账号:
密码:
最新动态
产业快讯
CTIMES / 文章 /
Wi-Fi室内定位技术剖析
 

【作者: 林昱仁】2009年02月02日 星期一

浏览人次:【15059】

政策法令推波助澜定位技术

定位技术的发展已经有相当悠久的历史。最早的定位系统NavStar在1986年诞生,但是真正将定位系统资讯开放给大众使用则是在1990年。经过10余多年来的发展,单单地图导引这样简单的应用,就已创造相当可观的商机。而行动电话的普及,使得手机定位成为定位服务市场的生力军,美国联邦通讯委员会(FCC)于1996年制订的E911(Enhanced 911)法令,更规定行动通讯业者必须能在手机使用者拨出911时提供正确的位置资讯。


因此在准确度的要求方面,若业者采用handset-based定位技术作为解决方案,要有67%的求救电话能定位在50公尺以内,95%的电话定位在150公尺以内。若业者采用network-based定位技术的解决方案,则要有67%的求救电话能定位在100公尺以内,95%的电话定位在300公尺以内。此外,欧盟也提出类似于E911的法令E112。


LBS服务发挥舞台空间大

透过政策性法令促使一个高普及率之行动定位环境已经形成,各式各样的Location Based Service(LBS)便有了相当可发挥的舞台。


一般而言,LBS服务大致可以分为两大类,一是不具有无线资料传输能力的封闭系统,以GPS专用系统为代表;而另一类则是以GSM、3G或WiFi为资料、语音甚至多媒体的通讯管道、并同时具有定位功能的系统,此又可称为行动位置服务(Mobile Location Based Service;MLBS)系统。前者已行之有年,运作方式为将位置相关资料或软体系统载于定位装置上,使用时完全由装置单独运作。相对地,后者因具备通讯能力,行动位置资讯可动态地由后端以无线通讯的方式传输至使用者端;使用者也可以在请求服务时附带其位置资讯,使服务更有效率或更为精致。


举例来看,传统的GPS系统可提供车辆导航服务,但是如果有临时的道路封闭或临时的车祸路况,就无法即时反映在系统上。 MLBS便可透过资料传输管道来解决此类问题。另外,手机的紧急求救若可同时回传位置资讯,可争取救援时效,这类服务就无法存在于没有通讯功能的系统中。但是,这并不意味着MLBS不能把位置资讯或软体事先载于定位手持装置上。传统LBS系统若附加通讯功能,以通讯取得动态资讯,也就成为MLBS,例如某些GPS车载机可透过GSM通讯与后端连线者,又像是A-GPS手机其实都可以列入MLBS的范畴。


室内外定位技术比较

现今行动定位技术可区分为以卫星及网路为基础两种,以卫星定位其成本较高,且使用者装置需要有额外机制支援;网路定位则需要许多的基地台来提供稳定的讯号品质。行动定位技术又可分网路端、用户端及混合型定位三种。


网路端、用户端和混合定位

简单来说,以网路端定位需计算3个以上基地台与手机之间讯号的传输资料,其利用行动终端发出之信号,在基地台或网路系统端推算行动终端位置,属于远端定位系统,以Cell-ID及TOA/TDOA为较常见之定位技术。


用户端定位则利用3个以上的卫星讯号为参考资料,行动终端利用卫星发出的信号,在行动终端上计算自己位置,属于终端定位系统,目前以GPS为主要代表。混合型定位则是近年来较常被提到之技术,其架构是将计算位置所需之资料置于网路系统端,计算过程由行动终端及网路系统端共同完成,以A-GPS为较常见之定位技术,而目前亦有利用接收端讯号强度(RSS)或搭配TDOA技术来计算行动终端位置,亦是混合型定位应用。


Wi-Fi定位覆盖率高

大致来说,除了A-GPS外,定位的准确度与网路基地台建置的密度有关。单一行动电话基地台的涵盖范围远大于Wi-Fi接取点,因此先天上透过Wi-Fi的位置计算,便具有较为准确的优势。不过行动电话的整体覆盖率与用户数量,却是目前Wi-Fi网路环境所难以企及。然而若以都会区用户为主要使用对象,根据Intel Research的调查,在尚没有无线网路城市建置计画的西雅图,以日常生活的活动时间来计算,Wi-Fi网路的可利用时间,仅以94.5%些微落后于GSM的99.6%,更不用说有无线网路城市建置计画的台北或费城等城市。经过实际的广泛量测发现,台北市有超过40000个以上的WiFi接取点讯号,包含WiFly、HiNet与一般公司行号与私人住家。


