WiFi定位技术（精选九篇）
WiFi定位技术 篇1
随着“无线城市”的不断推进, Wi Fi技术在我们生活中的应用越来越广泛。与此同时, 定位市场的服务需求与日俱增, 如重要设备监控、重症病人监护、实时定位查询等。目前, 我们在生活中接触到多的是GPS卫星定位, 但是GPS定位需要在相对空旷, 建筑物不密集, 阻碍物较少的地方才能实现精确定位, 如果在室内使用, 存在着定位精确度低、耗电量大等缺点。因此, 利用广泛分布、接入成本低的Wi Fi技术实现对室内或者楼群密集处的目标进行定位可以扩大定位服务的应用范围, 具有积极的社会意义。
Wi Fi最早并不是为定位技术设定的, 然而热点 (AP) 或基站定期发送的信号中所含的接收信号强度 (RSS) 为终端的定位提供了可能。目前, 绝大多数基于Wi Fi的定位系统都使用RSS技术来实现位置指纹识别。与现行的定位技术如GPS、蜂窝定位、无迹推算等相比, Wi Fi定位具有如下优势:
1) 热点分布广, Wi Fi热点可以分布在室内、室外各种环境中, 为各个场合的定位提供了可能。
2) 接入门槛低, Wi Fi定位构建在现有的Wi Fi网络之上, 无需进行网络的改建或者扩建, 降低了使用成本。
3) 灵活性较高, Wi Fi信号受非视距 (NLOS) 影响小[1], 即使在密集的城市地带和室内环境中都可以使用。
2 Wi Fi定位原理
总所周知, 热点的位置通常是固定不变的, 只要通电, 都会向周围发射信号, 该信号中包含全球唯一的ID—MAC地址。Wi Fi定位的主要原理是, 通过侦测附近周围所有的AP的MAC地址, 发送到相关位置服务器上, 服务器通过MAC地址的座标, 计算出所在地。这样, 客户端只需要侦听周围有哪些AP, 检测每个AP信号的强弱, 发送给定位服务器, 服务器根据这些信息, 查询每个AP在数据库中记录的坐标, 通过计算, 就能得出客户端的具体位置。当然, 如果客户端侦听到的AP信号越多, 定位就会越精确。
3 三边定位算法
所谓三边定位算法, 就是指以三个AP为圆心, 以AP到待测终端的距离为半径做圆, 得到三个圆的焦点, 建立方程求解出距离。该算法在实现的时候可以分为两个阶段:测距和定位[1]。
3.1 测距阶段
假设有三个已知位置AP的坐标分别为A (x1, y1) , B (x2, y2) , C (x3, y3) , 由于无线信号在传输的过程中会产生一定的损耗, 根据传输损耗模型, 求解出待测点D到每个AP的距离, 记为d1, d2, d3。
其中, 传输损耗模型的公式为:
其中, d代表AP和未知位置之间的距离;ε代表非自由空间的损耗系数;K是常数, 公式表示为:
3.2 定位阶段
假设待测点坐标为D (x, y) , 在测距阶段计算出待测点到每个AP的距离, 分别以三个AP为圆心, 以待测点到3个AP的距离为半径做圆, D的位置可能存在以下三种情况。
若三圆相交存在唯一交点, 则通过以下公式, 即可求解出D的坐标。
三边定位算法在理论上是可行的, 但是在实际应用中, 由于测距存在误差, 很难建立精准的、适合于实际情况的损耗模型, 三圆交于唯一一点的情况很难存在, 如图 (3) 、 (4) 。因此, 基于三边定位的算法在具体实施过程中存在很大问题。
4 基于质心算法的三边定位算法
质心定位算法 (centroid localization algorithm) 是一种基于网络连通性的算法, 在运用该算法时, 需要事先在相关区域内放置一定数量, 并且已经进行定位的参考节点, 如RFID标签。这些参考节点周期性的发出自身的标识和位置信息, 未知节点D通过记录参考节点传输的信息, 判断该参考节点是否处于自己的通信范围内。D将所有在其通信范围内的节点组成多边形, 估算自身的位置[2]。如图5。
若未知节点通信范围内的一组参考节点坐标分别为P1 (X1, Y1) , P2 (X2, Y2) , ……, Pn (Xn, Yn) , 则D的估计位置使用下面的公式来进行计算:
质心定位算法比较简单, 运算的复杂度较低, 但是存在一些问题, 比如说:如果要实现高精度定位, 需要参考节点的密度大, 分布均匀性高。
将质心定位算法引入到三边定位算法中, 可以提高对D定位的准确度。首先可以根据方程 (3) 、 (4) 、 (5) 求解出圆A和圆B的交点, 记为 (xab1, yab1) , (xab2, yab2) ;圆A与圆C的交点, 记为 (xac1, yac1) , (xab2, yab2) ;
圆B和圆C的交点, 记为 (xbc1, ybc1) , (xbc2, ybc2) 。然后将 (xac1, yac1) , (xab2, yab2) f分别代入方程:
找出两点中距离圆心B比较近的点, 记为 (xac, yac) , 同理, 找出圆B, 圆C交点中距离圆A较近的点, 记为 (xbc, ybc) , 圆A, 圆B交点中距离圆C圆心比较近的点, 记为 (xab, yab) 。最后通过如下公式近似计算出D点的坐标:
5 总结
本文通过分析三边定位和质心定位算法的利弊, 提出了一种将三边定位和质心定位算法结合起来, 提高Wi Fi定位准确度的方法。该文中所提出出改进方法对于硬件环境要求较高, 需要参考节点进行均匀分布, 且参考节点位于未知节点的外侧, 具有一定的局限性。在后续工作中将会对其进行进一步研究, 使算法具有更广的应用性。
摘要：该文主要针对WiFi定位的实现, 提出了一种将质心定位和三边定位相结合, 提高WiFi定位精确度的方法。该方法将参考节点均匀分布的质心定位思想引入到三边定位中, 弥补了单一的三边定位精度不高的缺陷。
关键词：WiFi,质心定位,三边定位
参考文献
[1]卢恒惠, 刘兴川, 张超, 等.基于三角形与位置指纹识别算法的WiFi定位比较[J].移动通信, 2010:72.
[2]高雷, 郑相全, 张鸿.无线传感网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法[J].重庆工学院学报, 2009, 23 (7) :139-141.
