基于多頻信號融合的WIFI室內定位可行性分析

胡 斌，鄒 亮，徐貴亮，楊 健，劉軍建，杜志明

（1.深圳市交投科技有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060）

1 WIFI室內定位技術介紹

WIFI又稱為無線保真，是一種可以通過一定的協議和認證以實現智能手機、平板電腦等移動設備通過無線方式互相連接訪問的技術。WIFI是一種短距離的無線通信技術，一般接收信號半徑約為95m，也是當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術。

WIFI無線網絡的組建簡單、成本低，基本配備為具有無線網卡的一個接入點。移動通信終端可以通過連接有線寬帶網絡的接入點進行數據交換，從而實現直接訪問互聯網的功能。這為辦公室、室內娛樂場所、家庭與大型商場提供了一種更為快捷的上網途徑。WIFI信號在開闊空間中有效傳輸距離約為300m，在室內空間也具有70m到110m之間的信號傳輸距離。其網絡具有較強的兼容性，方便與其他網絡整合。

室內定位是指在某一時刻確定移動通信終端在室內的位置坐標。隨著人們購物、娛樂、辦公等室內場所的不斷擴大，人們對室內定位需求也日益增加。因此基于室內定位的技術和解決方案也不斷涌現。邊角測量法、最近接入點法和位置指紋法是室內定位技術經常使用的方法。

1.1 邊角測量法

（1）邊測量法是通過測量物體與多個接入點間的距離來計算待測物體的位置。在二維平面上，邊測量法的基本原理是假設目標終端N的二維坐標（x，y，z），接入點M1、M2、M3的二維坐標分別為（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）。各個接入點與目標終端的坐標計算出各自間的距離d1、d2、d3，最終確定目標終端的位置，如圖1所示。利用無線電傳播的數學模型，把在目標終端測得的信號強度轉化為距離，即基于信號強度的測量法。

圖1 目標定位基本原理

（2）角測量的基本原理是通過兩個接入點的位置及其發射出來的信號分別達到目標終端的角度從而推算出目標終端的位置。其定位系統結構簡單，它要求每個參考點的接收天線為天線陣。為滿足定位需求，每個天線陣在一個長波范圍內要有4到12個天線。

1.2 最近接入點法

最近接入點法是指目標終端在某一已知位置或距離已知位置較近時被物理接觸或是信號感知，從而確定目標終端的位置。在無線局域網中，接入點是連接移動通信終端從無線通訊到有線通訊的橋梁。每個接入點都有一定的信號覆蓋范圍，進入這一信號覆蓋區域的無線移動通信終端都可以通過與其連接實現網絡通信。所以，在無線局域網中，最近接入點法定位技術主要通過接入點的位置來確定目標終端的位置，其定位準確度主要依賴無線接入點的性能和定位所在的環境。目前有兩種途徑可以獲取接入點上記錄的所連接移動通信終端的信息：基于 RADIUS[1]和基于 SNMP[2-3]。RADIUS（Remote Authentication Dial-In User Service）[4]是一種提供集中式認證、授權和網絡訪問的服務。基于RADIUS方法的使用前提是無線局域網中應使用RADIUS服務器來負責WLAN用戶的認證和訪問。其認證方式是RADIUS服務器保存通過認證用戶的MAC地址、所以接入點SSID等信息，并結合接入點的位置信息對用戶進行定位，如圖2。SNMP（simple Network Management Protocol）稱作簡單網絡管理協議，作為一種標準方式，支持對接入點上信息的訪問。

圖2 架設RADIUS服務器的無線局域網

1.3 位置指紋定位法

環境對信號的多徑傳播有很大影響，不同的位置接收的信號強度是不同的，且每個位置所對應的信號強度是唯一的。信號發射終端發射出的信號經過反射、折射最后到信號接收終端所產生的路徑稱為多徑信號，這樣的多路徑特征也被形象的認為是某一位置的“指紋”。信號的多路徑特征包括接入點的MAC地址、信號強度等。通過離線訓練階段測試采集這些多路徑特征數據，建立位置指紋數據庫，使實時定位點測試的接收信號強度與位置指紋點進行匹配，找出相似信號強度的數據，實現定位。

基于位置指紋定位的WIFI室內定位技術分為兩個階段：離線訓練階段和實時定位階段。離線訓練階段的目標是收集各指紋點的信號特征和數據，構建兩者關系對應的數據庫，即位置指紋數據庫。為了實現該數據庫，首先需要確定被定位對象中所有需要采集的指紋點，然后遍歷所有指紋點記錄每個接入點的MAC物理地址和對應信號強度，最后將它們整理存儲到位置指紋數據庫中。實時定位階段，當用戶移動到某一位置時，用戶將會接收到一組接入點的MAC物理地址和對應的接收信號強度，通過實時定位點與指紋點的接收信號強度的比較匹配確定用戶位置，整個過程如圖3所示。

圖3 位置指紋定位法定位流程

在眾多可以應用到WIFI網絡的室內定位技術中，位置指紋定位技術具有定位精度高、操作成本經濟、有利于保護用戶隱私、靈活性強等特點，從而受到眾多研究人員的青睞，成為室內定位的研究主流。表1從多角度比較了不同定位方法的特點。