定位技术基本原理

Cell-Identification定位

Cell-Identification简称Cell-ID,是最基本的行动定位技术,此技术是利用行动终端连线时所处之基地台位置来确认用户端位置,定位准确度取决于基地台涵盖面积及密度而定。在乡村地区,基地台稀少覆盖范围大,所以定位准确度很差;而在都市地区,基地台覆盖范围较小,且密度较高,定位准确度相对提高许多,平均大约为200公尺至2公里。


不过Cell-ID定位精确度是目前所有技术中最低,较常应用于大范围定位及准确度要求低之应用,尚无法满足日益复杂的行动定位服务需求。由于此定位技术有受限于准确度之限制,因此Cell-ID多扮演辅助定位之角色,提供参考资料于其他更精确的行动定位技术。


Triangulation定位

三角定位(Triangulation)是利用讯号蜂巢交叉点的定位技术,当行动终端收到基地台讯号,利用其强度搭配传播模型或其它方式,计算行动终端与基地台距离,并以此距离为半径画出一个覆盖圆弧并累推画出3个覆盖圆弧,最后在其交接点处即为行动终端位置,如图一所示。


此项定位技术其原理非常简单,但其伴随着许多不可预知的特性,因为其是利用讯号强度来推算距离,所以在多重路径、天候、遮避物等,皆会对信号强度造成很大影响,间接影响距离计算,定位准确度必有所降低,因此常应用于较大范围定位、甚至是一个提供辅助定位的技术。


《图一 Triangulation定位示意图》
《图一 Triangulation定位示意图》

TOA(Time of Arrival)定位

TOA是基于讯号传输时间的定位技术,需调整基地台设置,让其时间可以同步,使相邻基地台能够同时监控同一行动终端的信号,随着基地台个数增加其准确度也会提升。 TOA基于测量信号从行动终端发送出去并到达讯号测量基地台(3个或更多基地台)的时间,并将此时间转换成距离,画出各基地台的覆盖圆弧,取其焦点即为行动终端位置。为了使时间误差不会对定位效果造成影响,基地台之间的讯号传输同步显得相对重要,即使是1微秒的时间误差,也会导致计算之结果与行动终端实际位置之间的误差,造成两三百公尺的距离。


TDOA(Time Difference of Arrival)定位

同样地,TDOA也是基于讯号传输时间的定位技术,其利用双曲线的特性,即双曲线上的点到两焦点距离之差为定值,首先求得参考基地台与辅助基地台收到讯号到达的时间差,再将之转换成距离,并带入双曲线的方程式中,再从参考基地台与另一辅助基地台求得另一组双曲线方程式,联立并从中求解,即得到行动终端位置。


取得TDOA系统时间差有两种方式,一是直接利用两个读取器的TOA相减取得;二则是利用两读取器接收讯号相关性的方式取得。 TDOA定位精度较高,容易实现,且行动终端与基地台间无需保持精确同步。但为了保证定时精度,需要进一步改造基地台设备。图二为TDOA定位示意图。


《图二 TDOA定位示意图》
《图二 TDOA定位示意图》

A-GPS

A-GPS(Assisted-Global Positioning System)定位是以GPS为主的一种定位技术,主要是解决GPS在室内、大楼林立街道或封闭空间无法取得​​卫星讯号导致定位效果有限的问题。其技术关键是利用行动通讯技术与手持装置GPS的搭配,改进传统GPS的定位反应时间、灵敏度、精准度以及耗电能。


A-GPS定位原理是网路端伺服器根据行动终端位置,先行传递GPS方位角等辅助资讯给行动终端,而行动终端根据此资讯来接收卫星讯号,并计算彼此距离回传给网路端伺服器计算位置,最后网路端伺服器在回传计算结果给行动终端,达到定位效果,定位精准度平均达到5~50公尺。


A-GPS结合全球卫星定位系统,并接收来自峰巢式行动电话网路的辅助资讯来进行定位,可以在非常短的时间计算行动终端位置。而A-GPS定位技术的缺点是手机软硬体介面都需支援A-GPS功能。


《图三 传统GPS与A-GPS比较表》
《图三 传统GPS与A-GPS比较表》

RSSI定位

RSS(Received Signal Strength)定位原理是行动终端利用无线网路来收集无线信号,并藉由电播传播模型或内外差法,得到其它收集讯号的区域,再以一个模拟无线电波图为基础,依行动终端目前得到的讯号与模拟电波图比较,计算讯号与模拟电波图上相似机率,以机率最高处为行动终端位置。


此项定位技术是目前最为广泛使用的室内定位技术,具有非常高的准确度,RSS缺点是定位效果取决于环境复杂度、网路状况以及接取点个数等因素决定;此外RSS定位技术必须事先训练收集取样点讯号强度,以此来推估整个环境空间的讯号分布状况,因此在人力成本上将会有额外支出。


