WiFi如何实现室内定位功能?

作者:Narayanan Raman、Richard Edgar。

当我们在室外开车或者骑自行车时,我们已经习惯使用GPS来实现跟踪和导航,但是当我们进入到一个较大型的室内空间,比如机场、会议大厅等,总的来说我们还在使用纸质地图。为了能够更进一步,Wi-Fi联盟推出了互操作性认证项目使得Wi-Fi支持室内定位功能,Wi-Fi认证定位功能是基于IEEE 802.11-2016的精细时序测量(Fine Timing Measurement)通讯协议,为室内设备定位提供米级别(metre-level)的精确度。该功能支持使用Wi-Fi网络的各种场景,比如室内导航、物品追踪和网络管理等。

本篇文章中我们将详细探讨WiFi定位协议是如何工作的,并且介绍在Imagination的Ensigma Explorer平台上用于定位的硬件支持。

WiFi如何实现室内定位功能?

之前WiFi定位所采用的方法

到目前为止,WiFi室内定位还主要依赖于测量信号强度,通过测量信号强度的衰减或匹配接收信号强度的方式来实现对距离的估计。

然而信号强度的测量可变性非常大,限制了这些方法的精确度。为了获得更好的精确性,我们需要对不同位置的信号强度进行采样测量。这个过程非常明显地耗费时间而且每次设备变换位置都需要重复采样。

WiFi定位是如何工作的

WiFi信号以已知的速率在空气中传播——即光速。因此信号从一个热点(AP)或者基站(STA)发出到被另一个AP或者STA接收之间的时间乘以光速就可以转换为距离,这被称为“飞行时间测量”。

WiFi如何实现室内定位功能?

“飞行时间”的测量方法所面临的一个困难就是保证发射端与接收端设备的参考时钟同步,误差大约在1ns之内。这个问题通常可以通过对“往返时间”的测量来避免。

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实际上“往返时间”要比单程“飞行时间”多出几个数量级,而且会随着时间的推移而变化,这样就使得原始测量的数据不准确。

• 如果基站(STA)也能够测量精确的时间戳,它就可以确定所花费的时间,并且保证整个架构设计的精度在几纳秒以内。
• 如果这个协议支持在设备之间传递时间戳,那么涉及到的四个时间戳就可以汇集到一个设备节点处,然后进行计算处理。
• 距离的计算是根据四个时间戳(两个时间之间的差值),一个设备应该将时间戳发送给另一个设备,然后第二个设备才能够进行一定的计算。

新型的WiFi定位协议:精细时序测量

在这个新协议中,无线接入点(AP)会发送一帧数据,移动设备会接收这帧数据,同时移动设备会回复一个确认(ACK)响应,无线接入点会接收这个响应(ACK),最后无线接入点会发送一帧数据包含这两个时间戳。

WiFi如何实现室内定位功能?

WiFi如何实现室内定位功能?

Ensigma Explorer硬件平台支持精细时序测量协议

WiFi定位的精度与时间戳的精度相关(1ns相当于30cm的距离)。因此保证时间戳的精确就显得非常重要。Imagination推出的Ensigma Explorer WiFi是一个非常高性能的互连IP,支持IEEE 802.11ac 2x2协议标准。这款IP能够提供高精度的时间戳,对于保证WiFi定位测量的精确性至关重要。

WiFi如何实现室内定位功能?

高分辨率的定时器能够非常精确的记录WLAN数据包到达和发出的时间。48位的计数器也具有较高的分辨率,运行频率在320MHz。计数器数据可以通过在软件里面设置触发寄存器或者通过硬件配置来获取。

WiFi如何实现室内定位功能?

总结

目前无线网络已经无处不在,人们对WiFi室内定位充满了期待。来自MIT的研究团队已经开始使用角度与飞行时间的结合来进行测量,精度保证在10厘米以内。Ensigma Explorer硬件平台支持高精度定位测量,并且这个特性已经授权给我们的一个主要客户,我们预计在不久的将来这个领域会变得非常重要。

关于Narayanan Raman

Narayanan Raman是Imagination公司的高级业务拓展经理。

关于Richard Edgar

Richard Edgar是Imagination科技通信技术部门的总监,他是一名资深的无线网络专家,为不同的半导体和设备制造商开发了各种短程无线解决方案。Richard向不同行业展示Imagination的短程无线技术。业余时间Richard则会在教堂、研究剑术以及同自己的孩子享受美好时光。

原文链接: https://www.imgtec.com/blog/wi-fi-for-indoor-location/

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