1.1 定位技術概述

自人類誕生之初，物體的定位就一直是人類所關注的問題。定位在人類文明的早期就已經開始了，促使人們創造了不同的定位機制，如通過太陽、月球、恒星、磁場、無線電信號等進行定位。物體的位置和參考時間是工程或科學檢測中的兩個重要變量，從智能系統中提取的大部分數據都與物體或事件的位置和時間相關。在古代，人們根據磁場來進行定位，如指南針。隨著工業革命的開始，人們開始利用原子鐘來精確地測量時間，后來出現了全球定位系統，定位技術的精度可以達到米級。目前，在醫學領域用于腫瘤檢測的無設備定位（Device-Free Localization, DFL）技術，其精度可以達到毫米級。

智能世界通常可以分為物理世界、社會世界、網絡世界和思維世界，基于位置的服務（Location Based Services, LBS）在智能世界中得到了廣泛的應用，如圖1-1所示。

物理世界是人與物（對象）及其相遇和交互的環境混合體，物理世界的一個關鍵需求是收集人和物（對象）的位置信息。在社會世界中，分析社會行為和可識別實體之間的關系，如流行病的傳播等，也需要位置信息。定位在網絡世界中同樣是重要的應用，如特定位置的Web搜索。在思維世界中的應用，如情感計算，同樣需要位置信息。因此，在缺乏位置信息的情況下，是無法設計和實現基于位置的服務的。

基于位置的服務是指圍繞智能世界的位置信息來展開的服務，定位技術是用于確定智能世界設施位置的關鍵技術。智能世界的發展離不開WSN的應用，使用WSN中的傳感器對物體進行標識后，可得到物體位置信息。定位技術通常可分為主動定位技術和被動定位技術。主動定位技術是使用標簽或附加設備來檢測和跟蹤物體的，是一種被廣泛采用的定位技術。被動定位技術不使用標簽或附加設備，也稱為無設備定位技術、無源定位技術或無傳感器定位（Sensor-Less Localization）技術。無設備定位技術非常適合智能世界的定位應用場合，在智能世界生態系統中有廣泛的應用場景。

定位的內在需求驅動了各種定位技術的研究。由于無線電信號（如WiFi、移動通信系統等的信號）無處不在，因此無線定位技術得到了快速的發展。基于位置的服務的出現導致了對無處不在的定位需求不斷增長。近年來，WSN得到了廣泛的應用，網絡中的設備定位受到了越來越多的關注。最常見的應用場景是入侵檢測，特別是安全領域或智慧城市的主動在線交通監控、特定地理區域的人類活動定位、醫療監控、遙測系統等。無設備定位技術的研究正在穩步發展。

無設備定位技術是利用無線電信號的特性（如吸收、散射、衍射、反射、折射等）來對物體進行定位的。由于被定位物體的物理和幾何特性會導致無線電信號的變化，因此可以根據無線電信號的變化來對物體進行精準的定位。在智能家居或智能建筑中，無設備定位技術是居住者儀態檢測類應用（如身份檢測、手勢檢測或生活實體中的活動檢測）中的關鍵技術。

隨著全球衛星導航系統（GNSS）的普及應用，如美國的全球定位系統（Global Positioning System, GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）衛星導航系統、歐洲的伽利略（GALILEO）衛星導航系統和我國的北斗（Beidou）衛星導航系統^[2]，定位技術得到了巨大的發展。雖然GNSS取得了巨大的成功，但仍然受到非視距、多徑傳輸、信號阻塞、有意或無意干擾等因素的影響，導致GNSS無法在室內環境中進行精確的定位。

隨著物聯網技術的發展，低功耗、低成本的可穿戴設備不斷涌現^[3]，這些設備能夠與物聯網進行通信。在物聯網應用中，不僅需要獲取傳感器采集的數據，還需要獲取傳感器的位置信息。如果集中式服務器不知道傳感器的位置信息，那么這些傳感器采集的數據就會變得無關緊要，就會浪費有限的資源。例如，在智能建筑中，為了提高人們的工作效率和改善人們的居住體驗，必須獲取室內環境中所有設備的位置信息，這就需要室內定位系統。

室內定位是指在室內環境中獲取設備或用戶位置信息的過程。GNSS作為一種被廣泛使用的定位技術，由于視距的影響，只適合用于室外定位，無法在室內環境中使用^[4,5]。在室內環境中，由于環境的限制，一般需要定位系統的精度小于1m，因此需要使用其他方法來進行定位。

