WLAN接入點的室內定位技術

劉 暢，張 迅

（1.沈陽職業技術學院信息工程學院 沈陽 110045；2.武漢大學電子信息學院 武漢 430079）

1 引言

WLAN（wireless local area networks，無線局域網）是一種便利的數據傳輸系統，隨著IEEE 802.11技術的逐漸發展，WLAN的通信性能、穩定性以及安全性已完全符合商用需求。WLAN網絡由于接入方便、架設成本較低、覆蓋范圍大、通信速度快等優點，已經成為中國三大運營商對3G網絡的一種重要的輔助手段。正是由于WLAN的種種優點，WLAN接入點的鋪設在國內已經達到泛濫的程度，其接入點已經廣泛部署在商場、學校、酒店、公司等場所。

目前WLAN的部署存在諸多問題，如閑置AP（access point，接入點）比例較高、干擾嚴重、覆蓋率不足或過大、規劃容量過大或過小等。在用戶較多的熱點地區，用戶網絡質量感知較差，甚至出現掉線、不能接入網絡等問題。對已布設的WLAN進行優化迫在眉睫。減小AP間的相互干擾是優化的主要目標，而干擾與AP的位置以及功率、信道等因素相關，其中AP的功率、信道可以在測試過程中測試得到，AP的位置則只能通過相應的定位算法得到。因此，對AP位置的有效定位會直接影響優化的結果，從而影響用戶感知。

室內WLAN由于AP布設密度較大，優化問題尤為突出。室內定位是定位技術的一種，與室外定位技術有一定的共性，但由于室內環境的復雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內無線定位技術有著不同于普通定位系統的鮮明特點：室內信號衰減較大，信號強度弱；信號反射現象嚴重；存在其他設備的信號干擾。這使得室內AP的準確定位存在著較大的挑戰。

目前采用的主要室內定位技術包括以下幾種。

[1]提出了超聲波定位技術，主要通過發射的超聲波和被測物產生的回波之間的時間差計算待測距離，通過具體的算法計算具體的位置。這種定位技術存在著明顯的缺陷，首先超聲波在傳輸的過程中衰減比較明顯，導致其定位精度不高；其次需要大量硬件設施的投入，成本太高。

·參考文獻[1]提出了紅外線定位技術，由來自于紅外線IR的紅外射線根據安裝在室內的傳感器進行定位。由于紅外線只能視距傳播，而不能穿過障礙物，在障礙物角度且復雜的室內環境中其定位精度很差。此外，為了能實現定位，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價太高。

·參考文獻[2]提出的藍牙定位技術，通過對信道強度的測量進行定位。其不足在于藍牙設備的價格比較昂貴，對于復雜的環境，系統穩定性較差，受噪聲影響較大。

上述定位方法由于受到室內復雜環境的影響以及硬件設備的投入太高，在應用上受到了很大的約束。本文先對測試的AP進行樓層判別，再根據基于信號強度的混合定位方法對目標AP進行具體位置定位，實現AP的準確定位。

2 定位方案的整體結構

定位方案的整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構

首先，判斷測試點是否在待測AP的附近，若測試點在AP范圍的5 m內，可以認為測試點在AP的附近。根據信號的衰減公式可以算出距離AP發射距離為5 m的信號強度的衰減，進而根據信號的發射功率可以得到在此距離的信號強度，把這個信號強度當作判斷的門限。選取待計算AP信號強度最大的3個測試點，如果3個測試點的信號強度均大于這個門限，就可以用傳統的質心定位算法進行AP具體位置的定位；否則，用改進的質心定位算法進行AP具體位置的定位。

3 定位方案的具體算法闡述

3.1 樓層判別

首先在樓宇某一樓層采集AP的相關信息（信號強度、信道等基本的信息），記錄測試位置的坐標。為了提高定位的準確性，應選取多個不在同一條直線的點進行測試。然后利用數據挖掘方法中的關聯規則，可以有效地從測試文件中剔除不屬于測試樓層的AP。