WiFi技术简介 篇2
关键词：WiFi；无线
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
无线局域网已经走进千家万户，笔记本等无线上网的技术已经被广泛应用了，近些年来，以苹果公司为代表的iphone、iPad等具备WiFi功能的智能终端在国内陆续上市，这些高技术含量智能的手机、平板电脑的包装上都有WiFi功能，WiFi是什么呢？跟传统的WLAN（无线局域网）又有什么关系呢？
一、基本定义
（一）传统的WLAN
无线局域网(Wireless Local Area Network，缩写为“WLAN”)，顾名思义，就是采用无线通讯技术代替传统电缆，提供传统有线局域网功能的网络。WLAN使用ISM(Industrial、Scientific、Medical)无线电广播频段通信。WLAN的802.11a使用5GHz频段，支持的最大速度为54Mbps，802.11b和802.11g标准使用2.4GHz频段，分别支持最大11Mbps和54Mbps的速度。目前WLAN所包含的协议标准有：IEEE802.11b协议、IEEE802.11a协议、IEEE802.11g协议、IEEE802.11E协议、IEEE802.11i协议、无线应用协议（WAP）。然而，这并不说明无线局域网不需要传输介质，只是使用了人眼无法看到的电磁波而已。近几年来，计算机网络技术的不断成熟和飞速发展使之普及到了社会的各个领域，即使在自己家里用笔记本等无线终端搜索一下，就能搜索出好几个无线网络信号，说明了无线网络已经无声无息的补充我们原来通过网线上网的方式，随着适用于无线局域网产品的价格正逐渐下降，相应软件也逐渐成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动互联网的多媒体业务。
（二）WiFi是什么
当你走进咖啡厅或麦当劳，听着音乐、喝着咖啡、轻点鼠标，或者用智能手机上网冲浪……在咖啡厅这样的休闲场所使用无线上网如此惬意的享受，现在已不是遥不可及的事情了，现在大多城市的休闲场所都建有无线局域网，这个无线的局域网用的就是WiFi技术，WiFi是一种无线方式互相连接的技术，可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接。WiFi也是一个无线网路通信技术的品牌，由WiFi联盟(WiFi Alliance)所持有。现时一般人会把WiFi与无线局域网混为一谈。WiFi与蓝牙技术类似，是中短距离无线技术。该技术使用的使2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b，主要使用IEEE802.11b。在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效的保障了网络的稳定。
图为WiFi标志
WiFi联盟成立于1999年，当时的名称叫做Wireless Ethernet Compatibility Alliance(WECA)。在2002年10月，正式改名为WiFi Alliance。
正确读音[wai][fai]
二、WiFi与WLAN的关系
WiFi是WLAN的一个标准，也可以理解为WiFi是WLAN的分支，由于两者发射信号的功率不同，所以覆盖范围也不一样。从包含关系上来说，WiFi包含于WLAN中，属于采用WLAN协议中的一项新技术。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右（约合90米），但WLAN最大可以到5KM（需要设备）。
三、WiFi特点
（一）WiFi热点
能够访问WiFi网络的地方被称为热点，笔记本、无线路由都可以提供WiFi热点，当一台支持WiFi的设备（例如iphone4等)遇到一个热点时，这个设备可以通过WiFi连接到那个网络。机场、咖啡店、旅馆、书店以及校园等等都有热点。许多家庭和办公室也拥有WiFi网络。虽然有些热点是免费的，但是也有部分稳定的公共WiFi网络是由私人互联网服务提供商(ISP)提供的，因此会在用户连接到互联网时收取一定费用。例如把自己手机接收gprs或3g等信号转化为WiFi信号再发出去，这样，你的手机就成了一个WiFi热点，手机必须有无线ap功能，才能当做热点。现在有些系统自带建热点这个功能比如iphone4，有些手机等设备得靠第三方软件拓展。那么像ipod这样有WiFi功能的，都可以搜索到你手机建立的WiFi网络，连接上以后，ipod等使用WiFi产生的流量上网都是消耗的乐你手机卡的gprs或3g流量。
（二）WiFi覆盖范围
WiFi热点无线信号通过短程进行传输一般覆盖接近100米，家里、办公室，一些不算很大的楼内也不是问题。不过随着WiFi技术的发展，WiFi信号未来覆盖的范围将更宽，应用范围也将会随之扩大。
（三）传输速度
根据无线网卡使用的标准不同，WiFi的速度也有所不同。其中IEEE802.11b最高为11Mbps，IEEE802.11a为54Mbps、11Mbps可以满足一般的办公和娱乐需要，但是在一些需要大数据传输等办公场所，显然是不够的，还有待开发。
（四）简单的组建方法，无须布线
一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及热点，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，只需要每台电脑配备无线网卡。特别是对于宽带的使用，WiFi更显优势，有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个热点，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个热点已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。WiFi最另一个的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。
四、总结
WiFi定位技术 篇3
我国作为一个矿产资源大国大大小小的矿山不甚枚举, 矿井巷道纵横绵延万米。 针对矿山生产的特殊性, 各种自然灾害正在威胁着矿井的安全生产, 矿井重大灾害和伤亡事故时有发生。 为提高矿山安全生产保障能力, 国家强制要求全国煤矿及非煤矿矿山都必须建立和完善人员定位、 监测监控、 供水施救、 通信联络、 压风自救、 紧急避险等安全避险6大系统。 其中人员定位系统更是矿难发生后能否对井下人员及时救援的关键所在, 基于Wi Fi的精确定位有助于实时监测井下人员的活动轨迹, 方便管理人员实时进行合理的调度安排, 当事故发生时候, 救援人员可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、 图形, 迅速了解有关人员的位置情况, 及时采取相应的救援措施, 提高应急救援工作的效率。 井下Wi Fi人员定位系统对于提高矿井管理水平, 保证企业自动化安全生产有着极其重大的意义。
2 Wi Fi技术
Wi Fi的英文全称为wireless fidelity, 在无线局域网的范畴是指 “无线相容性认证”, 是一种无线局域网数据传输的技术与规格, 也是IEEE ([美国] 电子和电气工程师协会) 所定义的无线通信标准IEEE802.11。 无线局域网是有线局域网的扩展和替代, 是在有线局域网的基础上通过无线访问节点(AP)、 无线网卡、 无线HUB、 无线网桥等设备来实现无线通信。 其主要特点是: 可靠性高、 速度快, 在封闭性区域, 通信距离为76米到122米, 在开放性区域, 通信距离可达305米, 方便与现有的有线以太网络整合, 组网的成本更低。
3系统构成及其功能
3.1系统总体构架
(1) 定位系统包括硬件系统和软件系统, 定位软件在定位服务器和客户端分别设置, 定位服务器负责读取矿井通信基站收集到的电子标签信息, 并存储在数据库中。 客户端则对数据库中的数据进行分析与处理, 以真实的井下模型为背景实时显示人员移动轨迹、 人员信息、 时间等。
(2) 硬件构成: Wi Fi身份识别卡、 井下交换机、 无线通信基站、 跟踪定位服务器等。 硬件拓扑图如图1所示。
3.2系统主要功能
3.2.1人员精确定位
系统精确定位误差不高于5米, 能确切掌握井下工作人员的位置, 分布情况和每位员工任意时刻活动轨迹, 并将人员情况标识于电子地图相应的位置。
3.2.2实时显示
管理人员通过该系统, 可准确获取该时间段人员的位置及井下人员的详细信息。 如: 显示井下人员总数; 各区域人员分布情况; 员工出入井时间; 显示井下人员名字等。
3.2.3路径跟踪
系统按照人员的活动轨迹, 记录通过监测点和人员在各监测点的停留时间。 通过查询历史记录列表, 查询每一次精确的位置变化信息, 并可播放任意历史时刻的工作人员的位置在电子地图上重现, 来实现人员历史位置精准查询的目的。
3.2.4考勤统计
