探討WiFi定位協(xié)議及如何進(jìn)行工作硬件支持

當(dāng)我們?cè)谑彝忾_(kāi)車(chē)或者騎自行車(chē)時(shí)，我們已經(jīng)習(xí)慣使用GPS來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤和導(dǎo)航，但是當(dāng)我們進(jìn)入到一個(gè)較大型的室內(nèi)空間，比如機(jī)場(chǎng)、會(huì)議大廳等，總的來(lái)說(shuō)我們還在使用紙質(zhì)地圖。為了能夠更進(jìn)一步，Wi-Fi聯(lián)盟推出了互操作性認(rèn)證項(xiàng)目使得Wi-Fi支持室內(nèi)定位功能，Wi-Fi認(rèn)證定位功能是基于IEEE 802.11-2016的精細(xì)時(shí)序測(cè)量(Fine Timing Measurement)通訊協(xié)議，為室內(nèi)設(shè)備定位提供米級(jí)別（metre-level）的精確度。該功能支持使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的各種場(chǎng)景，比如室內(nèi)導(dǎo)航、物品追蹤和網(wǎng)絡(luò)管理等。

本篇文章中我們將詳細(xì)探討WiFi定位協(xié)議是如何工作的，并且介紹在Imagination的Ensigma Explorer平臺(tái)上用于定位的硬件支持。

之前WiFi定位所采用的方法

到目前為止，WiFi室內(nèi)定位還主要依賴(lài)于測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度的衰減或匹配接收信號(hào)強(qiáng)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的估計(jì)。

然而信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量可變性非常大，限制了這些方法的精確度。為了獲得更好的精確性，我們需要對(duì)不同位置的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣測(cè)量。這個(gè)過(guò)程非常明顯地耗費(fèi)時(shí)間而且每次設(shè)備變換位置都需要重復(fù)采樣。

WiFi定位是如何工作的

WiFi信號(hào)以已知的速率在空氣中傳播——即光速。因此信號(hào)從一個(gè)熱點(diǎn)（AP）或者基站（STA）發(fā)出到被另一個(gè)AP或者STA接收之間的時(shí)間乘以光速就可以轉(zhuǎn)換為距離，這被稱(chēng)為“飛行時(shí)間測(cè)量”。

“飛行時(shí)間”的測(cè)量方法所面臨的一個(gè)困難就是保證發(fā)射端與接收端設(shè)備的參考時(shí)鐘同步，誤差大約在1ns之內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)“往返時(shí)間”的測(cè)量來(lái)避免。

實(shí)際上“往返時(shí)間”要比單程“飛行時(shí)間”多出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，這樣就使得原始測(cè)量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

? 如果基站（STA）也能夠測(cè)量精確的時(shí)間戳，它就可以確定所花費(fèi)的時(shí)間，并且保證整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)的精度在幾納秒以?xún)?nèi)。
? 如果這個(gè)協(xié)議支持在設(shè)備之間傳遞時(shí)間戳，那么涉及到的四個(gè)時(shí)間戳就可以匯集到一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)處，然后進(jìn)行計(jì)算處理。
? 距離的計(jì)算是根據(jù)四個(gè)時(shí)間戳（兩個(gè)時(shí)間之間的差值），一個(gè)設(shè)備應(yīng)該將時(shí)間戳發(fā)送給另一個(gè)設(shè)備，然后第二個(gè)設(shè)備才能夠進(jìn)行一定的計(jì)算。

新型的WiFi定位協(xié)議：精細(xì)時(shí)序測(cè)量

在這個(gè)新協(xié)議中，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)（AP）會(huì)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，移動(dòng)設(shè)備會(huì)接收這幀數(shù)據(jù)，同時(shí)移動(dòng)設(shè)備會(huì)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)（ACK）響應(yīng)，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)會(huì)接收這個(gè)響應(yīng)（ACK），最后無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)會(huì)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包含這兩個(gè)時(shí)間戳。

Ensigma Explorer硬件平臺(tái)支持精細(xì)時(shí)序測(cè)量協(xié)議

WiFi定位的精度與時(shí)間戳的精度相關(guān)（1ns相當(dāng)于30cm的距離）。因此保證時(shí)間戳的精確就顯得非常重要。Imagination推出的Ensigma Explorer WiFi是一個(gè)非常高性能的互連IP，支持IEEE 802.11ac 2x2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。這款I(lǐng)P能夠提供高精度的時(shí)間戳，對(duì)于保證WiFi定位測(cè)量的精確性至關(guān)重要。

高分辨率的定時(shí)器能夠非常精確的記錄WLAN數(shù)據(jù)包到達(dá)和發(fā)出的時(shí)間。48位的計(jì)數(shù)器也具有較高的分辨率，運(yùn)行頻率在320MHz。計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)可以通過(guò)在軟件里面設(shè)置觸發(fā)寄存器或者通過(guò)硬件配置來(lái)獲取。

總結(jié)

目前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)處不在，人們對(duì)WiFi室內(nèi)定位充滿(mǎn)了期待。來(lái)自MIT的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始使用角度與飛行時(shí)間的結(jié)合來(lái)進(jìn)行測(cè)量，精度保證在10厘米以?xún)?nèi)。Ensigma Explorer硬件平臺(tái)支持高精度定位測(cè)量，并且這個(gè)特性已經(jīng)授權(quán)給我們的一個(gè)主要客戶(hù)，我們預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)這個(gè)領(lǐng)域會(huì)變得非常重要。