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2.1.5 Wi-Fi技术在室内的应用

Wi-Fi技术作为室内主流的无线数据通信技术,能提供各种网络业务,满足人们上网、娱乐和家庭设备联网的需求。本节介绍利用Wi-Fi技术的室内定位以及Wi-Fi的组网产品。Wi-Fi的室内定位并不是新话题,在商业应用中已经有位置指纹法来定位无线设备在大商场或公众场所的位置,但从技术的演进来说,通用定位技术的精度和有效性还有很大的发展空间。此外,Wi-Fi不仅仅是人们理解的数据传输通道,研究人员甚至可以利用Wi-Fi进行人体行为检测,这是本书在最后一章对新技术展望时会介绍的内容。

1. Wi-Fi室内定位技术

在室外通过GP S技术可以定位和导航,但在室内因为GP S信号减弱,只能通过其他手段来定位携带无线设备的移动人员。室内定位技术一直有广泛的需求,例如在大商场中人们随时想知道自己的位置,知道怎么走能找到自己想要的商品、餐饮服务、厕所或者停车位置等,还有在突发意外情况下对人员的定位,以及根据人员行动的轨迹进行消息推送与广告投放等。可见室内定位技术有着非常广泛的应用和商业价值。

即使在小范围的家庭,定位技术也可以发挥它的作用。例如通过对访客手机的定位,可以限定手机只能在客厅内使用家庭Wi-Fi资源,访客如果进入其他房间,则手机不能通过Wi-Fi上网;又比如,如果发现家庭网络性能下降,并通过手机APP注意到有异常设备连接到家庭中的Wi-Fi路由器,则可以通过定位技术来确定该设备的位置;还有可以让老人或小孩佩戴支持无线技术的小挂件,通过定位技术可以远程了解他们在室内的位置等。

目前通过短距离无线技术实现定位的方式有很多,例如Wi-Fi定位、蓝牙定位、超声波定位、红外定位、ZigBee定位、行人航迹推算等。这些技术采用不同的定位原理,例如基于位置指纹定位法、三角形定位法、基于电磁波入射角度的定位法等。这些方法各有优缺点,同时具有不同程度的定位精度。本节主要介绍基于Wi-Fi技术的定位。Wi-Fi路由器在商场或家庭都已经广泛使用,人们通常随身携带支持Wi-Fi的智能手机或者其他无线设备,所以基于Wi-Fi技术的定位不需要有新的基础设施或者新路由设备。

目前Wi-Wi定位技术可以根据信号到达接收端的物理信息或者特征来甄别信号的位置,例如有Wi-Fi的信道状态信息(Channel State Information,CSI)、Wi-Fi的接收信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)、Wi-Fi信号的到达时间(Time of Arrival, TOA)、Wi-Fi信号到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)、Wi-Fi信号到达角度(Angle of Arrival,AOA)等。通过这些信息的收集可以计算出目标终端的位置。具体的定位技术如下。

1)基于Wi-Fi信号的到达时间的定位技术。根据信号从Wi-Fi AP发送到目标所需要的时间以及空气中电磁波传播的速度可以计算出目标与Wi-Fi AP之间的距离。TOA定位技术的实现需要目标终端与Wi-Fi AP之间严格的时钟同步,这是实际场景中做不到的精度要求。

2)基于Wi-Fi信号到达时间差的技术可以克服TOA的缺陷,它通过目标终端接收两个Wi-Fi AP的信号的时间差来计算终端与两个AP的距离差。

3)基于Wi-Fi信号到达的角度的技术是利用目标终端与AP的角度以及AP的位置来计算目标终端的直线方向。在有两个AP的情况下,可以根据角度法计算得到两个直线方向,而这两个直线方向的交点就是目标终端的位置。

4)基于Wi-Fi的接收信号强度的定位有两种方法,信号传播模型定位法和位置指纹定位法。

信号传播模型定位法根据信号衰减模型来计算目标终端的距离,即信号强度以AP为中心向所有的方向以对数距离损耗模型的方式衰减,然后根据目标终端的信号强度值,计算终端到AP的距离。在有三个AP的情况下,重复相同的办法可以通过三角形法计算出目标终端的位置。信号强度RSSI是手机APP能直接观察到的无线信号的信息,但它容易受到环境变化的影响,室内不同的障碍物对于无线信号的衰减有不一样的效果,所以不像理想的自由空间,在室内没有一个能精确描述无线信号传播特性的模型,所以基于RSSI的定位技术的精度并不高。