对出入井下员工进行统计, 实现井下人员考勤, 可对各类数据统计汇总。 可生成人员日期、 范围、 人员的下井考勤信息报表, 并能按照管理人员的需求灵活定制查询信息。 可选择入口统计法与分站和统计法两种区域统计方法。
3.2.5短消息
井上管理中心能够通过管理软件发送短消息呼叫井下人员, 井下人员也可以通过终端发送短消息到管理中心。 一旦事故发生, 监控中心可以立刻检测出事故区域人员信息、 人员数量、 人员位置等信息, 并能通过收取未断线基站的实时数据, 提高应急救援的效率和效果。 井下和井上有交互和信息传输能力, 对于一般性突发事件具备及时上报功能。 系统可方便地监测系统的信息互通情况, 可实时查看井下人员的报警信息以及管理人员的回应情况。
3.2.6系统自诊断
为了方便对网络中各站的维护, 可实时监控网络拓扑, 网关状态、 分站状态等信息, 达到网络错误快速诊断排查。 该系统具有自诊断功能, 可以事先对各种事件和动态报警, 记录。
3.2.7网络功能
通过网络访问系统查询考勤、 定位的实时信息, 能为各个管理部门及时提供实时监测信息与历史数据, 为管理部门监督指挥决策提供重要依据。
3.2.8数据管理
系统提供了方便的数据备份和恢复功能, 并具有长期保存数据的能力, 可以很容易地找到考勤定位等历史信息。 系统对管理员的操作进行自动记录, 从而可以监督管理员进行正确管理。
4工作原理
基于Wi Fi的井下人员定位系统在井下建立多个无线基站, 建立Wi Fi网络实现井下巷道的无线覆盖, 系统通过带有Wi Fi的无线定位卡来进行定位、 通信。 每个需要定位的人员佩戴的身份识别卡都拥有唯一的编码, 身份识别卡每隔一定时间向无线基站发射信号, 发射周期可由用户根据实际需要自行设置。 当井下人员进入工作区域后, 佩戴在人身上的身份识别卡周期性地发出信号, 定位服务器根据Wi Fi基站接收到识别卡信号的强弱或信号到达的时间差来定位识别卡的精确位置, 收集到的信号数量多, 信号强度大, 则定位精确度也越高, 最终通过电子地图显示其具体位置。
5与几种主流定位技术的比较
目前, 应用最广泛的定位技术是 “ 全球定位系统(GPS)”。 但是GPS卫星定位技术只适宜室外定位。 GPS接收器需要接收至少3颗卫星信号, 才能根据信号确定位置。 在野外, 接收器可以畅通无阻地收到卫星发出的信号, 这时GPS的定位效果就会很好。 由于密集建筑物对定位信号有遮挡作用, 所以会导致GPS在室内定位无法达到理想的效果。 以射频识别(RFID) 为核心的定位系统, 实际上仅仅是一种考勤记录系统。 ZIGBEE技术是一种低速率、 短距离、 低功耗、 低复杂度、 低成本的双向无线通信技术。 主要应用于功耗低、 距离短且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有间歇性数据、 周期性数据和低反应时间数据传输的应用。 通过对比以上几种定位技术不难发现它们仍存在许多不足之处。 Wi Fi技术将逐步替代其他定位技术, 其高带宽, 穿透力强, 覆盖范围广。 随着Wi Fi网络的普及, 用户不用单独部署其他射频网络, 另外采用Wi Fi双向通信机制能够更精确更可靠地保证定位数据。 特别是第一次快速定位时间仅为1毫秒, 定位准确率在99%以上, 3 ~ 5米的定位精度。
6结语
对Wi Fi井下定位系统进行了研究,借助Wi Fi本身信号传输快、信息传递准确和行象化的特点,在遏制超员生产,事故应急救援,避免人员进入危险区域、及时发现被困人员、持证上岗管理、井下作业人员考勤方面能够发挥积极作用。
摘要：针对矿井人员定位和井下人员井下事故救援困难等特点。阐述了基于Wi Fi技术井下人员定位系统的总体架构、整体功能,详细介绍了运用Wi Fi技术进行井下定位的工作原理与实现方法。
WiFi定位技术 篇4
作为新一代移动通信技术，LTE以OFDMA和MIMO为主要技术基础，满足更低传输时延，大幅提高用户传输速率，增加容量和覆盖，减少运营费用，优化网络架构，采用更大载波带宽，并以优化分组数据域业务传输为目标。
随着技术不断发展，移动应用的增长迫使人们必须不断提高频谱资源的利用率，因此TDD技术在全球范围内受到了前所未有的高度重视。而作为全球主流的4G标准，TD-LTE必然为产业界所青睐。数据显示：截至2013年2月，全球已有13家运营商部署了14张TD-LTE商用网络。2012年12月，中国移动首张TD-LTE商用网络在中国香港正式投入运营，在国内13座城市进行TD-LTE扩大规模试验，同时全面加速试商用进程。
TD-LTE与WiFi融合
用户的需求是驱动技术潮流产生变化的关键性动力。当前的移动宽带数据流量有高达70%来源于室内环境，此外，WLAN具有性价比高、终端普及率高、带宽大等诸多优势，也能够有效分流LTE蜂窝网的业务。于是，拥有广域覆盖优势的LTE网络，与拥有一定范围内高速数据传输优势的WiFi网络，便具备了相互融合的市场需求，为构建“互联生活”打造可信赖的移动网络基石。
近年来，IEEE 802.11n已经在人们的生活中大面积普及，为了适应市场对于更大带宽的需求，IEEE转入了下一代802.11ac的制定工作。802.11ac工作在5G频段，在当前20MHz/40MHz基础上增至80MHz/160MHz，且延续了802.11n的优异技术，采用8×8MIMO和256-QAM调制技术，进一步提高了传输速率，使得理论最高传输速率可达1Gbps。IEEE 802.11ac的逐渐成熟，标志了第五代WiFi时代的来临。
寰创TD-LTE与WiFi融合技术
上海寰创公司在WiFi产品研发领域具有深厚基础，同时其核心团队在TD-LTE持续发力，推出了多款LTE终端，包括LTE-MiFi（个人手持终端）、场点型LTEFi终端、车载型LTEFi终端、LTE CPE，适用于办公楼、家庭、室外场点、移动交通工具（公交车，轻轨等）等多种应用场景，让用户可以轻松地通过WiFi享受LTE网络。
在此过程中，所有终端皆可通过寰创eAC（增强型无线网络控制器）集中管理和控制。此外，寰创LTE终端立足用户角度，针对LTE尚未覆盖的区域，支持TD-SCDMA、GSM等多种接入模式，让用户轻松畅游网络。
根据LTEFi网络拓扑图所示，用户终端可以通过WiFi接入寰创LTEFi终端， LTEFi终端上行接入eNB，从而接入核心网EPC的网元设备MME、S-GW、P-GW，继而通过eAC接入BRAS，通过Portal服务器和Radius服务器进行相应的认证计费。认证计费完成以后，用户数据直接通过P-GW接入Internet网络。
LTEFi技术特点
丰富的组网模式：LTEFi终端可以根据网络规划的不同需求，即可用作胖模式单独配置组网，也可用作基于零配置的瘦模式与无线网络控制器配合组网，降低网络复杂度。同时，即支持本地转发模式，提升网络转发效率，又支持集中转发模式，对用户数据实时掌控。
集中控制管理：车载LTEFi终端支持集中控制管理，可通过位于控制中心机房的eAC对网络中的车载LTEFi终端进行实时管理控制。此外，eAC还可精确管理到WiFi用户，对用户的数据可管可控。
多模接入：车载LTEFi终端从一而终地站在用户的角度而设计产品。为保证业务的连续性，终端能够支持TD-LTE、TD-SCDMA、GSM多种移动数据通信制式。在有LTE信号覆盖的区域，可使用LTE进行覆盖，在没有LTE信号的区域，亦可接入TD-SCDMA或GSM。保证了用户可以通过WiFi无缝使用移动网络。
专业的车载终端：HT2-GL100C车载LTEFi终端采用独有的网络优化技术，使其不但能在高速运行的使用环境下，例如公交车，轻轨，为用户提供畅通高速的无线宽带服务。且具备IP66防护等级，不仅防水，防尘，更是根据车载设备的需求，符合车载设备的抗震要求。设备所有器件均采用满足各种室外恶劣环境条件工作的专业器件，并经过严格的模拟环境测试。完全满足室外车载终端的环境需求。
【名词解释】
OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）：正交频分多址接入技术。是OFDM技术的演进。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。
MIMO（Multi-input Multi-output）：发射端多天线发送数据，接收端多天线接收数据，从而提高传输速率，提升传输质量，抑制信道衰落。
TDD（Time Division Duplexing）：时分双工方式。TDD用时间来分离接收和发送信道。接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载， 其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。
TD-LTE：采用TDD（时分双工）方式的LTE技术。
LTEFI：LTE结合WiFi技术。
eNB（evolved Node B）：基站。用于连接UE（即终端）和EPC核心网。是E-URTAN的S1接入点。
MME（Mobility Management Entity）：LTE接入网络的关键控制节点。主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能
