1.1 定位技术概述

自人类诞生之初，物体的定位就一直是人类所关注的问题。定位在人类文明的早期就已经开始了，促使人们创造了不同的定位机制，如通过太阳、月球、恒星、磁场、无线电信号等进行定位。物体的位置和参考时间是工程或科学检测中的两个重要变量，从智能系统中提取的大部分数据都与物体或事件的位置和时间相关。在古代，人们根据磁场来进行定位，如指南针。随着工业革命的开始，人们开始利用原子钟来精确地测量时间，后来出现了全球定位系统，定位技术的精度可以达到米级。目前，在医学领域用于肿瘤检测的无设备定位（Device-Free Localization, DFL）技术，其精度可以达到毫米级。

智能世界通常可以分为物理世界、社会世界、网络世界和思维世界，基于位置的服务（Location Based Services, LBS）在智能世界中得到了广泛的应用，如图1-1所示。

物理世界是人与物（对象）及其相遇和交互的环境混合体，物理世界的一个关键需求是收集人和物（对象）的位置信息。在社会世界中，分析社会行为和可识别实体之间的关系，如流行病的传播等，也需要位置信息。定位在网络世界中同样是重要的应用，如特定位置的Web搜索。在思维世界中的应用，如情感计算，同样需要位置信息。因此，在缺乏位置信息的情况下，是无法设计和实现基于位置的服务的。

基于位置的服务是指围绕智能世界的位置信息来展开的服务，定位技术是用于确定智能世界设施位置的关键技术。智能世界的发展离不开WSN的应用，使用WSN中的传感器对物体进行标识后，可得到物体位置信息。定位技术通常可分为主动定位技术和被动定位技术。主动定位技术是使用标签或附加设备来检测和跟踪物体的，是一种被广泛采用的定位技术。被动定位技术不使用标签或附加设备，也称为无设备定位技术、无源定位技术或无传感器定位（Sensor-Less Localization）技术。无设备定位技术非常适合智能世界的定位应用场合，在智能世界生态系统中有广泛的应用场景。

图1-1 基于位置的服务在智能世界中的应用

定位的内在需求驱动了各种定位技术的研究。由于无线电信号（如WiFi、移动通信系统等的信号）无处不在，因此无线定位技术得到了快速的发展。基于位置的服务的出现导致了对无处不在的定位需求不断增长。近年来，WSN得到了广泛的应用，网络中的设备定位受到了越来越多的关注。最常见的应用场景是入侵检测，特别是安全领域或智慧城市的主动在线交通监控、特定地理区域的人类活动定位、医疗监控、遥测系统等。无设备定位技术的研究正在稳步发展。

无设备定位技术是利用无线电信号的特性（如吸收、散射、衍射、反射、折射等）来对物体进行定位的。由于被定位物体的物理和几何特性会导致无线电信号的变化，因此可以根据无线电信号的变化来对物体进行精准的定位。在智能家居或智能建筑中，无设备定位技术是居住者仪态检测类应用（如身份检测、手势检测或生活实体中的活动检测）中的关键技术。

随着全球卫星导航系统（GNSS）的普及应用，如美国的全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星导航系统、欧洲的伽利略（GALILEO）卫星导航系统和我国的北斗（Beidou）卫星导航系统^[2]，定位技术得到了巨大的发展。虽然GNSS取得了巨大的成功，但仍然受到非视距、多径传输、信号阻塞、有意或无意干扰等因素的影响，导致GNSS无法在室内环境中进行精确的定位。

随着物联网技术的发展，低功耗、低成本的可穿戴设备不断涌现^[3]，这些设备能够与物联网进行通信。在物联网应用中，不仅需要获取传感器采集的数据，还需要获取传感器的位置信息。如果集中式服务器不知道传感器的位置信息，那么这些传感器采集的数据就会变得无关紧要，就会浪费有限的资源。例如，在智能建筑中，为了提高人们的工作效率和改善人们的居住体验，必须获取室内环境中所有设备的位置信息，这就需要室内定位系统。

室内定位是指在室内环境中获取设备或用户位置信息的过程。GNSS作为一种被广泛使用的定位技术，由于视距的影响，只适合用于室外定位，无法在室内环境中使用^[4,5]。在室内环境中，由于环境的限制，一般需要定位系统的精度小于1m，因此需要使用其他方法来进行定位。