樓層判別采用關聯規則中的Apriori算法，基本思想是用測試數據作為算法的輸入，設置合適的最小支持度，通過不斷地迭代運算，直至得到的候選項目集不滿足大于最小支持度的條件，那么迭代算法就會終止，在輸出結果中上一階的候選項目集就是本樓層AP的集合。關聯算法流程如圖2所示。

AP歸屬樓層的準確性取決于支持度參數的合理設置，本文經過大量數據的對比驗證，提出了根據測試場景和面積設置參數的方法，并對場景的參數進行了大量的實驗驗證。一些場景的參數見表1。

表1 關聯算法經驗參數

圖2 關聯算法流程

3.2 位置定位數學模型

3.2.1 傳播模型

信號在傳播的過程中，隨著距離的增大，信號強度的大小發生改變，根據這個改變可以得出信號強度的衰減與距離的關系[3]。目前無線信號中采用較多的是對數路徑損耗模型，該模型為：

其中，L(d)表示距離為d(m)時的信號強度衰減；L0為距離為1 m時的信號強度衰減；n為路徑損耗指數；d是真實距離；Xσ是一個平均值為0的高斯隨機變量，其代表遮蔽因子，反映了當距離一定時，接收信號功率的變化。

在實際的測量中選用的模型為：

即不考慮遮擋因子對信號強度的作用，因為在實際的環境中影響最大的是非視距。其中參數L0和n是依賴于場景和建筑物的類型確定的常數，2.45 GHz下幾種常見場景的參數設置見表2。

表2 傳播模型的經驗參數

3.2.2 傳統質心定位模型

將待計算AP的信號強度進行排序，選取不在同一條直線上的3個信號強度最大的點，根據其信號強度進行加權，求質心。這種方法的優點是算法簡單，當3個測試點的位置在AP附近時，這種傳統的3點質心定位算法的準確性比較高；測試點距離AP位置較遠時，準確性不高。

3.2.3 改進的質心定位模型

對待計算AP的信號強度進行排序，選取不在一條直線的信號強度最大的4個測試點進行定位，假設這4個點為A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)和D(x4,y4)，待計算AP設為點E。首先任選3個點進行定位，假設取的點為A、B和C這3個點。利用式（1）分別計算待計算AP與A、B、C 3點的距離da、db和dc。理論上以A、B、C 3點為圓心，以da、db和dc為半徑作圓存在唯一交點，但實際上可能因為計算的da、db和dc并不準確，3個圓并不相交或相交處為一個區域，此時采用改進的質心定位算法。具體計算的方程組為：

根據 式 （3）分別解出圓A與圓C的 交 點(xac1,yac1)、(xac2,yac2)；圓B與圓C的交點(xbc1,ybc1)、(xbc2,ybc2)；圓A與 圓B的交點(xab1,yab1)、(xab2,yab2)。將圓A與圓C的交點代入方程組（3）的第二個式子，可找出距圓心B的距離或遠或近的兩點，為了使誤差減小，取db值較小、距離圓心B較近的點，并設其點坐標為(xb,yb)。同理可找出圓B和圓C交點中、圓A和圓B交點中滿足上述條件的兩點，分別設點坐標為(xa,ya)、(xc,yc)。計算出3個點后，依據質心定位思想估算由3點構成的三角形的質心，則估算的待計算AP的一個估計點坐標(x1′,y1′)為((xa+xb+xc)/3,(ya+yb+yc)/3)。

計算出D點與待計算AP的大約距離為dd。利用上面的方法，通過A點、B點、D點得到E點的坐標估計(x2′,y2′)，通過A點、C點、D點得 到E點的坐 標估計(x3′,y3′)，通 過B點、C點、D點得到E點的坐標估計(x4′,y4′)。因為計算的距離存在誤差，通過引用距離的加權來修正誤差，加權因子為參與定位的3個圓的半徑和的倒數，具體計算式為：