S-GW（Serving-Gateway）：S-GW终结和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点。
P-GW（PDN-Gateway）：PGW终结和外面数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，是EPS锚点，即是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）间的移动，负责DHCP、策略执行、计费等功能。
eAC（Evolved Acess Controller）：无线网络控制器，对车载LTE终端进行集中管理控制。放置于机房。
BRAS：宽带接入服务器。认证计费网关。
Portal服务器：给用户推送Portal页面。
Radius服务器：认证计费服务器。
WiFi定位技术 篇5
关键词：无线局域网,WIFI,全球定位系统,无缝定位,网络安全
1 引言
针对无线局域网网络安全的特点, 文中提出了将基于WIFI的无缝定位技术用于网络安全的解决方案, 为企业级用户解决无线局域网网络安全问题提供一条新的技术路线。
2 无线局域网及其安全问题解决方案
2.1 WIFI网络
随着“无线城市”概念的提出, 许多国家和地区都提出了WIFI网络覆盖计划, 并付诸实施。WIFI网络覆盖范围的扩展也促进了集成WIFI接收模块的终端的发展, 逐渐成为各种终端如计算机、手机、相机甚至汽车的标配。当前移动通信已进入“3G”时代, 移动用户对于数据上传下载的需求急剧增长, 只依靠3G网络无法承担日益增长的网络载荷, 而WIFI网络具有低成本、无线、高速的特点, 可以弥补3G网络的不足, 因此WIFI网络在未来将有更加广阔的应用前景。
2.2 MESH网络
无线MESH是一种非常适合于覆盖大面积开放区域 (包括室外和室内) 的无线区域网络解决方案.无线MESH网的特点是:由包括一组呈网状分布的无线AP构成, AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联, 将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。终端目前的普及应用为无线MESH的迅速推广带来好处。因此, WIFI和无线MESH网络可以相互补充、相互融合。
2.3 无线局域网安全问题常用解决方案
无线局域网以无线信号作为传输媒介, 由于无线信道的特殊性及公开性, 任何人都能监测到信号, 甚至使用各种非法手段窃听及盗取数据, 给网络安全带来了巨大的挑战。由于WIFI网安全领域存在重大隐患, WIFI网被禁止在国内进行大规模推广, 可见无线局域网存在安全问题已成为WLAN产业进一步发展的最大阻力。
针对无线局域网存在的安全问题, IEEE802.11指定了多个安全机制来加强无线局域网的安全性 (图1是利用WPA方式构建的安全系统结构解决方案) , 相关安全标准已经进行实际应用并推广。目前无线局域网的安全机制主要有以下几种。
(1) WEP安全机制。WEP机制是一种对称密钥加密算法, 采用了RSA数据保密公司的RC4伪随机数产生器。在WEP机制中, 同一无线网络的所有用户和AP都是用相同的密钥用于加密和解密, 网络中的每一个用户和AP都存放密钥。802.11标准没有定义一种密钥管理协议, 所以WEP密钥都必须通过手工来管理。但是WEP加密机制存在缺点, 在数据机密性、完整性及访问控制方面并没有达到预期的安全水平, 利用现在的脚本工具就能成功的攻入网络并发现WEP密钥, 因此引入更高安全级别、更完善的安全机制成为必然趋势。
(2) WPA安全机制。针对WEP的设计缺陷, 为增强无线局域网安全性, WIFI联盟提出了一种新的安全机制:WPA (WIFI联盟受限接入) 作为无线网络安全的一个过渡机制。WPA使用临时密钥集成协议TKIP进行数据加密, 而认证有两种模式:一种是适用企业级用户的802.1X协议, 一种是适用于家庭的预先共享密钥PSK。WAP有效地解决了WEP中加密算法密钥过短、静态密钥和密钥缺乏管理等问题, 但是依然存在缺陷:它采用的加密算法还是RC4加密算法, 很容易遭到黑客的暴力破解;802.1x也存在不足, 对于合法的EAPOL_Start报文AP都会进行处理, 攻击者只要发送大量EAPOL_Start报文就可以消耗AP的资源, 使AP无法响应新的EAPOL请求, 达到瘫痪网络的目的。WPA存在的这些缺陷决定了难以成为一个理想的安全机制。
(3) 802.11i安全机制。802.11i是一种新型的无线局域网安全机制, 它提出了一个全新的安全体系, 采用了公认最为成熟的AES加密算法, 定义了而过渡安全网络TSN, 以802.1x作为认证和密钥管理方式、以TKIP和CCMP作为数据加密机制, 改进了原有安全机制存在的不足, 具有很强的技术优势和应用前景。
除以上三种常用的安全机制, 还有其它的安全机制, 如WAPI (无线局域网鉴别和保密基础结构) 安全机制、基于VPN (虚拟个人局域网) 的安全机制等。虽然无线局域网网络安全组织推出了各种安全体制来提升WLAN的安全性, 但是依然无法满足企业级用户对安全性的要求, 需要探索利用其它技术手段来建立新的安全机制。
3 基于WIFI的无缝定位技术
WIFI不仅可以提供无线接入及数据传输功能, 还可以用于定位。WIFI网络在不增加额外的硬件情况下, 通过分析接入点相对于无线网络设备信号强度或者信噪比来推断目标物体的位置。客户端使用或连接到一个接入点, 此接入点提供最强的RSS信号。客户端漫游, 定期检查信号强度, 确定最佳的接入点。通过信号测量, 可以得到客户端的位置。基于WIFI的室内定位方法主要有两种:传播模型法和位置指纹法。位置指纹法需要大量的训练, 其定位精度与训练点的个数有关系。传播模型法是利用信号在室内的衰减规律, 将接收到的信号强度转换为距离, 再由室内定位算法得出用户终端的位置。传播模型法的优点是不需要大量的训练, 但其定位的准确度依赖于传播模型和定位算法。基于WIFI的定位技术具有覆盖面广, 信息传输速度快, 成本低特点, 成为室内定位的主要技术。
基于WIFI网的定位技术也存在诸多不足, 当WIFI网信号不稳定, 基于WIFI的定位技术精度就会比较低, 在室外无WIFI信号或者信号微弱的时候不能提供定位服务, 难以保证定位服务的时空连续性。因此WIFI常用来辅助GPS进行定位与导航, 为终端提供GPS无法实现的室内定位功能。
4 无缝定位技术用于无线局域网网络安全
基于WIFI网的无缝定位技术提供的连续位置服务功能, 在方便用户进行定位与导航, 也为实时监测用户的位置提供了可能性。只要用户进入WIFI网信号区域时, 并连接到WIFI网络之后, 采用必要的技术手段获取用户的位置信息, 就可以对用户的访问行为进行实时监控。如果配以必要的识别技术如RFID识别, 在用户进入WIFI网时进行身份识别。利用身份识别和位置监测技术, 可以形成一套基于位置信息的网络安全解决方案, 为无线网络安全的监管提供一条新的技术路线。
基于WIFI的无缝定位技术用于无线网络安全基本思想就是根据用户的位置信息限制无线局域网访问权限, 通过在无线局域网有效信号范围构建起“物理围栏”以及在用户周围构建起虚拟的“地理围栏”, 综合了传统的网络安全和物理安全技术, 有效的保护了无线网络的安全。
4.1 物理围栏
物理围栏就是基于访问用户的授权建立的, 主要应用RFID技术, 它可以对访问用户的身份进行识别, 当用户的身份符合要求时, 就可以突破物理围栏, 获取无线局域网的访问权限, 这就从源头上降低了用户非法访问无线局域网网络资源的可能性。
4.2 地理围栏
用户在突破物理围栏进入无线局域网后, 还需要对用户的行为进行实时监控, 这依赖于在访问用户的终端周围建立起的地理围栏。
利用WIFI网络与GPS定位技术的融合, 可以获取用户的位置信息, 并将其访问行为限定在合法的访问区域之内, 一旦用户的访问行为突破限定的访问区域, 可以采取断网或者警告等手段来对用户访问进行控制。
基于位置信息的安全技术和用户移动设备身份识别技术的综合运用, 把网络的防护和智能辨认功能提升到更高的层次, 地理围栏可以创建一个伴随每一个移动设备移动的客户化的无形围栏, 使网络管理员能够确保每一个设备仅能访问网络上被授权的区域和资源。
5 结论
基于WIFI的无缝定位技术由于精度还比较低, 需要进一步提高定位精度, 此时基于WIFI的无缝定位技术用于网络安全才具有实用性。
基于位置信息的网络安全技术作为一种新兴的跨学科的安全防护技术还处于研究和应用的初级阶段, 物理围栏技术只是定位技术与网络安全技术的简单结合。随着研究的深入及无缝定位技术的发展, 基于位置信息的网络安全技术必将更为成熟和完善, 其应用领域也不再局限于无线局域网, 将在更加广泛的安全领域中发挥积极的作用。
参考文献
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[3]王娟, 郭家奇, 刘微.WIFI技术的深入探讨与研究[J].价值工程, 2011, (6) :1.