Wi-Fi定位技术国外市场现况

Wi-Fi定位技术的商业发展大约始于2002年,到2004开始有为数众多且较具规模的公司投入,包括Intel、Hitachi、Cisco等,不过比较值得说明的是早期投入的三家公司。


Skyhook

美国公司Skyhook主要目标为在都会区利用Wi-Fi讯号来提供定位服务,产品设定为GPS的替代技术,需要在搭配有其用户端软体之专用的手持装置方可使用,可透过handset-based或network-based模式来进行定位。


该公司目前已在全美超过100个以上城市的主要地区都有提供定位服务,并且扩展到欧亚地区。目前对外提供的服务有个人安全服务、行车导航服务以及地区资讯服务…等。此外为因应E-911法令,Skyhook更有Skype的plug-in可供VoIP的紧急救援服务。


AeroScout

AeroScout的前身为BlueSoft,是一家采用TDOA定位技术方式的无线网路设备商,提供Wi-Fi定位服务完整解决方案,需要使用其专用的接取点及Tracked Device。若效果不佳,尚有加强的设备Exciter,布建成本较高。应用在丹麦的Lego乐园提供消费者找寻儿童的服务,另外用在港口的货物管理、场地管理及矿场的人员安全管理等应用。


Ekahau

芬兰公司Ekahau为软体RSS定位技术的先驱,主要市场应用目标为在室内定位服务,在室内定位可达平均2公尺以内的准确度,在户外部份并无特别强调其可应用的情况。 Ekahau的产品广为研究机构进行先进智慧空间研究所采用,在应用上有芬兰Oulu大学的图书馆导览系统。


Wi-Fi定位技术原理与系统架构

在Wi-Fi定位系统中,为了估计行动终端装置的位置,在定位系统中需要测量无线基地台所发射的讯号强度,此讯号强度为距离的函数,在开放的空间中此讯号强度会随距离以log函数式衰减。


Wi-Fi定位技术是以收到之无线讯号在此行动终端上的观察值为基础。通常,在空间中某一位置的观察值形成一种机率模型(probabilistic model),此机率模型描述了收到无线讯号的分布情形。


为了提供Wi-Fi定位服务,需建立空间之无线讯号分布模型,首先将空间划分成一个个的取样点,在每一取样点(Sample Point)之观察讯号的分布,基本上是趋近于其邻近的无线讯号。为了建立每一取样点这样的机率模型,是需要从每一取样点去收集无线讯号强度资料。


然而,在多数的环境里,取样点的总数目很大,因此从每一取样点都去收集无线讯号强度资料,就会变得不容易执行。所以,一般会仅选取一些取样点去执行实际量测,然后再由模拟或学理计算来得到其它取样点的讯号强度推估。例如,以那些实际的量测值为基础,然后再来作内插(interpolation)或外插(extrapolation)来得到其它取样点的讯号强度推估。因此,所产生的讯号强度推估资料会与无线资料被收集的多寡和地点有关。


Wi-Fi定位系统通常以两阶段来处理,一为训练阶段,另一为追踪定位阶段。训练阶段是一离线阶段,系统在此阶段会撷取无线基地台在各所属区域里某些点的无线讯号强度,去收集与分析讯号的资料,以少量的取样点来推估整个空间的对应图,亦即radio map。


在追踪定位阶段,行动终端装置利用所收到无线基地台之讯号强度,与此radio map相较,然后找出最佳匹配,做为行动终端装置的估计位置。整体系统运作方式流程如图四所示。


就实测结果而言,在室内一般稳定的环境下,其定位准确度平均可达2公尺以内,而在室外环境,以台北市为实测环境,其定位准确度可达10~20公尺以内。


《图四 Wi-Fi定位系统运作方式流程图》
《图四 Wi-Fi定位系统运作方式流程图》

Wi-Fi定位技术建置要领

在实际建置的情况下,有两种建置型态,一为无线网路已布建完成之环境,另一种则是无线网路随同定位系统一起布建之环境。在第一种情况中,由于一开始规划无线网路并非以定位需求为出发点,因此在导入定位系统前,应先测试并做相当程度的调校,才能达到预期效果。而在第二种情况下,由于无线网路尚未建置,且室内外空间的环境对定位系统的布建具挑战性,因此需事先作好完善的环境测试,以利无线网路布建的规划,使得定位系统能够根据个别环境的差异予以最佳化,发挥更好的定位效果。因此,不同的环境与应用下,需采用不同策略弹性调整定位系统的布建。


