网速慢的问题。

1024-QAM 调制方式

正交幅度调制（QAM）是一种高度发达的调制方案，用于通信行业，其中数据通过无线电频率传输。对于无线通信，QAM是一种信号，其中两个载波（两个正弦波）相位偏移90度（四分之一相位）被调制，产生的输出由幅度和相位变化组成。这些变化构成了传输的二进制比特（数字世界的原子）的基础。Wi-Fi 6 的 1024-QAM让数据的收发过程更加紧密，同样的信号下可以传输更多的信息量，相比 Wi-Fi 5 的 256-QAM 最大可有 25% 的速度提升。Wi-Fi 6 也可以同时利用 2.4 GHz 和 5 GHz 两个频段，多频段收发减少网络拥堵的情况

TWT

TWT(Target Wake Time,目标唤醒时间)使设备能够确定何时以及多久唤醒一次发送或接收数据。从本质上讲，这允许802.11ax接入点有效地增加设备睡眠时间并显着延长电池寿命，这一功能对于物联网尤为重要。除了节省客户端设备端的电源外，目标唤醒时间还使无线接入点和设备能够协商和定义访问介质的特定时间。这有助于通过减少用户之间的争用和重叠来优化频谱效率

BSS Coloring

Basic Service Set(BSS,基本服务集) Coloring 标记共享频率，以允许 802.11ax 接入点确定是否允许同时使用频谱。传统的高密度Wi-Fi部署通常由于频谱有限而将多个接入点分配给相同的传输通道 – 这是一种低效的范式，导致网络拥塞和速度变慢。Wi-Fi 6的BSS coloring 技术可减少因拥塞而造成的干扰，并确保在高密度环境中为多个连接的设备提供一致的服务。

WiFi定位

WiFi协议最初并不是为定位而设计的，单天线、带宽小，室内复杂的信号传播环境使得传统的基于到达时间/到达时间差（TOA/TDOA）的测距方法难以实现，Wi-Fi 是计算实时定位系统 （RTLS） 资产标签位置的常用技术选择之一，与其他定位技术（如蓝牙、超宽带 （UWB） 或超声波）相比，Wi-Fi 室内定位系统的使用具有优势和局限性。一些客户，特别是医疗保健RTLS的用户，发现使用现有的Wi-FI系统对于实现其RTLS解决方案所需的精度目标存在问题。Wi-Fi以四种不同的方式用于位置确定，每种方法都有自己的一套优势和挑战；尤其是WiFi定位需要设备都需要一个模组作为收发器，这样也导致其功耗较大。

Wi-Fi指纹识别

Empirical Fingerprinting（经验指纹定位）的假设是：在理想情况下，目标环境中每一个地理位置都拥有唯一的可区分的无线信号特征，作为该位置的指纹信息；不同指纹的相似度程度和它们之间的物理距离具有强关性。

基于指纹的定位流程可以分为两个阶段：
离线训练阶段：训练人员手持移动设备在目标环境的多个位置上分别采集来自不同接入点（AP）的Wi-Fi 信号强度信息
在线定位阶段：待定位的移动端设备采集 Wi-Fi 信号强度，形成该位置上的指纹向量并上传到服务器端。服务器端通过指纹相似度匹配算法，将上报的指纹向量与数据库中每一条指纹记录相匹配，最终确定待定位设备的估计位置，并回传给移动设备

指纹识别的优点是，它是一种从现有Wi-Fi基础设施获取位置信息的廉价而简单的方法；主要缺点在于环境的变化，例如区域中的家具或设备的的移动，打开/关闭的门，甚至人们经过也可能需要重新计算预定义的信号强度

指纹识别+RSSI

对简单指纹识别的改进是使用基于RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示器的多边化，它使用所有可检测的Wi-Fi AP的信号强度及其位置知识来计算位置，WiFi信号的RSSI（或接收信号强度指示）与距离成反比，结合三边测量，RSSI可用于近似资产的位置。在大多数情况下，假设有足够的AP，这可以精确到4m左右或房间级别，然而，由于障碍物和/或反射，信号的测量RSSI可能会降低，从而导致RSSI测量不准确，从而导致位置确定