Wifi定位的原理及应用方向 篇6
还有一种Wi Fi定位常用的方法是信号强度 (RSS) 检测, 这种方法的适用范围广, 可以检测目标所接受到的许多Wi Fi热点 (AP) 的无线信号强度, RSS根据无线信号强度来确定目标的位置。这种方法精度很低, 而且应用时会有严重的逻辑错误。现在结合位置服务商制作好的信号强度地图 (radio map) 来辅助RSS对目标进行定位, 能够极大的提高对目标的探测。另外也可以由其他信号比如GSM, GPRS, 3G, 蓝牙, 红外, Zig Bee等等很多种信号来辅助定位。
使用Wi Fi热点来对目标进行定位精度相对于其他的多种技术方法来说, 成本很低, 用户基本可以不需要增加资金投入, 其精度也相对较低。Wi Fi定位基本主要用于室内的, 室外GPS的定位精度相对较高。可以满足测绘需求。在结构复杂的建筑物内, 墙壁及建筑的构造等因素, 造成多路径效应严重, 环境场经常变化, 目标 (Wi Fi接收机) 和Wi Fi热点 (发射机) 时间不容易同步或者同步精度不高 (影响时间差精度) , 所以对定位精度的影响也很大, 此时, 就需要配合事前结合建筑物的构造, 制作好的Wi Fi信号强度地图来辅助定位, 提高对目标的探测精度。
随着Wi Fi热点的日益增多, 在城市中更趋向于空间任何一点都能接收到至少一个AP的信号。 (在江苏省, 在每个城市的城区内的每个点收到3、5个AP信号的情况相当多见。江苏电信、江苏移动、江苏联通等公司通过广泛铺设Wi Fi热点, 基本已经在全省范围内完成了对人口密集的车站、码头、医院、各所大学的宿舍区域和教学楼区域, 办公区域的全面覆盖)
Wi Fi热点只要通电, 不管它怎么加密的, 都一定会向周围发射信号。每个Wi Fi热点所发出的无线信号中包含此Wi Fi热点的唯一全球ID。即使目标距离此Wi Fi热点比较远, 目标无法与Wi Fi热点建立连接, 但Wi Fi热点还是可以侦听到它的存在。江苏电信、江苏移动、江苏联通等公司铺设的位于公共场所的Wi Fi热点一般都是很少变位置的, 比较固定。这样, 位置服务商只要使用Wi Fi热点位置数据采集设备, 侦听一下附近都有哪些热点, 检测一下每个热点的信号强弱, 然后把这些信息发送给位置服务商的服务器。位置服务商的服务器根据这些信息, 查询每个热点在数据库里记录的坐标, 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定位端, 这样, 定位端就能知道客户端的具体位置了。因此, 只要收到的AP信号越多, 定位就会越准。位置服务商通过不断更新、补充自己的数据库, 以保证数据的准确性, 毕竟无线Wi Fi热点不像手机基站塔那样基本100%不会移动。
目前, 世界范围内, 位置服务商主要有总部位于美国波士顿的Skyhook软件定位服务公司和Google两家。他们收集Wi Fi热点位置数据的方式基本一样。
Skyhook是一家于2003年在美国波士顿成立的无线通信公司, 该公司发明了世界上第一个能够综合使用Wi-Fi, GPS和移动基站进行精确定位的系统, 其主要产品就是推出Wi-Fi定位系统 (WPS) 和XPS 2.0混合动力定位系统。WPS技术的优势是:比GPS系统耗时短, 配合Wi Fi信号强度地图, Wi Fi热点定位服务比手机基站定位技术精确 (手机基站定位通常有几百米甚至上千米的误差) , 并且省电 (用的时间短) 。
Google (中文名:谷歌) , 是一家美国的跨国科技企业, 致力于互联网搜索、云计算、广告技术等领域, 开发并提供大量基于互联网的产品与服务, 该公司也提供无线Wi Fi热点定位技术, 在2014年推出了“云Wi Fi网络”, 构建“云Wi Fi网络”, 针对遍布各地的海量Wi Fi热点只需登录一次。
软件定位服务公司Skyhook和Google两家, 收集Wi Fi热点位置数据的方式主要有以下几种:
1.主动采集
Google的街景拍摄车还有一个重要的功能就是采集沿途的无线信号, 并打上通过GPS定位出的坐标回传至服务器
2.用户提交
Android手机用户在开启“使用无线网络定位”时会提示是否允许Google的定位服务手机匿名地点数据
3.Skyhook公司的专项优势。Skyhook公司的工程技术员开着车在各地巡游, 边走边采集AP信号, 并用GPS定位, 从而就有了坐标信息。同时采集Wi Fi热点数据, 适时适应Wi Fi热点存在的位置的变化状况。还有一种方案, 而且成本并不高。例如要采集南京的Wi Fi热点信息, 所需要的信息采集设备有一个带GPS和Wi Fi的PDA就可以了, 然后, 和出租汽车公司协商, 将Wi Fi热点信息采集设备装到出租车上, 每月给司机一些劳务工资, 让出租车正常拉客人。每个大中城市, 只要找几个出租车司机合作, Wi Fi热点信息数据就采集下来了, 并不断地更新。
Wi Fi热点定位技术除具有良好的精度和可扩展性外, 其独特优势在于Wi Fi芯片已经在各类用户智能终端 (智能手机、平板电脑等) 中得到广泛普及, 并且随“无线城市”的发展, 国内各大城市电信运营商、公司与家庭均已安装了大量的Wi Fi热点与网关, 通过利用现有的这些Wi Fi设施, 能够显著降低建设与长期运营成本, 快速实现项目预定目标。这些都是开展Wi Fi技术为主的无缝定位技术研究的最佳基础条件与保证。
Wi Fi热点定位技术的优势
1.基于标准Wi Fi网络, 无需额外搭建其他网络设施, 极大的降低了Wi Fi热点定位的安装和工作成本;
2.通过Wi Fi网络直接传递数据, 定位的同时还能够无线上网;
3.定位精度高, 配合Wi Fi信号强度地图, 精度可达2~9米以内, 高度方向实现楼层自动切换, 实时性好;
4.系统容量大, 1个AP支持200多个终端同时定位, 分布式定位服务器支持数万人同时定位;5.支持被动定位, 支持iPhone和i PAD定位, 用户不需要接入Wi Fi网络也可以定位, 不会对Wi Fi网络接入和通信带宽造成很大影响;;
6.定位终端多样, 除了传统的Wi Fi标签卡之外, 完美兼容各种Wi Fi智能设备的定位, 如智能手机、Pad、笔记本等都可以接入, Wi Fi热点定位的成本相对低廉。
Wi Fi热点定位技术在实际运用过程中, 也存在一定的局限性, 在室外开阔的地带, Wi-Fi定位精度比GPS要低, 受服务范围限制, 而且没有方向、速度等数据, 不能导航, 更不能离线使用。不过它有比GPS更优越的地方, 就是在人口、楼群越密集的地方, Wi Fi热点越多, 使用的效果会更好, 配合Wi Fi信号强度地图, Wi Fi热点定位技术不会受到建筑结构、人口密度等因素影响。使用GPS技术的设备, 启动时间长, 在复杂的建筑物内部基本是无效的, 使用GPS技术的设备在刮风下雨, 打雷闪电等天气不好的时候表现也欠佳, 楼群太密集的地方, 使用GPS技术的设备灵敏度大幅下降, 会出现较大误差。Wi Fi热点定位技术相对于GPS等定位技术, 系统技术成本相对较低, 配合Wi Fi信号强度地图, 能够在复杂的建筑内进行较精确的定位, 智能手机已经在普通人群中广泛使用, 人们在空闲的时候基本都在用智能手机接入Wi Fi热点上网, 这样为Wi Fi热点定位技术提供了目标定位的便利。Wi Fi热点定位技术凭借低成本的优势, 可以广泛的应用在学校、商场、医院等人流量大, 建筑物密集的区域, 有效地动态分析出人流量在不同时间、不同地点的流动情况, 从而可以为各个公司、企业制定出合理的营运措施。
摘要：随着WiFi热点的日益增多, 使用Wi Fi热点来对目标进行定位精度逐步提高, WiFi热点定位技术凭借低成本的优势可以广泛应用。
WiFi定位技术 篇7
随着智能手机的发展,基于智能手机的室外定位技术越来越成熟。即使在陌生的城市,也不用担心走丢。但室内定位还尚未普及到人民大众,尤其在大型商场、火车站等公共场合,定位还依赖于大声呼喊、广播等原始方法。因此室内定位在寻人、寻物方面有着广阔的应用前景。
目前室内定位可基于各种各样的硬件,Wi Fi、惯性传感器、蓝牙、NFC等手机上常见的硬件借助不同的算法都可以进行室内等位。由于现如今大学校园、商场、火车站等室内环境都覆盖有Wi Fi,所以基于Wi Fi的定位技术成了室内定位的不二选择,但也存在着高能耗、易受干扰、Wi Fi覆盖盲区无法定位等缺点。基于手机陀螺仪(惯性传感器)的定位技术可以获取用户移动的相对位置,却无法对用户的地理位置进行判断,且长时间使用误差较大。所以对Wi Fi定位和陀螺仪的混合定位进行研究,探讨混合定位的前景。
2 定位原理
2.1 WIFI定位原理
WiFi定位可主要分为两类。
(1)基于Wi Fi到达时间(Time Of Arrive,TOA)的定位法。该方法通过测量AP(Wireless Access Point)发射Wi Fi信号到达待测目标的时间,计算AP距待测目标的距离。以AP为圆点,AP到待测目标的距离为半径画圆。多个不同AP画出的圆的交点即为待测目标的位置[1]。由于当前市场上的主流手机的Wi Fi模块并不具有测量时间的功能,所以这种方法不适用于此。
