8 专题分会导航与位置服务wifi室内感知定位

1、主题：11. 位置导航与信息服务 WiFi 室内感知定位范庆亚 ，齐华，唐诚 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都，611756，摘要： 当前，室内定位研究多为主动定位，需要用户参与，不能应对用户定位不方便的场景，如老人、小孩、盲人等弱势群体的定位与追踪，发生火灾和地震等自然灾害后 的搜救。本文提出了一种基于 WiFi 网络的感知定位方法，可在用户不参与的情况下，确定用户在室内的位置。本文研究通过监控支持 802.11 协议的无线网卡之间发送的通 信帧，解析得到通信双方的 MAC 地址、信号强度等信息，解算室内行人位置。通过本文实验，验证了方法的可行性。

2、关键词： 室内定位；感知定位；WiFi 定位；智能手机定位1 绪 论1.1 研究背景 随着经济的发展，地铁站、火车站、大型超市和室内停车场等室内场所面积越来越大，且室内环境布局复杂，容易使人迷路，老人、小孩或者盲人进出这些场所，非常容 易走失。在室内场所一旦发生地震、火灾等灾害，救援人员往往很难及时确定被困人员 的位置，对救援造成诸多不便。1.2 WiFi 感知定位 感知定位通过基站来探测覆盖范围内的人或设备，无需被探测者参与即可完成定位。 WiFi 室内感知定位是通过室内 WiFi 网络实现的感知定位，用户携带可连接 WiFi 网络的设备，处于 WiFi 网络覆盖范围内，即可“被定位”。这种

3、定位技术对于无法主动完成 定位的场景非常适用，如追踪老人和小孩，帮助盲人进行导航；当发生火灾或，救 援人员可以方便的找到被困人员所在位置，及时实施救援。本文通过探索 WiFi 网络中设备之间的通信原理及过程，探索 WiFi 感知定位的原理及其具体实现方案。2 感知与定位原理2.1 WiFi 网络中设备间通信过程与感知原理 WiFi 网络中设备之间的通信过程，实际上是支持 802.11 协议的无线网卡之间的通信 过程，支持 802.11 协议的无线网卡运行的模式可以分为七种 1。处于 Mana ged 模式的无线网卡会以一定间隔向周围发送“请求帧”（Probe Request Frame） 2，

4、 利用处于 Monitor 模式的无线网卡其覆盖范围内的“请求帧”，解析得到通信双方的无线网卡 MAC 地址，即可感知周围移动设备。结合网络信号的覆盖范围，我们便可以大概得到 所有覆盖范围内设备的位置范围，但范围精度较低，需进一步定位。2.2 WiFi 网络中设备间通信附加信息与位置计算 遵循 802. 11 协议的无线网卡在通信过程中，包含 radiotap 附加信息，radiotap 是 802.11帧注入实际的标准 3，包含 WiFi 信号强度，结合 WiFi 信号传播模型，即可计算出路由器与设备之间的相对距离，获取同一设备相对三个路由器的距离，利用“三边定位”算法，最终得到设备相对于三

5、个路由器的位置。3 实验设计与结果分析 3.1 实验设计 小米路由器可定制性较好，因此实验选择小米 mini 型路由器。小米 mini 型路由器帧附加头信息结构见图 1，图为网络流量分析软件 Wireshark 5的分析结果。将路由器 刷机，基于 Linux 开发感知程序，并将路由器合理布局，保证在实验区域的任何一点设 备都能被三个路由器感知到，以便利用“三边定位”进行解算。图 1 小米 mini 型路由器 Radiotap Header3.2 实验结果与分析 实验接收到的数据结果见表 1。将得到的数据带入合适的 WiFi 传播模型，得到距离， 综合三个路由器监测到的同一个设备的数据，利用“三

6、边定位”即可算出设备相对于路 由器的位置 7。表 1 收集到的数据src_macsignaldst_macfrequencytimestamp168:3e:34:5f:6e:1d45ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-1119:45:16238:bc:1a:ca:2f:8649ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-1119:45:28368:3e:34:1d:78:9247ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-1119:45:37468:3e:34:5f:6e:1d46ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-111

7、9:45:46538:bc:1a:ca:2f:8652ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-1119:45:58668:3e:34:1d:78:9246ff:ff:ff:ff:ff:ff51802016-07-1119:46:044结论本文研究结果证明，利用 WiFi 信号完成室内感知定位是可行的，处于 Managed 模式的无线网卡设备（智能手机、平板等设备），只要处于激活状态，无论是否连接到 WiFi网络，会每隔一段时间发送“请求帧”，时间间隔单位是“目标信标传输时间（TBTT -Target Beacon Transmission Time）”，符号 TU，等于 10

8、24 微秒，发送“请求帧”的时间间隔是 100TU，也就是 102.4 毫秒2，不同的设备会有所不同。因此，利用本文的方法， 可以连续获取设备的实时位置。参考文献： 1 Network Monitor Operation Mode . Windows Driver Kit: Network Devices andProtocols. Microsoft. Retrieved 2007-11-30.2 IEEE Std 802. 11-2012(Revision of IEEE Std 802. 11-2007)S. IEEE 3 Park Avenue，New York，NY 10016-59

9、97，29 March 2012.3 R. RadiotapEB/OL. 2016-07-22. /.4VipinM, SrikanthS.AnalysisofopensourcedriversforIEEE802. 11WLANsC/Wireless Communication and Sensor Computing, 2010. ICWCSC 2010.International Conference on. IEEE, 2010: 1-5.5 WEB/OL. 2016-07-22. /.6 T.LibpcapEB/OL.2016-07-22./manpages/pcap.3pcap.html.7 Murphy W, Hereman W. Determination of a position in three dimensions usingtril