基于IBeacon的室內定位技術發展綜述

劉愷 張仕斌

摘 要：隨著基于BLE（Bluetooth Low Energy）4.0協議的低功耗，高精度的新一代藍牙技術的發展，尤其是蘋果公司提出的IBeacon近場通信技術，使得高精度的室內定位技術主鍵成為了室內精準定位領域中的研究熱點。本文當前室內定位進行了總結，指出了基于IBeacon的室內定位技術的兩大方式。其中，一種稱為距離測算定位法，另外一種稱為非距離測算定位法。同時，重點分析了距離測算定位法的技術難點和技術重點。題。

關鍵詞：IBeacon；BLE藍牙技術；指紋算法；噪聲處理；RSSI信號強度；最小二乘法

隨著移動互聯網快速的發展，無論是在室外還是在室內的環境下，準確而迅速的取得移動終端設備的位置信息以及提供相應位置服務的需求變得日益迫切。

目前，室外定位發展相對比較成熟，主要采用的技術是以GPS定位技術為核心的一系列技術，精度較高，定位速度快。

室內定位系統采用的技術按照信號類別分為射頻識別，ZigBee[ 1 ]，超聲波，藍牙等，定而位算法按照是否對距離進行測定分為基于測距和非測距兩類。其中，測距算法主要有TOA（Time of Arrive）[ 3 ]、AOA（Angle ofArrive）、TDOA（Time Difference of Arrive）等方法。而非測距算法主要通過接受到的信號強度RSSI（Received Signal Strength Indicator）[ 2 ]來判定位置。

易部署、低功耗、輕量級、高精度成為室內定位技術領域中的四大核心問題。室內定位技術主要是通過智能設備上的傳感器以及傳感器的無線發射器所搭建的位置網絡，計算獲取用戶實時坐標的實現。

隨著近場通信技術逐漸邁向成熟，基于藍牙.4.0低功耗的室內定位技術己經開始逐漸進入人們的日常生活中，尤其是蘋果公司提出的iBeacon[8]近場通信技術?；贐LE（Bluetooth Low Energy）4.0協議的高精度室內定位技術逐漸成為室內定位領域中研究的新熱點。

自從BLE4.0協議推出之后，低功耗以及50米覆蓋范圍將藍牙應用推向新一輪高潮，其中最主要的就是基于iBeacon技術的低功耗、高精度、易部署、輕量級的室內定位技術研究。

一、室內定位技術研究基礎

（一）基于指紋的定位算法

基于指紋的定位算法主要分為確定型算法和概率型算法兩類。主要方式就是首先針對定位環境進行格子化采樣，然后進行數據處理后建立此環境下的指紋庫，實時定位階段，便可以采用確定型或者概率型算法進行樣本匹配便可以得到坐標。這兩類型算法都把定位過程分為離線采樣階段和在線定位階段。

在離線采樣階段，系統通過對特定樣本數據的采集、分析、處理，訓練所需的模型，確定相關的參數和配置，為后續階段提供數據基礎。

在在線定位階段，系統通過對特定信號特征進行觀測，并采用特定的方法，使用離線采樣階段生成的模型進行匹配計算，從而提供位置估計。

常見的方法包括：基于傳播模型、基于貝葉斯概率模型、基于粒子濾波框架、基于神經網絡等等。其中，對于不同的信號特征，研究其分布特征，并以其分布特性為基礎，構建相關的模型也是常見的研究方法。如無線定位方法中，對于無線信號強度分布的擬合問題即可使用高斯分布、混合高斯分布來完成，而其他的諸如KNN技術、核方法、指紋排序方法，都極大的豐富了定位理論，提供了很多可能性。

（二）基于測距的定位算法

基于測距的定位算法，主要是根據近場射頻所發射的RSSI建立距離轉化模型。在實時定位的過程中，可以根據實時RSSI得到實時距離，然后根據實時距離采用相應的定位算法獲得實時坐標。

常用的RSSI定位方法包括基于距離（range-based）的定位算法和距離無關（range-free）的定位算法，本文討論基于RSSI的測距定位算法。在采用RSSI進行測距定位的方法中，通常是利用相關的模型建立RSSI和距離之間的關系曲線，得到RSSI和距離之間的函數關系式，或者是采用一定的方法建立RSSI和距離之間的映射關系數據庫，在實際測距階段再將測得的RS SI值代入相應的關系式或映射關系數據庫得到其對應的距離，然后利用多個距離值或者距離值之間的角度和大小差異計算移動或靜止目標的位置。

二、基于IBeacon的室內定位技術

在基于IBeacon的RSSI模型定位算法中，將定位過程分為三個階段：

第一個階段就是IBeacon的RSSI模型指紋庫形成階段，目的在于訓練出經過處理后的精確指紋庫；

第二個階段則是對實時信號的處理、優化過程，即通過過濾得到可靠的實時距離值；

第三個階段是最終定位過程，即通過相應算法模型來獲取坐標值。

（一）IBeacon信號源節點的RSSI模型指紋庫

RSSI是接收信號強度，隨著距離的增加，RSSI值將會對應發生改變，通常在信號通過濾波器后才采集這個值。在計算RSSI損耗過程中，利用RSSI的發射強度和接收強度，這樣便可以獲得理論上信號在傳播過程中的損耗，通常這是針對自由空間來討論。常用的理論信號傳播模型主要有：兩徑模型[ 4 ]、對數距離路徑損耗模型[ 5 ]、自由空間傳播模型[ 6 ]、對數常態分布模型[ 7 ]。其中，自由空間傳播模型是建立在無干擾和障礙的假設下測量取得；兩徑模型（Two-Ray ground）則是包含了地面發射波，接收的信號是由直接接收加上地面反射兩部分組成；對數常態分布是經過分析以及經驗而總結出來的一種模型，更加適用于實際傳播路徑損耗上。

傳播路徑損耗模型選擇非常重要，因為對于室內環境來說傳播過程中傳播的路徑損耗非常大。室內環境中的傳播損耗預測很復雜，主要研究方向則是需要針對特定場景的實現模擬環境，然后針對于模擬環境根據輸入輸出來建立一個傳播預測模型。在實際問題可以采用BP（Back Propagation）神經網絡作為訓練模型。

近幾年的論文課題中大多數采用的是基于對數傳播模型的經驗公式。所謂的經驗公式是指在實驗室環境下將信號發射器與接收器分別放置在不同的距離與位置下，然后分別記錄相應的信號強度與距離數值，然后經過大量實驗大量環境下測試而擬合出來一種距離與信號強度的函數關系。

（二）實時信號強度RSSI的處理及優化

IBeacon的 RSSI值在某一個點服從高斯分布，大小不穩定，統計分析其最大波動值可達12個單位，這給基于RSSI在實時定位系統的高精度實現增加了較大困難。為了降低實時信號的隨機波動性，對實時接收到的信號通常進行加權滑動窗口的平滑處理和高斯擬合處理，消除RSSI極端跳動。這些極端跳動往往是因為房間內突然的環境變化所導致，例如室內溫度差異大、室內大量人員活動導致，對于這種跳變較大的RSSI信號通常采用卡爾曼濾波器來進一步對實時信號做處理，改良實時信號。

基于加權滑動窗口的平滑處理機制有以下幾個優點：

1）計算簡單，窗口大小靈活控制，能滿足實時性要求。許多研究中使用高斯濾波等來處理實時信號，需要一定量的累積數據，在目標實時移動的情況下，難以滿足實時性要求，或者由于過多考慮了歷史信息造成定位誤差；

2）通過控制滑動窗口中各個權值，既使用了歷史信息來預測，防止產生較大波動，又能較好的反映當前值。

（三）基于最小二乘的線性求解

在最終定位過程中，本文介紹一種比較有效的算法模型，最小二乘法[ 6 ]，又稱最小平方法，是一種常用的數學優化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。在實際環境中，IBeacon信號傳輸范圍在超過一定距離后，衰減速度將會越來越快，對模型的擬合程度會逐漸下降，此時，對信號強度計算的微小偏差會造成距離上較大的誤差。因此，為了提高測距性能的準確性和魯棒性，減小信號隨機性帶來的誤差，最好對RSSI傳播曲線進行分段擬合。

三、結語

基于低功耗藍牙的定位技術會變得越來越重要，尤其是對零售領域的應用。該技術需要布局IBeacon網絡，每個IBeacon創建一個信號區域，定位精度可以做到區域定位，也可以通過RSSI與距離的關系公式計算出設備與IBeacon之間的距離，另外還可以利用加權滑動窗口、最小二乘法等增加定位精度。多個IBeacon，并且拓撲合理，能達到比較好的室內定位效果?，F在的局限是需要布局專用的IBeacon設施，其覆蓋范圍不廣，并且很多移動用戶不經常開啟藍牙設備。但是，隨著IBeacon技術以及定位技術的發展，室內定位的應用范圍也會越來越廣。

參考文獻：

[1] Zigbee： "Wireless Control That Simply Works".

[2] Junjun Xu，Haiyong Luo，Fang Zhao，Rui Tao， Miming Lin."Dynamic indoor localization techniques based on Rssi in environment，" Pervasive and Applications（ICPCA），2011 6th International Conference.

[3] 趙方，羅海勇，馬嚴，徐俊俊.基于公共信標集的高精度射頻指紋定位算法.計算機研究與發展，ISSN 1000-1239/CN 11-1777/TP，2012， 49（2）：243-252.

[4] 倪巍，王宗欣.基于接收信號強度測量的室內定位算法[J].復旦學報（自然科學版）.Vol.43 No.1 Feb.2014.