(2)基于Wi Fi信号强度测量的定位法。此类方法又主要分为两种。
1)三边定位法。由于TOA方法时间测量不便,利用Wi Fi衰减模型,估算出待测目标的位置距AP的距离[2]。以AP为圆点,AP到待测目标的距离为半径画圆。多个不同AP画出的圆的交点即为待测目标的位置。三边定位法具有成本低、易实现、覆盖范围大的优点,是目前应用最广的方法。
2)指纹定位法。一般分为两个阶段,Wi Fi信号特征采集阶段和定位阶段。在Wi Fi信号特征采集阶段,建立Wi Fi信号强度特征库(指纹数据库)。采集大量参考目标位置的Wi Fi信号强度特征,并存储到指纹数据库。在定位阶段,将采集的Wi Fi强度特征与指纹数据库进行比较,估算出待测目标的位置[3]。指纹定位法的优点是定位精度高。但易受外界环境变化的影响,且依赖于指纹数据库。
2.2 陀螺仪定位原理
陀螺仪定位基于手机上的三轴陀螺仪,根据各个方向的加速度及加速时间,计算出待测目标在各个方向的移动距离,进而估算出待测目标的当前位置。陀螺仪定位具有响应快、短时间定位准确、记录运动轨迹、能耗低、不受外界环境影响的优点,但是长时间使用误差较大。
由于陀螺仪定位需要一个较为准确的初始位置,所以选用精确度较高的Wi Fi指纹定位和陀螺仪定位智能轮换定位的策略。
2.3 Wi Fi和陀螺仪的定位策略
由Wi Fi环境对指纹定位误差的影响,得出Wi Fi环境的最低要求。由用户对陀螺仪误差的接受范围,得出陀螺仪最大使用时间θ。T为实际使用陀螺仪定位的时间。
在初次定位时需要在Wi Fi环境最低要求处使用指纹定位法,0<T<θ/2时使用陀螺定位法。θ/2<T<θ时请求使用Wi Fi指纹定位,如Wi Fi环境达到最低要求,则进行一次Wi Fi指纹定位,并修改为陀螺仪定位的新初始位置,T置零。如t>θ仍未达到最低要求则停止定位服务,并持续监测Wi Fi环境。在Wi Fi环境达到最低要求时,进行一次指纹定位,并修改为陀螺仪定位的新初始位置,T置零,重复上述流程。如表1所示。
3定位算法
3.1 Wi Fi指纹定位
在Wi Fi信号特征采集阶段将待测区域划分为若干个位置进行Wi Fi信号特征采集,如人的指纹一般一个位置对应一个信号特征R:
(x,y)为采集位置,Maci为第i个AP的mac地址,RSSIi为第i个AP的RSSI的值。将Wi Fi信号强度排序,取3个信号最强的进行数据采集,存入指纹数据库。
在定位阶段,目标采集Wi Fi信号特征,再利用适当的匹配算法与指纹数据库中特征进行匹配,计算出目标位置。
使用K最近邻匹配算法(KNN)[4],目标s与第i个参考点的距离dis:
P=1、2时分别称为曼和顿距离、欧几里得距离。P=2。Si表示目标测得的第i个AP的RSSI值,Rji表示第j个参考点的第i个RSSI值。由于取3个固定AP的数据,所以具体公式如下:
K值取1,称为最近邻法,即选择距dis值最小的参考点作为目标当前位置。通过更多划分区域提高精度。
3.2 陀螺仪定位
陀螺仪定位主要运用积分的方法,视极短时间段内为匀变速运动,算出该段时间的位移进行累加,推算出目标当前位置[5]。取时间段为5ms,每50ms计算一次当前位置s:
s0为初始位置,sx,sy分别为x,y方向的位移量,axi,ayi分别是每个时间段5ms时测得的速度。
4 实验设计及其仿真实现
由于如今手机性能越来越好,实验采用BS模式,测试手机型号为小米4,指纹数据库使用主流Android手机内置的SQLite。指纹数据库记录字段如下:
ID为指纹编号,x,y是指纹位置的坐标。Maci和RSSIi分别是当前指纹位置的第i个AP的mac地址和RSSI值。
试验位置使用河南中医药大学B区N508室及其走廊,面积20m*7m。采用网格布局,除去墙体,共取130个指纹采集点,取样时每个采集点取样30次,取中间值录入指纹数据库。定位时取样5次,取中间值进行匹配。陀螺仪最长使用时间θ取60s,Wi Fi标准要求,最低要求对应的RSSI值分别是-70和-90(不同手机的RSSI参考值可能不同)。软件示意图如图2所示,实验数据如表2所示。实验结果表明混合定位可有效缩短平均定位时间,定位精度取决于指纹定位的精度,效果较理想。
5 结语
对Wi Fi指纹定位加陀螺仪定位混合定位进行了研究,测试结果表明平均定位时间比仅Wi Fi指纹定位的方式更快,对Wi Fi环境的要求也有所降低,精度接近于Wi Fi指纹定位算法,具有一定的实用价值。今后将对降低定位功耗进行研究,并进一步改进Wi Fi指纹及定位策略。
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WiFi定位技术 篇8
关键词：零售行业O2O,Wi-Fi组网,室内定位,LBS,RTLS
1 概述
商圈是现代城市的重要公共空间，是城市信息流、资金流、物资及人员流动汇聚的主要场所，是城市的重要名片。上海商圈分布密集，仅五角场商圈就分布着百联又一城、万达商城、大西洋百货、巴黎春天等大型商厦。
伴随着电子商务的兴起，特别是淘宝双十一购物节等网上大型购物狂欢节的爆发性增长，线上商务对线下商务构成了巨大冲击，商场有沦为现场体验馆的危险。
为应对这一重大挑战，零售行业纷纷推出O2O(Online To Offline）解决方案，通过提供免费Wi-F接入和广告推送、现场体验结合移动查询/移动支付等手段，打通线下线上业务，为实体企业带来新增业务收入和利润。
在零售行业O2O解决方案中，Wi-Fi组网以及基于信号的室内定位导航系统是最基础的应用。
2 移动Wi-Fi组网方案
大型商场一般包括地下和地上多个层面，每个层面面积在1万平米以上。每个层面分布多个弱电间，如百联又一城，从北到南，依次配属了4个弱电间，弱电间内有电源箱和电信信号箱。从走线情况来看，一般都通过金属线槽或者PVC管道从吊顶上布线。
2.1 商场Wi-Fi组网要求
Wi-Fi网络要求连接效果好，通信质量稳定，安全的接入控制和网络管理；从投入成本和长期管理维护成本考虑，要求经济性好、效费比突出，特别是能够尽可能利用商场已有Wi-Fi设备。主要特点包括：
便捷性：只要选取地面或楼顶合适的位置，以及室内合适位置（地下部分）就可架设，采用组合全向天线的模式，不需要调整任何角度，信号以无线电波的方式传输。
稳定性：具备电信级别的稳定，保证信号质量良好，网络通信稳定，保证系统的长期无故障运行、可靠性高。
安全性：支持WEP、WPA、WPA2、AES等丰富的加密方式，支持802.1x、Radius等主流网络接入的安全认证方式，基于自己或支持第三方的安全认证系统实现网络用户认证接入和安全通信。
高品质：采用高品质无线产品和先进技术，实现覆盖区域内的无盲点通信，具有高品质的传输质量。具有很强的抗干扰能力，具有避开干扰的能力，保证用户在一定干扰环境下的稳定通信。
维护性：在网络上任何节点可进行远管理、维护，可基于Web、SNMP、CLI等方式配置和软件备份升级。
经济性：无线网络系统可通过尽量少的Wi-Fi基站数量，取得让用户满意的网络接入效果，有较高的经济性和效费比。
隐蔽性：根据商场特点，无限网络设备设施安装需要符合美观要求，并提供必要的隐蔽安装方式方法，以在关键区域采用馈线延伸方式进行部署。
2.2 Wi-Fi组网技术方案
Wi-Fi网络采用AC(集中控制器)、PoE(Power over Ethernet)交换机和AP的三层划分，由AC统一配置、管理各类AP。支持在无线网络中配置针对无线入侵、网络攻击、病毒等的检测、防范策略。
AP部署实践
根据实测结果，当AP放置在空间上部空旷区域，信号强度最为理想。考虑到商场实际情况，AP部署在走廊顶端吊顶之上最为合适。一方面信号强度最优化；一方面走线方便，可以通过吊顶之上的走线槽实现隐蔽布线。
AP尽可能选用支持2.4G和5.8G双频段的设备，采用MIMO或分集技术天线，支持外接天线或内置天线，支持数据包二层转发模式，即AP本地转发，而不通过控制器转发。对人员密集区域、环境复杂区域采用支持双频和802.11n技术的AP进行高带宽、高可靠性、高接入能力的部署，并通过独立的网管软件对所有AP实现统一网管。
PoE交换机实践
通过PoE交换机接入网络汇聚和核心设备。在只配置少量无线AP的区域，无线AP可通过单独的供电模块接入当地的有线网络。各AP通过双绞线与楼层汇聚802.3af标准PoE交换机相连，再通过千兆上联线路与网络中心的核心交换机连接，从而达到访问以太网的目的。供电方面，通过PoE交换机和网线直接向AP供电。
AC部署实践
根据国外大型校园网(如加州大学、卡内基梅隆大学等)、大型商场网络(如Safeway连锁超市等)，AC与AP的数量比一般保持在1:100～300区间。具体到商圈情况，考虑为每个商场配属一个AC，可以根据商场配属AP的数量，选择不同型号AC。如无线组网厂商Meru提供MC1550/3200/420等多种型号，分别支持50/200/500个AP。
综合布线实践
采用满足PoE交换机方式的电缆综合布线系统（PDS）采取标准化措施，实现了统一材料、统一设计、统一布线、统一安装施工，使结构清晰，便于集中管理和维护。
