探討WiFi定位協(xié)議及如何進行工作硬件支持

當我們在室外開車或者騎自行車時，我們已經(jīng)習慣使用GPS來實現(xiàn)跟蹤和導航，但是當我們進入到一個較大型的室內(nèi)空間，比如機場、會議大廳等，總的來說我們還在使用紙質(zhì)地圖。為了能夠更進一步，Wi-Fi聯(lián)盟推出了互操作性認證項目使得Wi-Fi支持室內(nèi)定位功能，Wi-Fi認證定位功能是基于IEEE 802.11-2016的精細時序測量(Fine Timing Measurement)通訊協(xié)議，為室內(nèi)設(shè)備定位提供米級別（metre-level）的精確度。該功能支持使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的各種場景，比如室內(nèi)導航、物品追蹤和網(wǎng)絡(luò)管理等。

本篇文章中我們將詳細探討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)定位還主要依賴于測量信號強度，通過測量信號強度的衰減或匹配接收信號強度的方式來實現(xiàn)對距離的估計。

然而信號強度的測量可變性非常大，限制了這些方法的精確度。為了獲得更好的精確性，我們需要對不同位置的信號強度進行采樣測量。這個過程非常明顯地耗費時間而且每次設(shè)備變換位置都需要重復采樣。

WiFi定位是如何工作的

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

“飛行時間”的測量方法所面臨的一個困難就是保證發(fā)射端與接收端設(shè)備的參考時鐘同步，誤差大約在1ns之內(nèi)。這個問題通?？梢酝ㄟ^對“往返時間”的測量來避免。

實際上“往返時間”要比單程“飛行時間”多出幾個數(shù)量級，而且會隨著時間的推移而變化，這樣就使得原始測量的數(shù)據(jù)不準確。

? 如果基站（STA）也能夠測量精確的時間戳，它就可以確定所花費的時間，并且保證整個架構(gòu)設(shè)計的精度在幾納秒以內(nèi)。
? 如果這個協(xié)議支持在設(shè)備之間傳遞時間戳，那么涉及到的四個時間戳就可以匯集到一個設(shè)備節(jié)點處，然后進行計算處理。
? 距離的計算是根據(jù)四個時間戳（兩個時間之間的差值），一個設(shè)備應該將時間戳發(fā)送給另一個設(shè)備，然后第二個設(shè)備才能夠進行一定的計算。

新型的WiFi定位協(xié)議：精細時序測量

在這個新協(xié)議中，無線接入點（AP）會發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，移動設(shè)備會接收這幀數(shù)據(jù)，同時移動設(shè)備會回復一個確認（ACK）響應，無線接入點會接收這個響應（ACK），最后無線接入點會發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包含這兩個時間戳。

Ensigma Explorer硬件平臺支持精細時序測量協(xié)議

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

高分辨率的定時器能夠非常精確的記錄WLAN數(shù)據(jù)包到達和發(fā)出的時間。48位的計數(shù)器也具有較高的分辨率，運行頻率在320MHz。計數(shù)器數(shù)據(jù)可以通過在軟件里面設(shè)置觸發(fā)寄存器或者通過硬件配置來獲取。

總結(jié)

目前無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無處不在，人們對WiFi室內(nèi)定位充滿了期待。來自MIT的研究團隊已經(jīng)開始使用角度與飛行時間的結(jié)合來進行測量，精度保證在10厘米以內(nèi)。Ensigma Explorer硬件平臺支持高精度定位測量，并且這個特性已經(jīng)授權(quán)給我們的一個主要客戶，我們預計在不久的將來這個領(lǐng)域會變得非常重要。