Wi-Fi、iBeacons和UWB三种室内定位技术分析

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一、Wi-Fi定位：

1、技术特点：

（1）覆盖领域多；

（2）WiFi普及率高。2、定位特点：

真正Wi-Fi定位是不需要终端连接上Wi-Fi AP的，所有的Wi-Fi终端在连接AP之间，都有发出一种probe_request的帧，遍历空间所有信道，等待AP返回Probe Response帧。这个交互过程中，终端到各AP的信号强度值是一清二楚的，从而可以采用RSSI等方式来定位。也就是说只要你手机终端开启了Wi-Fi，在后台它是会与空间内的AP发生一次或反复的帧听与响应，这些可以帧听，基本暴露了你在空间的大致位置了。 3、应用范围：

在家里、企业、商业场所处不被Wi-Fi信号所覆盖，特别在室内，没有手机信号的地方，基本也会有Wi-Fi信号。

远景是WiFi端谁占领了手机APP的一席之地，谁就有无限的想象可能，说不定一不留神，该公司就进入10亿美元俱乐部。补充：

A、每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址,并且一般来说无线AP在一段时间内是不会移动的
B、设备在开启Wi-Fi的情况下,即可扫描并收集周围的AP信号,无论是否加密,是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中,都可以获取到AP广播出来的MAC地址
C、设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置,并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备
D、位置服务商要不断更新、补充自己的数据库,以保证数据的准确性,毕竟无线AP不像基站塔那样基本100%不会移动。

二、iBeacons定位：

1、技术特点：

（1）近距离（10米以内）

（2）低功耗

（3）普及范围广2、定位特点：

（1）不需要配对：

苹果在之前对蓝牙设备的控制比较严格，所以只有通过MFI认证过的蓝牙设备才能与 iDevice连接，而蓝牙4.0就没有这些限制了；

（2）准确与距离：

普通的蓝牙（蓝牙4.0之前）一般的传输距离在0.1~10m；

iBeacons信号可以精确到毫米级别，并且最大可支持到50m的范围；

（3）功耗更低：

其实蓝牙4.0又叫低功耗蓝牙，一个普通的纽扣电池可供一个Beacon基站硬件使用两年。

存在两个问题是：

一是开蓝牙的习惯需要培养，用户开蓝牙的习惯远远没有开Wi-Fi那么天然，当然，水果公司新发布的iIOS7.1版本默认是开蓝牙的，这无疑让很多用户不知不觉中称为小白鼠了。

二是这种单纯的广告信息推送，是否有点像垃圾广告一样，给用户的体会一开始肯定是不会好的。除非后台经过大数据分析后，对用户的行为习惯有了智能分析后，定向推送，精准营销。

3、iBeacons到底是啥？

iBeacons 最早推出是在今年的苹果 WWDC 大会上，不过只是惊鸿一瞥。 2013年12月初苹果在美国254家Apple Store中开启iBeacons，再次点燃人们的兴趣。

iBeacons 是基于 Bluetooth LE 技术，全称为 Bluetooth Low Energy，又可简称为 BLE。 低功耗蓝牙由诺基亚在2001年开始研发，其目的是为了发展一套相容于标准蓝牙，并且在功耗与制造价格上能进一步优化的标准。2004年Nokia发布了低功耗蓝牙标准，2006年以Wibree技术的品牌名称首度问世，2007年与蓝牙技术联盟蓝牙技术联盟达成协议，并入标准蓝牙并正式定名为低功耗蓝牙。它的工作范围最远至150英尺（约45米）。

综上：如果iBeacons采用以上任何一种方法最终的定位精度也只能做到区域定位，他可以告诉你处于某一个柜台附近，而无法定位到你手中拿的是哪件商品你与哪件商品有互动。

三、UWB定位技术：

1、技术特点：

（1）近距离（10米以内）；

（2）普及范围广。

UWB技术其实也是一门古老的技术，UWB最初的定义是来自于60年代兴起的脉冲通信技术，又称为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输（baseband transmission）或无载波（carrierless）技术。

脉冲UWB技术的脉冲长度通常在亚纳秒量级，信号带宽经常达数千兆赫兹，比任何现有的无线通信技术（包括以3G为代表的宽带CDMA技术）的带宽都大得多，所以最终在1989年被美国国防部称为超宽带技术。UWB设备的平均发射功率很低，可以与其他无线通信系统“安静的共存”。2、优点很多：

（1）低能耗；

（2）低成本；

（3）保密性好；

（4）抗多径干扰3、缺点是：

（1）脉冲UWB系统频谱利用率较低；

（2）传输数据率低。4、  技术特点：  

（1）高速UWB技术时，不约而同的摒弃了脉冲方法，转而对传统的载波调制技术进行改造，使其具有UWB技术的特点。

（2）在IEEE 802.15.3a工作组中形成了多频带OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA两大方案竞争的格局。

这两种方案都是在对传统技术进行改进后满足UWB技术的特征的。同时脉冲UWB成为低速WPAN（无线个人网）标准IEEE 802.15.4a的重要候选技术。这个标准旨在提供低速率但覆盖范围较大、具有精确定位功能的近距离无线通信业务。正是由于它物理上的特性使它具有抗多径和抗窄带干扰的良好效果。国内发展概况：