水平布线子系统，采用五类或六类双绞线进行布防，根据水平弱电桥架走向严格规范布防，线路长度小于100米，同时每个位置留有1倍的冗余能力。线路汇聚末端采用五类或六类跳线排进行连接，通过短跳线连接交换机，另一端采用单口模块方式进行独立部署，采用86型线盒进行隐蔽安装。所有线路具备标识标志。
垂直主干子系统,采用光纤结构，以多模光纤方式进行布防，每层留有4对及以上的接入能力，采用ODF面板方式进行汇聚，通过尾纤接入到交换机系统。
2.3 用户接入认证方式
系统需要提供对移动终端用户的认证健全、上网审计等必要能力。根据公安部2006年实施的82号令，认证鉴权系统需要提供60天上网用户访问记录，供警用查询。
系统可以提供面向移动终端、PC个人电脑的认证界面推送能力，通过界面提示输入手机号码，根据下发随机码方式调用短信网关实现用户的单次认证。认证通过的用户可以根据业务分级等方式实现互联网业务访问。同时提供流量分析等功能
系统同时提供宣传广告服务，让用户在免费使用网络的同时，主动接收企业的宣传广告服务功能。面向商场内的商户提供产品推荐、促销宣传、客户服务等定制服务。
业务认证流程：
3 移动Wi-Fi定位
从目前LBS(Location-Based Service，定位服务）行业现状来看，室外GPS定位导航服务已经相当普及，并且3D展示效果也已经逐步实现；下一步发展趋势就是室内定位。
室内定位系统一般统称为RTLS(Real Time Location System，实时定位系统）。RTLS是一种基于信号的无线定位手段，可以采用主动式，也可以采用被动感应式。Wi-Fi定位是一种基于RSSI的被动感应式定位方法。
RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示）是无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。在无线定位技术中，常常根据RSSI强弱来测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算。
Wi-Fi定位所需要的信号强度比普通上网要高，要求达到-80dbm以上；如果要达到较高的精度，最好能够达到-70dbm以上。
目前业界领先的Wi-Fi定位公司包括AeroScout,Ekahau,Ubisense等等。
3.1 定位原理
基于RSSI的Wi Fi定位容易受到信号折射、反射、绕射、衍射等影响，信号强度呈现一定的波动性。在典型应用场景下，接收信号强度符合Log-Normal分布。通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，根据信道模型求解接收到待定位置的信号场强：
式中：n为路径损耗指数，与周围的环境有关；
是标准差为σ的正态随机变量；d0是参考距离，在室内环境中通常取1m;PL(d0）为参考位置的信号强度。
LANDMARC算法
三角定位算法精度不高，一般需要加以校准。LANDMARC算法假设有n个AP,m个参考标签，则AP点接收到的待定标签的强度量P=(AP1,AP2，…，APn），采集到的第t个参考标签的强度矢量为St=(St1,St2，…，Stn），则待定标签和参考标签St之间的欧氏距离为：
欧氏距离（Euclid Distance，欧几里得距离），通常定义在N维空间中两个点之间的真实距离。在定位服务中，欧氏距离用于将多AP信号强度换算成实际物理距离。
LANDMARC算法主要通过比较不同Et来寻找与待定标签位置最近的参考标签。当由K个邻近的参考标签来确定一个待测标签的时候，称之为“K-最邻近算法”，待定标签坐标是（X,Y):
其中的Wi和（Xi,Yi）分别是第i个邻居参考标签的权重因子和坐标位置。
三角定位算法
三角定位法：分别以已知位置的3个AP为圆心，以各个到待测标签的距离最近参考标签的距离为半径作圆。所得的3个圆的交点为D。三角形算法示意图下图所示：
设位置节点D(x,y)，已知A、B、C
三点的坐标为(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3)。它们到D的距离分别是d1、d2、d3。则D的位置可以通过下列方程中的任意两个进行求解：
但是在实际应用中，由于测量误差的存在，只有3个信号强度往往定位效果不佳。因此同一点越多AP信号覆盖定位效果越好；考虑到AP故障、稳定性、备用等情况，一般要求，同一个点至少被个AP信号所覆盖。
混合算法
在多数应用场景下，一般结合LANDMARC算法和三角定位算法给出较为精准的定位数据，即采用混合算法。以Aero Scout为例，先采用LANDMARC算法得到3个最适合用于定位计算的点，然后采用三角定位算法得到精确位置。最后得到的定位数据，误差可以精确到到3-5米。
3.2 AP部署原则及定位效果
由于室内环境较为复杂，墙壁、玻璃隔断、铁丝网隔断等等都会对RSSI造成影响，因此如何布设AP成为定位效果的胜负手。根据AeroScout等业界领先公司经验，AP部署原则包括如下内容：
AP应该尽可能的部署在室内环境四周，互相之间保持一定的距离。有条件的话，平面的四个角应该各放一个AP;
AP距离墙壁至少应该有1米的距离，以降低墙壁对于信号的干扰；
AP之间尽可能保持等边三角形形状，不应该呈现大钝角三角形形状；显然，在一条直线上陆续布点是最差方案；
AP均匀分布，确保每一个点能够被至少4个AP所覆盖；
总而言之，AP应该尽可能均匀分布，保持合理的距离以及角度。
3.2.1典型案例
以下是一个AP部署的典型案例：
在该楼层平面的AP部署过程中，遵循了如下原则：
整个平面的四个角各放置了一个AP，以帮助确定图形边缘；
最大的房间(右上角)四个角各放置了一个AP,以提高房间内定位精度，并兼顾走廊定位精度；
充分利用已有网络接口，最大限度降低布线难度；
在测试过程中，对平面图进行网格化处理（每个格子为3米*3米），以便估算实际偏差，并及时加以调整。最终测试结果如下：
一般而言，Wi-Fi定位偏差能够达到的最佳效果在3-5米左右，由于在该平面AP布点较密，因此基本达到了最佳效果。
从定位计算速度来看，AP信号数据每两秒更新一次，定位引擎计算延迟大致在5-8秒，加上客户端展现时延3秒左右，整个计算过程总共需要8-11秒左右时间。
3.3 影响定位效果的其它因素
室内环境千变万化，要想得到较高精度且较为稳定的定位结果，必须实现每一个点都至少被4个以上的AP信号所覆盖，并且至少3个AP信号强度在-60dbm以上。为达到理想定位效果，在遵循前述AP部署原则前提下，以下因素也需要考虑在内：
墙壁：这里主要指承重墙，假墙或者装饰性隔断对信号影响不大。一般而言，隔一堵墙，信号强度可以用于定位计算；隔两堵墙，信号迅速衰减至-70dbm左右，而且稳定性大幅下降，勉强可以使用；隔三堵墙则基本没有信号。
玻璃隔断：在实测环境下，玻璃隔断是对信号强度影响最大的。在前述典型案例下方有一个房间，两侧都是玻璃墙，而且是双层玻璃，玻璃墙内还夹有一层铁丝网，该房间基本上屏蔽了两侧所有信号。
铁丝网：就理论而言，铁丝网(机房环境里经常作为包房隔断)对信号有一定影响。经过实测，铁丝网对信号的影响比预期要好，但是的确信号稳定性相对较差，信号强度会在大致5个dbm的范围内波动。
局部凸起：即缺一个角的房间，往往表现为电力间、储藏室等。局部凸起对信号影响很大，可以视为隔了两堵墙。遇到这种情况，AP选点一定要尽量避开死角。
3.4 精度、速度和密度
在室内Wi-Fi定位部署方案考量中，定位精度、定位速度以及AP布点密度这“三度”是衡量定位方案优劣的最重要指标。
如前所述，目前商用定位精度要求偏差在3-5米之内；定位计算速度需要控制在10秒之内；从成本考虑，则AP布点密度越低越好。一般而言，定位精度要求越高，则AP布点越密，预计每20～30米就需要布设一个AP；然而AP密度越高，定位计算量就会增加，相应的定位速度就会降低。
4 总结
WiFi定位技术 篇9
根据无线信号与不同的地理位置进行匹配映射的关联特点,基于Wi Fi指纹的室内定位技术通过建立Wi Fi信号强度(RSS)和地理位置的映射关系來实现位置的定位,即不同地理位置上接收到的Wi Fi信号强度是不同的。在复杂的室内环境中,受多种因素的影响,AP信号的传播变得非常复杂和多变,比如有气候的变化、人体走动、多径效应、墙壁门窗的遮挡、其他信号干扰等因素;而实时定位的精度以及稳定性也会受AP的性能、AP的数目、采样点的方向、时间等多种因素的影响。这样会导致AP信号指纹与地理位置的映射关系发生变化,造成定位精度大幅度的降低。因此,为了提高基于Wi Fi指纹的室内定位精度和稳定性,本文首先对影响室内定位精度和稳定性的因素进行了实时的分析,然后从国内外研究现状出发,总结定位精度与多种因素的关系和其他方法[1,2]。
2 室内定位的影响因素分析
基于Wi Fi的室内定位由于受室内环境的多种因素影响,室内中人群的走动和气候的变化影响AP的信号强度变化;受墙壁和橱窗等障碍物的遮挡和阻隔造成AP的信号传输发生折射和衍射;AP信号随着时间的推移也会发生变化[3]。为了更加深入的了解影响室内定位的因素,本文对场景中室内因素进行的实验分析。实验场景为山东科技大学J13办公楼,包括走廊、办公室、机房等。