室内定位系统在很多领域内都得到了广泛的应用，不仅可增强安全性，还能提高工作效率。例如，在医院中，医生可以通过室内定位系统来精确地定位患者在建筑物内的位置；又如，在紧急情况下，通过室内定位系统可以快速引导人群进行疏散。

在过去的几十年里，室内定位系统主要用于工业领域，利用WSN和机器人来进行定位。最近几年，智能设备（如智能手机）的大规模普及，使室内定位系统得到了广泛的应用。具备无线通信功能的智能设备可对物体进行定位和跟踪，相关的应用程序和服务应运而生，在卫生、工业、灾害管理、建筑管理、监控等多个领域得到了广泛应用。另外，室内定位系统促进了物联网、智慧城市、智能建筑、智能电网、机器通信等的发展和应用。

物联网（Internet of Things, IoT）融合了众多异构技术和通信标准，旨在为众多设备提供端到端的连接。长距离通信技术的目标是提高覆盖率和降低功耗，无法满足不同应用所需的通信速率。这也是很多物联网设备（取决于底层应用程序）通常都设置了短距离通信接口和长距离通信接口的原因。

在室内环境中，通过短距离通信技术可以比较精确地确定物联网设备相对于某些锚节点（Anchor Node, AN）的位置，但无法获取物联网设备的全球位置信息（即经/纬度），除非知道锚节点的全球位置信息。远距离通信技术可以获取物联网设备的全球位置信息（这些设备的接入点的确切位置通常是已知的），但定位精度比较低。为了满足物联网中多样化的定位需求，需要研究如何综合利用短距离通信技术和长距离通信技术来进行定位。

在物联网中，大多数设备的体积都比较小，它们的硬件资源（如存储空间、处理能力和通信功能）往往受限，因此定位算法必须考虑硬件资源受限的情况。此外，在物联网中还需要能够动态地增加或减少待定位目标的数量。

室内环境中通常存在众多的障碍物（如家具、墙壁和人等），这些障碍物通常会反射信号，产生多径效应；在室内环境中，会大量使用WiFi和低功耗蓝牙（BLE）等电子设备，会产生噪声，影响定位系统的性能^[6-8]。

室内定位系统通常会使用多种无线通信技术，最常用的有WiFi、蓝牙、射频识别（RFID）、超宽带（UWB）等，使用不同无线通信技术的室内定位系统有各自的优缺点。例如，现在的建筑物内通常可以很容易找到可用的WiFi接入点，因此采用WiFi进行室内定位是最方便的选择，额外的硬件成本很低。但建筑物内的WiFi接入点通常是为了最大化信号覆盖范围，而不是为了定位。另外，WiFi还会消耗大量的能量，如果用于跟踪就会很快耗尽设备的能量，这对于大多数定位系统来说都是不可接受的。随着BLE锚节点的出现，在室内环境中放置低成本的BLE锚节点比重新布置现有的硬件更加可行，但主要缺点是一旦电池耗尽，BLE锚节点将不再工作。

在智慧城市中，室内定位系统非常重要，从智能建筑的监控和跟踪，到购物中心的短距离营销和广告，其应用非常多。这些应用的基础是性价比高、具有健壮性的高精度实时定位系统。室内定位系统引起了越来越多的关注，利用无处不在的物联网可以提供广泛的室内定位服务，改善用户体验。

以ZigBee为代表的WSN最初主要应用于军事领域。随着技术的发展，传感器的成本越来越低、功能越来越强大，使得WSN进入了民用领域^[9]。通常，传感器随机部署在一定的区域，负责检测和数据收集工作，其通信是通过集成在传感器中的射频设备来实现的。当传感器部署在敌对区域时，会面临着各种类型的窃听、攻击和物理俘获，安全问题变得极为重要。如果未对敏感数据加密，则攻击者可以比较轻易地窃取到传输的数据、伪装成WSN中的节点、恶意提供错误的数据或伪造网关，从而阻止或误导数据的传输。如果没有足够的保护措施，如保护机密性、私有性、完整性等的措施，以及防御DDOS和其他攻击的措施，则WSN就不能得到广泛的应用，只能用于有限的、受控的环境中，会严重影响其应用前景。

由于WSN通常部署在危险的环境或不可到达的环境中，以及传感器节点的电池不可更换等限制，因而，如何提高WSN的能量效率，以便延长网络的生命周期是WSN研究的一个重要领域。