WiFi-TOF

基于飞行时间（ToF）的三角测量，即当发送到资产标签的数据包有多个Wi-Fi AP时间戳时。如果 AP 具有紧密同步的时钟，则可以使用时差来计算位置。这些系统需要专门的Wi-Fi基础设施，这些基础设施必须安装在足够密集的布局中以支持RTLS。这些系统是最准确的，但需要昂贵的Wi-Fi系统。需要安装的 AP 比仅使用数据所需的 AP 多。墙壁（特别是医院等大型建筑物中的墙壁）可能会增加多路径问题，这可能会降低基于ToF的RTLS的准确性

WiFi-AOA

到达角（AoA）的定位，与TOF类似，其中接收给定Wi-Fi传输的角度是使用称为多输入多输出（MIMO）天线的东西计算的，该天线将天线聚集在一起以增加范围和吞吐量。MIMO 天线系统在某些企业环境中很常见。有时，系统使用ToF和AoA的组合，这可以产生非常准确的位置。AoA系统还有一个额外的问题，即它们需要安装在某个方向才能正常工作。它们具有与TOF相同的噪声、采样伪像和多路径通道效应，但时钟同步的要求问题不大

WiFi定位厂家

Skyhook是一家专门做WIFI定位算法的公司，运营着世界上最大的独立定位网络，由45亿多个地理定位Wi-Fi热点和1.8亿多个地理定位小区ID组成。每天Skyhook处理数百亿次位置交易，为设备，应用程序，可穿戴设备，媒体，品牌和广告平台提供精确和准确的位置数据和智能，现在已经被Qualcomm收购。

优频科技的核心技术是超低功耗Wi-Fi技术和高精度实时定位和行为分析算法以及相关的物联网产品。优频Wi-Fi物联网平台可以实现基于位置的实时状态监控和精细化管理功能，将自动识别（RFID）、实时定位（RTLS）、无线传感（WSN）、地图导航、数据采集、语音视频传输等多种功能集于一套网络和一个平台。公司产品目前已经广泛应用于商业、养老、工业、煤矿、医疗、社区、展馆、安防、监所等多个行业

sensewhere的室内定位技术以广泛的专利组合为基础。该软件可以在GPS卫星信号较弱或受阻的区域（例如室内或密集的城市地区）进行室内定位，而无需额外的基础设施；腾讯地图已选择sensewhere室内定位软件作为其位置SDK的一部分，该SDK可供腾讯移动平台和腾讯附属公司的移动服务的众多用户使用。sensewhere独特、高度可扩展的方法极大地增强了腾讯地图的室内定位和位置广告功能，使用户能够以更准确、更便捷的方式在室内导航

Inpixon 研发了物联网传感器收集室内数据，这些传感器可检测和定位无线设备，从而基于位置的解决方案提供支持。从无线设备检测和定位到访客分析、资产跟踪等，多功能传感器系列和模块化传感器。

Link Labs由约翰霍普金斯大学的一群工程师创立，提供业界最完整的端到端企业物联网平台，用于标记，定位和监控市场上的设备，耗材和资产，并拥有超过25项创新解决方案专利。每月部署了数十万台物联网设备，并管理数十亿个物联网事件。

WiFiSlam公司主营业务是让智能手机可以在室内定位，他们推出的应用软件可以让智能手机利用建筑物内已有的WiFi热点定位。在2013年被苹果收购，苹果收购WifiSLAM应该主要是对它背后的定位算法比较感兴趣，可以看出其在室内定位上的布局长远。

上海图聚智能成立于2012年，高精度室内地图及室内定位技术服务，是室内地图服务和室内定位解决方案提供商。于2016年挂牌新三板（股票代码837764），成为室内GIS行业内第一家挂牌上市公司