2.1 AP信号强度变化情况
如图1所示,在固定采样点对多个AP进行采样,然后对每个AP的信号强度进行统计分析,得出每个AP的信号强度变化近似成高斯分布。这对指纹库中数据的处理与存储有很大的帮助。
2.2 同一采样点不同时间采集到的AP数目
如图2所示,由于周围环境的变化比如人员走动等因素,同一位置的不同时间接收到的AP个数也会变化。所以,构件指纹库和在线定位时接收的AP信号数据,应该选择适当的AP进行数据过滤。
2.3 同一时间不同采样点采集到的AP数目
在复杂的室内环境下,受到房间环境的干扰,一些AP信号干扰比较大,有时候不仅会出现波动,还可能接收不到。所以,不同位置接收到的AP数目不一样。从图3可以看出,不同位置接收到的AP数目在变化的,而且相邻位置采样感测到的AP数目也有很大不同。
2.4 AP数目对误差的影响
图4是对实验环境内定位精度的一个分析,本分析是使用简单的确定性的KNN定位算法,在20个参考点的情况下,对指纹库中,RSS信号强度向量的一个维度的分析。由于不同AP对定位精度的贡献值不同,从来表现出定位精度的大幅变化。可以看出从维度为11到20时定位精度在3m左右。
总之,在复杂的室内环境中,由于空间小,房间结构复杂,比如墙壁、门窗的遮挡,人员的走动等,导致无线信号传播呈现多径传播效应,使得AP信号不稳定,变化多样。这就给室内定位精度的提高和定位精度的稳定性带来了挑战,以上分析的因素就是几个因素。所以AP选择至关重要,AP选择既可以大幅度的克服以上问题,又减小计算开销。
3 AP选择算法研究
随着基于指纹的WLAN室内定位技术的发展,许多学者也提出了相应的AP选择算法。最简单的AP选择算法是将所有能接收到信号的APs都作为采样对象,这样可以增加指纹库的存储并且加大在线定位的计算量。下面总结了几种AP选择算法。
3.1 Max Mean方法
2003年Youssef等人提出了Max Mean方法[4]。该方法是在每个采样位置,按照接收到的RSS平均值将APs进行排序,然后从中选择前k个RSS平均值最大的APs作为采样目标,最后将它们的RSS值当作样本指纹建立指纹库。通常在采样点位置接收到的AP数目是不断发生变化的,因此会经常选取在接收AP集合中出现频率最高的那些APs。例如Youssef团队提出的联合聚类技术(Joint Clustering Technique),主要是利用不用AP的信号强度的联合概率分布根据观察的信号强度样本找出最可能的用户位置,除此之外,使用聚类可以减小计算开销。
联合聚类技术分两个阶段:离线训练阶段(Offline training phase)和在线定位阶段(Location determination phase)。离线阶段首先是计算联合概率分布,涉及三个方面:联合概率的维度k的确定、选择哪k个AP和计算联合概率分布。公式如1。
其中,可通过直方图或高斯分布计算得出。然后是进行位置聚类,涉及两个方面:用于聚类的AP数目q的确定,选择哪q个AP用于聚类。
在线阶段的总体思路,首先在未知位置获得来自周围AP的一个样本,选择其中q个最强的AP来决定属于哪个群集;然后根据观察样本利用贝叶斯理论求出每个位置的概率,根据指纹库中的概率求出可能性最大的位置。
通过该方法定位的精度90%的情况在2.1m左右,而用所有的AP定位精度为2.1m的情况下只有38%。定位精度得到了显著提高。该方法的缺点是,并没有考虑AP的RSS的变化情况,第一,对于变化较大的AP,实时定位的数据和指纹库中的采样数据有可能都不相同,从而加大了定位的误差。第二,对于该方法中设定的k和q可能实际测量时AP的数目小于k或者q。
3.2 基于信息增益的AP选择算法
2008年陈益强等人提出了基于信息增益的AP选择算法(CADET)[5],利用数据挖掘技术来定内定位同时集中解决减少能耗问题,主要是二点:一是应用特征选择来选择AP;二是应用基于多元决策树处理无线数据。由于无线信号的多变,在CADET方法中,用基于信息理论的特征选择方法,它可能优化定位计算精度并且在高精度的计算下减少所需的样本数量。
CADET算法同样分两个阶段。离线阶段进行AP选择,应用特征选择算法找出APs集合S。根据集合S和离线阶段采集的数据,应用后续聚类分析,把网格空间分区为集群,每个集群提供一个后续位置模型,然后基于S中的APs,对每个群集构件一个决策树。在线阶段将将实时采集的数据作为输入,进行位置估计根据从S中选择APs的信号强度向量,来用于决定当前客户端属于哪个群集。然后根据决定群集的决策树来决定客户端属于哪个网格。
该方法中重要一环的AP选择就是应用信息增益(In⁃fo Gain)方法,Info Gain算法是以信息论中的信息增益为基础而设计的AP选择方法。在基于Wi FI的网格定位系统中,每个接入点当成是一个指纹,且其中每个网格都可由周围m个接入点进行表示。在某个网格中,离线采集的第i个AP的信号指纹作为该网格的第i个特征,其中未接收到的AP对应的特征值设置为-95。Info Gain方法中使用信息增益的目的是评判每个特征的重要性,基于此选择信息增益最高的k个接入点作为定位AP。每个特征的重要性判断由信息增益来计算,就是通过信息熵来计算已知网格和未知网格之间信息熵的差值,公式如下。
该方法以提高精度的同时降低计算功耗为主要目的,运用了数据挖掘技术、信息论等技术,相比于选取RSS平均值最高的AP的Max Mean算法,Info Gain算法通过AP区分网格的能力来选择APs,因此相对于传统的方法该定位算法具有较好的定位效果且降低了计算功耗。但是通过实验证明,信号最强的AP也不一定最适合选作采样AP。
3.3 联合AP选择法
哈尔滨工业大学的邓志安博士曾提出的联合AP选择方法[6],该方法主要是考虑AP之间的相关性,既未知较近的AP信号强度值之间的相关性信息,然后根据最大化信息准则来对接收到AP特征进行选择。该方法的基本原理与Info Gain算法累死,是根据MMI准则来度量特征指纹之间的信息增益,基于此,选择信息增益最高的某些AP作为定位AP。
3.4 基于APs信号关联性的选择方法
Kushki等人提出的AP选择方法是利用AP信号值之间的关联特性[7],该算法的使用说明了所选择的接入点之间的相关性的最小化原则问题。在此基础上,提出了AP选择方法,该算法主要是利用NI过滤器来对定位区域中含有信息叫多的AP作为选择的接入点,其中位置的分辨能力是通过聚类之间的方差和聚类内部的散失率进行衡量。
上述3.2和3.3都是对Max Mean方法的衍变,都是选择最大(信号强度、信息增益、别的AP特征)的前m个AP作为采样对象,从而进行定位。所述的AP选择算法主要是通过APs的RSS数据在样本中出现的概率以及对位置的分辨能力作为衡量标准,虽然减小了定位计算量,但由于AP的多变化性都没有考虑APs的RSS样本数据的稳定性,无疑增加了误差,定位结果不准确。
4 结论
本文对现有室内定位中的AP选择算法进行了综述研究。首先,从时间、地点、方向等方面对AP信号造成的影响进行了实验分析,得出AP选择的重要性。其次,从国内外的研究现状出发,对基于Wi Fi的室内定位中AP选择算法进行了分类和对比分析,讨论算法的优缺点,分析显示室内定位算法的研究注重定位精度和能源消耗之间的平衡。为下一步室内定位方法的研究奠定基础。
参考文献
[1]姜莉.基于Wi Fi室内定位关键技术的研究[D].大连理工大学,2010.
[2]He S,Chan S H G.Wi-Fi Fingerprint-based Indoor Position-ing:Recent Advances and Comparisons[J].IEEE Communica-tions Surveys&Tutorials,2015:1-1.
[3]Kaemarungsi K,Krishnamurthy P.Analysis of WLAN’s re-ceived signal strength indication for indoor location fingerprint-ing[J].Pervasive&Mobile Computing,2012,8(2):292-316.
[4]Youssef M A,Agrawala A,Udaya Shankar A.WLAN locationdetermination via clustering and probability distributions[C].IEEE International Conference on Pervasive Computing andCommunications.IEEE,2003:143-150.
[5]Chen Y,Yang Q,Yin J,et al.Power-efficient access-point se-lection for indoor location estimation[J].IEEE Transactions onKnowledge&Data Engineering,2008,18(7):877-888.
[6]邓志安.基于学习算法的WLAN室内定位技术研究[D].哈尔滨工业大学,2012.