室內定位系統在很多領域內都得到了廣泛的應用，不僅可增強安全性，還能提高工作效率。例如，在醫院中，醫生可以通過室內定位系統來精確地定位患者在建筑物內的位置；又如，在緊急情況下，通過室內定位系統可以快速引導人群進行疏散。

在過去的幾十年里，室內定位系統主要用于工業領域，利用WSN和機器人來進行定位。最近幾年，智能設備（如智能手機）的大規模普及，使室內定位系統得到了廣泛的應用。具備無線通信功能的智能設備可對物體進行定位和跟蹤，相關的應用程序和服務應運而生，在衛生、工業、災害管理、建筑管理、監控等多個領域得到了廣泛應用。另外，室內定位系統促進了物聯網、智慧城市、智能建筑、智能電網、機器通信等的發展和應用。

物聯網（Internet of Things, IoT）融合了眾多異構技術和通信標準，旨在為眾多設備提供端到端的連接。長距離通信技術的目標是提高覆蓋率和降低功耗，無法滿足不同應用所需的通信速率。這也是很多物聯網設備（取決于底層應用程序）通常都設置了短距離通信接口和長距離通信接口的原因。

在室內環境中，通過短距離通信技術可以比較精確地確定物聯網設備相對于某些錨節點（Anchor Node, AN）的位置，但無法獲取物聯網設備的全球位置信息（即經/緯度），除非知道錨節點的全球位置信息。遠距離通信技術可以獲取物聯網設備的全球位置信息（這些設備的接入點的確切位置通常是已知的），但定位精度比較低。為了滿足物聯網中多樣化的定位需求，需要研究如何綜合利用短距離通信技術和長距離通信技術來進行定位。

在物聯網中，大多數設備的體積都比較小，它們的硬件資源（如存儲空間、處理能力和通信功能）往往受限，因此定位算法必須考慮硬件資源受限的情況。此外，在物聯網中還需要能夠動態地增加或減少待定位目標的數量。

室內環境中通常存在眾多的障礙物（如家具、墻壁和人等），這些障礙物通常會反射信號，產生多徑效應；在室內環境中，會大量使用WiFi和低功耗藍牙（BLE）等電子設備，會產生噪聲，影響定位系統的性能^[6-8]。

室內定位系統通常會使用多種無線通信技術，最常用的有WiFi、藍牙、射頻識別（RFID）、超寬帶（UWB）等，使用不同無線通信技術的室內定位系統有各自的優缺點。例如，現在的建筑物內通常可以很容易找到可用的WiFi接入點，因此采用WiFi進行室內定位是最方便的選擇，額外的硬件成本很低。但建筑物內的WiFi接入點通常是為了最大化信號覆蓋范圍，而不是為了定位。另外，WiFi還會消耗大量的能量，如果用于跟蹤就會很快耗盡設備的能量，這對于大多數定位系統來說都是不可接受的。隨著BLE錨節點的出現，在室內環境中放置低成本的BLE錨節點比重新布置現有的硬件更加可行，但主要缺點是一旦電池耗盡，BLE錨節點將不再工作。

在智慧城市中，室內定位系統非常重要，從智能建筑的監控和跟蹤，到購物中心的短距離營銷和廣告，其應用非常多。這些應用的基礎是性價比高、具有健壯性的高精度實時定位系統。室內定位系統引起了越來越多的關注，利用無處不在的物聯網可以提供廣泛的室內定位服務，改善用戶體驗。

以ZigBee為代表的WSN最初主要應用于軍事領域。隨著技術的發展，傳感器的成本越來越低、功能越來越強大，使得WSN進入了民用領域^[9]。通常，傳感器隨機部署在一定的區域，負責檢測和數據收集工作，其通信是通過集成在傳感器中的射頻設備來實現的。當傳感器部署在敵對區域時，會面臨著各種類型的竊聽、攻擊和物理俘獲，安全問題變得極為重要。如果未對敏感數據加密，則攻擊者可以比較輕易地竊取到傳輸的數據、偽裝成WSN中的節點、惡意提供錯誤的數據或偽造網關，從而阻止或誤導數據的傳輸。如果沒有足夠的保護措施，如保護機密性、私有性、完整性等的措施，以及防御DDOS和其他攻擊的措施，則WSN就不能得到廣泛的應用，只能用于有限的、受控的環境中，會嚴重影響其應用前景。

由于WSN通常部署在危險的環境或不可到達的環境中，以及傳感器節點的電池不可更換等限制，因而，如何提高WSN的能量效率，以便延長網絡的生命周期是WSN研究的一個重要領域。