4 實驗結果及分析

本次實驗的場地和AP部署信息由福建移動提供，地點為福州上街移動辦公樓的9層、10層和11層，其中9層、10層和11層的AP數分別為10個、11個和13個。

實驗過程分為兩個階段：根據實驗區域選取多個錨點，在錨點處掃描并收集AP信息；根據所有錨點的坐標和收集所得AP信息進行定位計算。

在實驗區域盡量分散地選取錨點，在錨點處置放Wi-Fi檢測設備對AP信息進行掃描。定位計算則是將各錨點的坐標和掃描所得的AP的ID、信號強度值上傳到電腦中，通過MATLAB實現的定位模型進行計算，輸出各AP的坐標。最后，將計算所得的AP坐標與真實坐標進行對比，判斷算法的準確度。

從表1可知，測試場景為寫字樓，其支持度范圍為0.3～0.6，測試樓層面積較大，因此本實驗把支持度設為0.35。根據設置的支持度參數，對測試數據用關聯算法篩選出本樓層AP。樓層判斷后的結果與實際AP的樓層歸屬情況的對比見表3。

表3 樓層判別對比

根據表3的對比情況可以看出，經過樓層判別后的AP與實際AP的匹配情況完全一致，這樣在下一步AP具體位置的定位過程中就能夠排除干擾的AP對目標AP定位的影響。

經過樓層判斷后再對每一層的AP進行準確位置的定位。測試過程中選用的通信頻率為2.45 GHz，根據表2的參數設置，n設置為4.2，L0設置為40.2。傳統的質心定位方法和改進的質心定位方法各有優缺點，前者適合測試點距離測試AP較近的情況，后者不適合測試點在一條直線上的情況。兩種定位方法各有優缺點，能夠實現性能互補，其性能對比見表4。

表4 定位算法性能對比

在MATLAB中采用傳統質心定位模型和改進模型相結合的混合定位模型進行坐標計算，將定位結果通過MATLAB在對應建筑物的平面圖上繪出，9層的AP實際位置與計算位置的對比如圖3所示。

圖3 9層AP實際位置與計算位置的對比

10層的AP實際位置與計算位置的對比如圖4所示。

圖4 10層AP實際位置與計算位置的對比

11層的AP實際位置與計算位置的對比如圖5所示。

圖5 11層AP實際位置與計算位置的對比

從圖3、圖4、圖5可以看出，實際AP與定位AP的位置誤差在5 m內，準確率在90%以上。可見，先對AP進行樓層判別再采用基于信號強度的混合定位方法的AP定位精確度較高。

5 結束語

在對AP進行定位的過程中，由于可能存在干擾AP對目標AP的影響，從而導致定位的準確度大大降低。如果不排除其他樓層AP的干擾，則本層定位出來的AP可能會包含其他樓層的AP。采用關聯法則，根據大量測試得出的不同場景與面積下的支持度，可以有效剔除非本層的AP，得出有效目標AP再進行具體位置的具體定位。在后續的定位過程中，根據測試點的距離情況采取不同的定位方法分別進行定位，表現出較高的精確性。

參考文獻

1 汪苑,林錦國.幾種常用室內定位技術的探討.中國儀器儀表,2011(2):54～55 Wang Y,Lin J G.Indoor location technique based on RFID.China Instrumentation,2011(2):54～55

2 趙娜,李丹.淺談藍牙室內無線定位系統的技術實現.信息技術,2007 Zhao N,Li D.The technology realization of Bluetooth wireless indoor positioning system.Information Technology,2007

3 陳永光,李修和.基于信號強度的室內定位技術.電子學報,2004,32(9):1456～1458 Chen Y G,Li X H.Signal strength based indoor geolocation.Acta Electronica Sinica,2004,32(9):1456～1458

4 Zvanovec S,Pechac P,Klepal M.Wireless LAN networks design.Radio Engineering,2003,12(4):45～46

5 COST Action 231.Digital Mobile Radio Towards Future Generation Systems,Final Repor.European Communities,EUR 18957,1999

6 Zvanovec S.Coverage Prediction for GSM Picocells.CTU Prague,2002