在Wi-Fi定位系统中,由于其讯号强度易受不同环境之影响,其中包含温湿度、地形、无线网路布建方式、室内外等因子,而造成讯号品质不稳定,进而降低定位准确度。例如湿度较高的雨天环境中,由于空气所含之水份较多,造成讯号衰减情况较为严重,因此产生定位结果飘移之状况,降低定位效能。而在人群聚集的环境中,由于人体内所含水份的影响,加上人群的移动,也都会影响讯号分布的稳定性。此外,室内外环境变动也会发生讯号差异,室内变动性较小,而室外的影响因素较多,包含:车辆的移动、雨天晴天、地形等,皆影响着无线讯号的分布。由于不同的应用情境对于定位效能有不同的需求,因此除了无线网路的布建规划外,定位效能的调效亦显得格外重要。以下针对可能影响整体定位系统效能优劣的因素作一探讨。


接取点(Access point)之影响

就Wi-Fi定位技术原理来说,每个地点可以收到越多的讯号源,对于定位运算会更有帮助,当然定位结果也会更准确,一般而言,若能收到3~5个以上的讯号源,就可达到不错的定位效果。然而,并非在所有环境下越多的讯号源,一定会有越佳的定位准确度,此点可以由所推估的Radio Map中看出,讯号会因空间的影响而有不同的衰减程度。在定位运算中,每一个接取点在同一空间中讯号分布的乱度愈高,该空间每个位置的鉴别度就愈高,进而提升定位的准确度。例如在开阔平坦大厅中,由于阻隔物少,讯号的衰减程度小,而造成每个位置的相似性提高,将会影响定位的准确度。


取样点密度与分布

取样点之多寡与分布在建置定位系统时,需要事先规划与考量。一般来说取样点愈多,分布愈密愈广,其定位准确度愈高,但所需花费的时间与成本也相对提升。因此应先考量应用情境是否要求高准确度的定位结果,并调查使用环境的地形与接取点分布之状况,如此方能有效规划取样点分布与密度。一般来说,取样点之密度以2~3公尺一点较佳。


空间复杂度

无线讯号衰减之状况主要是看空间的复杂度而定。在开阔空间中,相邻两点之讯号差异较小,如中庭、大厅等。反之,在一个较封闭或是隔间较为复杂的环境中,讯号差异变化较大,会有利于定位核心的运算,但不一定会得到比较准确的结果。考量的重点在于如何创造出讯号的差异性,可透过无线网路基地台位置的调整以及讯号发射方向的改变,增加讯号特征分布的鉴别度,以有效提升定位准确度。


其他因素

在Wi-Fi定位系统建置上,其它考量的因素包含了行动终端的移动速度、无线讯号扫描的频率、不同无线网卡与设备的讯号差异等因素,皆会对定位结果有所影响,因此针对特定的应用情境,需考量这些因素的存在而加以控制。


结语

总而言之,多元化环境为Wi-Fi定位系统布建之一大挑战,在建置无线网路之前,工程师应了解到无线定位技术之特性与限制,并针对应用环境作完整的调查与严谨的测试规划,找出定位结果较差的弱点区域,透过辅助讯号源与调整讯号发射方向等方式,达到较佳的定位结果。另外,如何规划取样点也是关键之一,取样点数量的多寡应视环境而定,也应平均分布于空间之中,以得到良好的定位结果。不同的应用领域对于定位准确度有不同的需求,定位准确度较差的环境不见得不能应用Wi-Fi定位系统,端视如何将定位系统调校到符合应用服务情境的需求,并配合使用情境的操作设计,让定位系统可对该应用服务发挥其功效。毕竟,定位系统的目的不在于追求其高准确度,而是要能满足使用者服务之所需。


(作者为工研院资通所网际网路软体技术组工程副组长)


相关文章
以Wi-Fi无线通讯设备增进仓储物流效率与安全
Wi-Fi在智慧家庭中变得日益重要
无线通讯的未来--为无所不在的连接做好准备
ST:LBS是开发AR眼镜应用的最佳技术
室内定位启动 创新位置服务新应用
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 台达推出5G ORAN小型基地台 实现智慧工厂整合AI应用
» 欧洲航太技术展在德国盛大展开,全球吸睛 镭洋推出卫星通讯整合方案,目标抢占庞大的欧洲卫星商机
» 经济部促成3GPP大会来台争话语权 国内外大厂共商5G/6G新一代技术标准
» 欧盟规划6G计画主席来台 与经济部签约合作跨国研发
» 经部领军台厂重回MWC 秀5G电信与系统商最隹夥伴实力


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3  v3.20.1.HK83T9TGE9SSTACUKE
地址:台北数位产业园区(digiBlock Taipei) 103台北市大同区承德路三段287-2号A栋204室
电话 (02)2585-5526 #0 转接至总机 /  E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw