引爆物联网应用的WiFi室内定位技术及其演进

2016-03-02 16:28:15 sophie
人们处于一个陌生的环境时,往往最迫切想要知道的一件事就是:“我在哪里?”获取这个问题答案的过程,就是定位。早在远古时代,人们就已经学会通过太阳、星辰来辨认自己的方位;四分仪、六分仪的发明,让大航海时代那些狂热的淘金者们在茫茫汪洋中能确知航行的经纬度;而到了21 世纪的今天,人们则普遍采用智能手机的地图导航来确定自己所在的位置与行驶路线。
 
    人们对定位应用的需求随着技术的高速发展而变得更加多样化,特别是在物联网业务蓬勃发展的今天:在工厂,管理者希望精确追踪贵重物资和生产设备;在火场,消防员在浓烟滚滚中需要实施有效救援;在医院,价值千百万的贵重医疗设备需要管控;行车中,驾驶者希望获取最畅通的路线和最近的空闲车位;在商场里,消费者希望得到精准的商铺和货品定位,销售者也希望实现精准的广告推送;智能家居的实现,离不开精准定位使用者的归来;父母最迫切的希望,是知晓在人群里乱跑的孩子的行踪……定位应用遍布工业领域、行业领域和消费者领域,几乎何处有物联,何处就需要定位。
 
    室内定位技术中的WiFi优势
 
    近年来,物联网领域对于定位应用的研发热潮越演越烈。当前定位领域的主流技术包括蜂窝网、卫星、ZigBee、蓝牙、超宽带和WiFi等。蜂窝网上百米的定位精度无法满足物联网小尺度定位的要求,而卫星定位的致命缺陷是基本无法在室内收到可用的信号。ZigBee、蓝牙和超宽带等短距离无线通信技术虽然适合应用场景的定位要求,但是,超宽带技术成本过高,难以推广,ZigBee和蓝牙定位精度只有5~10米左右,其带宽限制使二者在未来也难有较大的提升。
 
    而WiFi在定位方面有着得天独厚的带宽优势,其也在向更高带宽和多天线的方向演进,更高的带宽意味着更好的测时/测距分辨率,更多天线的支持意味着为测角引入更多维度,从而显著提高定位的精度。WiFi的另一个优势是其在现实中的商业成功会产生良性循环,对其它领域的应用形成正向驱动——WiFi芯片早已是智能手机的标配,而WiFi接入点已有大量部署,这些现成的基础设施将为定位应用的商业推广提供便利,WiFi的日益广泛应用还会进一步降低其成本。
 
    WiFi室内定位关键技术痛点剖析
 
    然而,WiFi室内定位还未广泛应用于物联网领域,主要受困于4个方面。
 
    解决方案无普适性
 
    物联网领域定位应用多在室内环境,如商场、展览馆等人流巨大的公共场所,定位信号传播过程中易受干扰、衰减,进而影响精度,而且设备器件精度的差异、场所内物品的摆放都会引起定位偏差,不同的室内环境更是如此。这导致了定位解决方案的复杂多样,也会带来额外的成本开销。
 
    解决方案的后期维护成本太高
 
    定位方案通常基于测距或指纹两类技术,基于测距的技术需要额外部署锚点并记录锚点的位置,往往还要通过大量测试进行信道建模,导致成本过高;而基于指纹的技术需要事先采集大量实地数据,由于定位环境的差异,指纹采集自动化率低,往往极其耗费人力,同时指纹采集的颗粒度与定位精度相关,定位精度越高意味着数据维护成本也越高。更令人困扰的是,环境的轻微变化、锚点的变动都会影响定位环境而需要指纹库的维护,从而增加维护成本。
 
    产业链不成熟导致成本较高定位应用的产业链,涉及到终端定位设备商、地图管理方、定位整体方案集成方、后端定位应用开发方和定位服务运营方等多个产业环节,然而他们几乎各自为政,产业链生态圈尚处于初级阶段,还未到达产业链成熟的低成本阶段。
 