位置指纹定位法实际上可以看成是信号特征匹配或者模式识别的问题。指纹是表皮上突起的纹线,它是遗传与环境共同作用产生的,人人都有指纹,却各不相同。指纹重复率极小,大约150亿分之一,所以通过指纹进行身份识别是主流的身份鉴证技术之一。位置指纹指的是把实际环境中的位置通过某种方式关联到唯一的特征信息(“指纹”),即一个位置就对应着一个指纹,当获得某个指纹信息后,通过检索指纹数据库可以找到对应的位置信息。这里的位置指纹定位法使用的是信号强度值。不同位置的RSSI值构成了信号特征库,但仅使用一个AP发射到目标终端的信号的RSSI值是不够的,因为在实际环境中,多个物理位置都会有相同的RSSI值。通常的做法是测得多个AP发送过来的信号的RSSI值,构成一个RSSI向量,然后把很多不同位置的RSSI向量放到同一个数据库中,这样就形成了位置指纹数据库。从这里可以看到,位置指纹定位法有两个步骤,首先通过离线的方式,采集各个位置的RSSI信息,构成信号特征数据库;当有设备在指定的环境中移动时,根据设备实时采集到的RSSI值,在数据库中进行搜寻和匹配,然后可以获得设备当前的位置。因为RSSI值的不精确性和易受环境影响的特点,这个方法不是非常准确,而且事先需要构建信号特征库也不是灵活方便的方式。

对Wi-Fi的信道状态信息的研究是目前的关键技术。802.11a/802.11n等多数Wi-Fi标准在传播信号的时候都是通过正交频分复用来把频带分成多个正交的子载波,CSI技术就是利用Wi-Fi的每个OFDM子载波来获取相关变换的振幅和相位,从而得到比RSSI颗粒度更细的信号传送信息。利用CSI进行定位要比RSSI更精确,RSSI是多路信号的平均值,就像是包含各种波长的白光,而CSI把不同波长的信号进行了分离,然后分别获得相关的振幅与相位。基于CSI的技术除了用于设备定位以外,还可以用来检测人体行为,但这个技术目前属于院校或科研机构的实验室课题,并没有商用化的产品,在本书最后一章会对人体行为检测技术进行介绍和展望。

2. Wi-Fi组网的产品

2.1.3节介绍了Wi-Fi的组网技术,下面介绍哪些相关产品已经开始在市场上销售和使用。目前看到的有诺基亚家庭Wi-Fi产品、LinkSys、Eero、Google、Netgear和Orbi厂商的路由器等。

不同于其他终端厂家,诺基亚是传统的电信设备商,在2018年第4季度,诺基亚向运营商和零售市场推出了新一代家庭网关产品,即Nokia Wi-Fi ® G3/B3,G3是提供上行光纤接口的家庭网关,而B3是支持上行以太网接口或者Wi-Fi连接的Wi-Fi AP ,如图2-17所示。

该产品支持802.11a/b/g/n和802.11ac双频方案,支持3 × 3 (即具备三路同时发送和接收的天线)的2.4GHz和4×4 (即具备四路同时发送和接收的天线)的5GHz,支持1024 QAM的调制算法。如果用户购买两个或三个B3的套装,在家庭安装的时候B3具备自动组网的功能,组网之后两两之间可以互相通信,这其实就是前面介绍的Mesh网络的含义。组网时既可以使用5GHz作为B3之间的通信主干线,也可以根据需要切换到2.4GHz,无线终端设备根据Wi-Fi信号的强弱,可以通过5GHz或者2.4GHz连到B3上面。在B3内部还内置了专门用于检测干扰的天线,它可以全天候地监测外界信号的干扰,例如,如果家中使用微波炉,微波炉的2.4GHz信号就会对Wi-Fi产生干扰,或者是基于蓝牙技术的键盘产生的2.4GHz的信号干扰等,B3能够检测出这样的非Wi-Fi信号,并根据频谱特征识别出相应的设备类型,然后及时对自己的通信信道进行调整。

对于在家庭中移动的设备,B3的Mesh网络能够支持频段切换(Band Steering)和无缝漫游。频段切换是让终端设备在2.4GHz和5GHz之间进行选择,无缝漫游指的是设备根据信号强弱在不同B3之间进行切换。切换的时间越短,则移动中的用户设备的视频、通话等业务受到的影响就越小。

图2-11 诺基亚的Wi-Fi B3产品

另外从运营商易维护的角度来看,诺基亚在云平台的基础上提供了基于云端的网页(Portal)管理方案,运营商可以通过图形化界面直接检查家庭用户的Wi-Fi使用情况,例如是否有非Wi-Fi的干扰、用户上网的速率、用户家庭中连接的无线终端的种类、用户家庭中各个信道的状况等。

华为作为家庭网络的设备商,提供了子母路由Q2的智能路由器,该产品同样是通过多个AP组成家庭无线网络来提高家庭的无线覆盖范围。华为的产品特点是通过智能路由开放平台为第三方厂家提供了在路由器上运行自身业务的机会。这个开放平台是以华为Hilink协议为核心的互联互通的技术平台,软件是基于Java虚拟机运行环境,开发者可以快速进行业务开发。平台的网络互联协议支持Wi-Fi、BLE、ZigBee等标准,支持其他智能硬件厂家来集成华为的HiLink协议,利用平台提供的智能家居的APP以及HiLink智能家居云开放的接口来实现厂家各自的业务需求。 pmAPqdVVYJ55tS6buyIfMHufD1edW8yT2FdKJ3zcvBemG55oY3HlBMZUhhqZtN5R

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