【博士论文】面向大规模部署的室内定位关键技术研究

来自上海交通大学的佟鑫宇博士论文，入选2022年度“CCF优秀博士学位论文奖”初评名单！

https://www.ccf.org.cn/Focus/2022-12-08/781244.shtml

定位技术能够为生产生活等提供位置信息及相关服务。按照应用场景划分，定 位技术主要分为室外定位及室内定位。相比于室外定位技术的蓬勃发展，室内定 位技术虽具备广泛的应用前景，然而却远未普及。室内定位技术所存在的普及程 度与应用需求之间的供需矛盾体现在部署、精度、效率三个方面。在部署方面，现 有的定位方法部署条件苛刻，往往需要专有设备的使用及繁琐的人工现场勘测环 节；在精度方面，现有的采用信道状态信息的角度定位方法虽然实现了更高的定 位精度，但也需求更高的部署成本；在效率方面，随着被定位目标数量的增加，精 准的定位过程将不可避免地导致信道资源的竞争和更高的设备能耗。本文针对室 内定位系统大规模应用所面临的部署、精度、效率三方面关键技术挑战，以可定 位、精度高、效能强为目标研究开发了以下系统：

基于无线信号的细粒度室内地图构造系统。本系统面向室内定位导航场景，以 可定位为目标，通过对比室内外定位技术总结得出：室内地图相比于室外地图数 目更多、样式更广、变化更快。本系统基于此揭示了室内定位技术难以普及的根 源，即室内平面图与无线信号映射关系难以建立的问题。为了解决以上挑战，本 系统提出了一种基于群智采集无线信号的室内平面图构造方案。本系统的贡献如 下：系统在房间识别精度上达到 82.5%，优于现有方法 6.5%，并首次实现了具有 门、墙、障碍物等信息的细粒度地图构造。系统的实现有助于大幅度降低室内定 位部署的人力成本，提升被定位用户的体验。

自标定信道状态信息（CSI）定位系统。本系统面向相对位置感知场景，以精 度高为目标，通过对比两种无线室内定位技术方案总结得出：尽管 CSI 定位技术 （约 0.5 米）提供了近 10 倍优于传统接收信号强度指示（RSSI）定位技术（约 2-5 米）的定位精度，但是 CSI 定位技术部署所需的人力成本更为繁琐。额外的人力 标定成本体现在：CSI 定位系统采用天线阵列评估目标到达角度（AoA）进而实现 定位，相比于 RSSI 中基于距离定位的方法，除无线接入点（AP）的位置外，天线 阵列方向同样需要被人工记录与标定。本系统的贡献如下：相比于现有难以兼顾 部署成本与精度的 CSI 定位技术，本技术旨在提出一种基于非线性天线布局的免 人工标定位置感知方法，系统能够在无需人工现场勘测的情况下实现与现有系统。

相似的 AoA 测量精度（12.5 ◦ vs 10◦），且 80% 的定位误差在 0.45 米以内。从而在 降低部署所需人力成本的同时兼顾了 CSI 定位的高精度特性。 大规模超低功耗定位系统。本系统面向大规模定位场景，以效能强为目标，针 对于现有物联网设备数目激增及设备小型化趋势所引发的高并发、低功耗需求提 出一种高效率定位的解决方案。OFDMA 意为正交频分多址，是一种即将应用于 Wi-Fi 802.11ax 协议中的关键技术，根本特性在于将正交的频谱资源分配给多设 备，实现并发接入；反向散射（Backscatter）技术旨在去除无线通信中高能耗的射 频发射单元，使得设备能够对空间中已有的电磁波进行调制频移，以实现低功耗 的通信以及定位信息（CSI）的采集。本系统的贡献如下：将 OFDMA 及反向散射 技术同时应用于定位系统，对比于现有 Wi-Fi 定位技术，本系统能够以微瓦级能 耗提升 50 倍的有效并发定位性能。

综上所述，室内定位技术在推动生产力发展、提升生活水平方面有着重要的 意义。而室内定位中存在的部署、精度、效率问题制约了技术的普及，本文以可定 位、精度高、效能强为目标，减轻室内定位技术的部署成本、降低定位过程中的 能量消耗、增强系统的并发定位能力、提升系统的定位精度。本文中所述的系统 已被实际部署在真实的环境中，定位系统的实现有助于实现人、物间的交互，在 未来将衍生出无线感知、人机交互等新的智能化应用，从而进一步地推动物联网 技术的发展。