    定位精度还不能满足物联网领域的需求主要原因是WiFi设计之初只考虑了通信的需求,定位只是后来的一个附加功能。如果将前3个原因归纳为成本过高,长远来看,成本的限制可能随着技术发展的完善而渐渐消失,因此,提高定位精度将是迫切需要解决的重要课题。
 
    基于WiFi的高精度定位新兴技术
 
    虽然WiFi应用于定位具有良好的前景,但其精确定位的潜力并没有很好地发掘出来。而新应用尤其是物联网相关应用的迅猛发展,使得定位精度的相对落后变成了一个桎梏。因此,很有必要基于WiFi技术进行改造,释放其在高精度定位方面的潜力。让我们将目光投向那些有可能提升WiFi定位精度的新技术。
 
    毫米波频段技术
 
    毫米波是指频率在30GHz~300GHz的电磁波,因衰减较大且一些频段的电波易被大气吸收而被认为不适用于远距离无线通信,但由于其丰富的频谱资源,以及通过微蜂窝的密集部署可以缩小通信范围,使得短距离通信的问题也不再成为阻碍,因此被列为5G通信的主要发展技术点之一,同时也被IEEE 802.11标准组列入下一代60G通信标准——这使得基于WiFi的毫米波技术变得极具期待性。毫米波频段提供的超高带宽能够保证更高的测时分辨粒度,而且,毫米波波束窄,角度分辨率高,更适合高精度室内定位。尽管毫米波传输距离短、对遮挡和移动敏感,以及缺乏组网管理引入的干扰等等会影响定位的准确性和稳定性,但其与WiFi技术融合,将有可能克服这些缺陷。
 
    精准测时机制
 
    (Fine Timing Measurement,FTM)当前,基于TOA/TDOA测时/测距的技术也是定位技术手段之一,理论上可以获得较高的定位精度, 但依赖于较高的信号带宽。而在IEEE 802.11新发布的标准修订中定义了FTM机制,用于支持精确时间测量,测时粒度单位为0.1ns,这就意味着基于此协议的WiFi技术可以通过精准测时,使测距粒度可以达到3厘米。在新的标准演进中,将会讨论更精确的时间测量机制。
 
    CSI技术(Channel State Information)
 
    CSI是针对WiFi物理层的OFDM技术,能够在子载波的粒度上提供无线信号经历空间传播后的幅度和相位变化信息,这就意味着更底层、更稳定的信道信息和更高的空间分辨率,进而对应着更稳定、更精准的定位性能,可以克服目前广泛使用的RSSI定位因信号不稳定带来的定位性能差的缺陷。当然,CSI技术也有技术难点——理想的CSI值是对信号所经历空间信道的时/频响应的准确反映,但由于收端和发端在时间、频率和相位等维度无法做到完美同步,同步误差会导致CSI值被“污染”而难以直接用作位置特征,如何对获取的CSI进行净化处理就成为当前的研究热点。目前,已有研究团队在实验室环境下利用CSI指纹实现了约1米的定位精度,这意味着,基于WiFi的CSI技术会成为高精度WiFi定位的突破方向之一。
 
    毫米波和FTM技术让WiFi支持厘米级定位精度成为可能,使得WiFi不仅可应用于消费者领域,也将会越来越受到对定位精度有苛刻要求的工控、安防等行业领域的青睐,比如,未来采矿挖掘机可利用WiFi来进行精准作业,大型仓库中可通过WiFi来精确定位小型货物等。而CSI技术则会进一步提高现有基于指纹技术的定位方案的精度,将用户体验提升到新的高度,比如,可达到亚米级精度的超市货架定位、室内导航和安全监控解决方案将指日可待。这些新兴技术均需要对WiFi的底层技术进行修改,释放WiFi在高精度定位方面的潜力。可以想象,融合了以毫米波、精确测时、CSI等为代表的新兴技术之后的WiFi,在不久的将来,一定会成为普适的定位解决方案首选,以其优异的定位性能引爆物联网的万千应用。