由于芯片方案的成熟和成本下降，国内研究UWB技术及时定位的人和公司慢慢涌现，能达到30cm甚至10cm的系统定位精度。

应用领域：

高定位精度的应用范围比较特殊，因此也决定了其当前只能用在对确保生命财产有较高要求的行业上，如：矿下人员定位、养老院人员看护、大型仓储货物定位等等。技术特点：

A、相对Wi-Fi和iBeacons定位应用于商业领域有很大区隔。区隔的原因除了刚才说到的商业领域很多时候不需要很高的定位精度外，

B、还有一个重要的原因就是UWB定位需要被定位人和物额外佩戴标签（相对于手机等终端是天然的标签而言）。

远景是将来某一天智能穿戴设备中集成UWB芯片，从而使这种高精度定位能有可能被用到生活的方方面面，完成一次意外的逆袭。

另外可以应用在医学上，看看关节有无错位！如下图：

附录：

定位原理介绍

室内无线定位常用的三种方法：

A：接收信号强度定位法；

B：到达时间定位法；

C：接收信号角度定位法。

一、接收信号强度定位法

接收信号强度定位法是通过信号强度和已知信号衰弱模型来估计接收点与待测点的距离，根据多个接收点距离待测点的距离值画出圆，多个圆的重叠部分就是待测物体。

在移动装置中，接收信号强度常用接收信号强度指标RSSI来表示，在理想环境中这种方式可以获得较为精确的定位。

然而RSSI受信号反射、散射、绕射等多重路径衰减与遮挡影响非常严重，实际上存在较大误差。

二、到达时间定位法

到达时间定位法和接收信号强度定位法类似，只不过计算接收点和测量点之间的距离是采用无线信号传播时间乘以无线信号传输速度。

由于无线信号传播速度是30W km/S。这就要求待测点和多个接收点之间要有非常精确的时间同步。然后高精度时间获取成本非常昂贵，即使微秒级的时间误差也会造成数百米的距离误差。因此在短距离定位上误差较大。

三、接收信号角度定位法

接收信号角度定位法的工作原理：是利用定向天线量测出信号来源方向，多个接收点同时按照接收角度画出直线，直线的交点就是目标位置。

信号角度定位法的优点是：

（1）不需要每一个接收天线都做时间同步，误差来源主要是角度解析的误差。在距离越远的时候角度解析的误差影响越大，

（2）同时由于信号反射和折射，可能造成最终计算出来的被测点，是发射点而不是被测物体本身。

（3）由于定向天线的制作对测量角度的计算影响较大，在实际应用中会比较麻烦

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Uwb超宽带定位精度的影响因素

无线定位系统要实现精确定位，首先要获取定位解算所需的参数信息，然后构建相应的解算模型，根据这些参数信息和模型求解定位目标的准确位置。UWB具有超高的时间和空间分辨率，保证其可以准确获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，最终求得待定位目标的位置。

 Uwb超宽带定位精度的影响因素

Uwb超宽带定位技术是利用脉冲无线电进行测距和测向的。无线电波在传输过程中会受到诸多因素如多路径效应和NLOS的影响。此外定位区域的定位精度还会受到UWB传感器的布设方式和穿透性等因素的影响。

　　(1)传感器布设方式对定位精度的影响

　　在实际的定位精度解算过程中，传感器个数增多意味着冗余信息的增多，丰富的冗余信息可以进一步地减小定位误差。但是定位精度并不会随着传感器最佳不断增大，当传感器增加到一定数量后，继续增加传感器对定位精度的贡献并不大。并且传感器个数的增加意味着设备代价的加大。因此怎样在传感器个数和定位精度之间找到平衡从而合理布设UWB传感器是研究传感器布设对定位精度影响的重点。

　　(2)多路径效应的影响

Uwb超宽带定位信号在传播过程中会受到周围环境如墙壁、玻璃和桌面等室内物品的反射和折射，产生多路径效应。信号在延迟、幅值和相位等方面的变化，从而产生能量衰减，信噪比下降，导致首达信号并非直达信号，引起测距误差，定位精度也随之下降。因此，有效地抑制多路径效应可以提高定位精度，目前抑制多径的方法主要有MUSIC、ESPRIT和边缘检测等技术。

　　(3)NLOS影响

　　视距传播(LOS)是保证信号测量结果准确的首要和前提条件，当移动定位目标和基站之间不能满足条件时，信号的传播只能在折射和衍射等非视距条件下完成。此时首达脉冲的时间并不代表TOA的真实值，首达脉冲的方向也不是AOA的真实值，这样就会造成一定的定位误差。目前消除非视距误差的方法主要有Wylie法和相关消除法。

　　(4)人体对定位精度的影响

　　人体的主要成分是水，水对UWB无线脉冲信号具有较强的吸收作用，导致信号强度衰减，测距信息存在偏差，影响最终的定位效果。

（5）信号穿透减弱的影响

 任何信号穿透墙体等实体时都会减弱，uwb也不例外。当uwb穿透普通的砖墙时信号会减弱将近一半左右。因穿透墙体引起的信号传输时间的变化也会影响定位精度

作为任何一个无线电信号都有自己的影响因素，根据uwb超宽带定位精度影响因素来改进技术，日后才能有一番大作为