1.4 影響室內定位精度的因素

室內的環境復雜，阻隔、干擾、吸收通信信號的障礙物較多。而對信號傳播影響的主要因素有以下三種：多徑傳播、陰影效應、信號接發設備的性能。

由于室內環境復雜，信號的發射端與接收端之間因存在障礙物不能直接進行信號的直線傳播，而是通過折射、反射進行傳播，接收端接收信號是直射和多個折射、反射波的合成。不同路徑的信號到達時間、信號強度都不同，傳播過程互相干擾抵消，稱為多徑衰落。這種多徑傳播現象一定程度上使傳播的信號失真，從而影響室內定位的精度。

表1 基于無線局域網的室內定位技術的比較

在WIFI網絡中，移動通信終端在運動的情況下，由于建筑物和其他物體對電波傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區域上產生半盲區，從而形成電磁場陰影，這種隨著移動通信終端位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應。陰影效應是產生慢信號衰落的主要原因。而信號的衰落或變化也會影響室內定位系統的判斷，從而影響定位精度。

信號接發射設備的性能也是影響信號傳播的重要因素。發射頻率高的發射端發射的信號強度較高，但由于頻率較高需要能量大，且信號容易被障礙物干擾、吸收，所以傳播信號的距離短。發射頻率低的發射端需要的能量較小，其發射的信號穿透力強，傳播的距離較遠，但是信號強度較弱不利于接收設備的接收信號判斷。接收端與發射端同等重要，接收端接收靈敏度的好壞對信號的接收強度要求不同，靈敏度高的可以接收信號強度低的信號。接收靈敏度這個參數本身包含了處理噪聲系數、干擾等影響。

另外，接入點的天線布設、用戶端的運動情況、室內環境特性，如溫度和濕度也會影響定位精度。

2 位置指紋定位技術的典型算法

在眾多的位置指紋定位算法中，最近鄰法和貝葉斯概率算法受到廣泛的研究和應用[5-7]。

2.1 最近鄰法

最近鄰法通過給定的檢驗樣例和它相似的訓練樣例進行對比來定位。最近鄰法算法在定位時，移動通信終端節點獲取接入點發射的信號強度，記為S=( )

s1,s2,…,sn；其中n為接入點的個數，然后將該信號強度S與指紋數據庫中的指紋數據Fi=( )r1,r2,…,rn進行匹配，從而獲得移動通信終端的位置信息。移動通信終端的位置指紋S與位置指紋數據庫中的指紋數據的鄰近性用兩者間的距離來度量，如歐幾里德距離，見式（1）。

對于移動通信終端的位置指紋S和它最接近的位置指紋所對應的位置見式（2）。

2.2 貝葉斯概率法

通過貝葉斯分類預測類成員關系的可能性，并以此為基礎計算的定位方法稱為貝葉斯概率法。利用貝葉斯概率法定位過程為：首先，假設在室內定位空間產生一個位置指紋，記作{F1,F2,…,Fi} ，且每個位置指紋與一組接入點的信號強度{L1,L2,…,Li} 有一一對應關系。在實時定位階段，移動終端的一個實時位置指紋的信號強度表示為S，其包含n個接入點信號強度的平均值，即S=(s1,s2,…,sn)。所以貝葉斯概率法就計算實時位置指紋與位置指紋數據庫的匹配概率，表示為p(Li|S)。由貝葉斯定理可以推導出公式（3）：

其中：L為指紋參考點個數；p()Li為移動終端出現在指紋參考點Li位置上的概率，通常認為p()Li是均勻分布的。因為不同的接入點發出的信號強度各自不同，由概率分布知識得出某一位置指紋處的接收信號強度服從高斯正態分布，得出表達式（4）。

其中，u和δ表示信號強度的平均值和標準偏差。最后采用最大后驗假設得到估計的用戶位置，見式（5）。

3 2.4GHz、5GHz信號在WIFI網絡的傳播特點分析

3.1 2.4GHz無線技術概述

2.4 GHz信號是在世界范圍內公開使用的無線頻段，而基于2.4GHz信號的WIFI網絡技術是一種短距離、廣泛使用的無線傳輸技術，無線通信技術在2.4GHz頻段下工作的設備可以獲得更大的使用范圍和更強的抗干擾能力。

2.4 GHz頻段具有適用范圍廣、帶寬高、耗電低等優點。它是一個全球性的頻段，開放性較高，所有無線通信產品均可使用該頻段，目前廣泛用于無線建設及無線寬帶路由器等室內場合。在移動通信終端中，所有攜帶無線網卡的設備都以2.4GHz頻段為標準，它系統兼容性強、數據傳輸頻率優勢明顯、允許雙向傳輸，且抗干擾性強，傳輸距離遠；而且2.4GHz無線電和天線的體積小，芯片集中，減少耗電。因2.4GHz信號無線技術的優勢，各廠家不斷研究推出新技術，使得此技術發展迅速。另一方面，由于2.4GHz ISM頻段存在頻段重合，大部分無線技術都采用該頻段，其他干擾源的信號干擾，如家用電器、微波干擾等，使得該頻段信號傳輸擁擠，傳輸信號失真嚴重。

規定WIFI在2.4GHz無線電波頻段進行通信的標準有802.11b、802.11g、802.11n（雙頻段標準）。其信道分布在2 041-2 483MHz的頻譜之間，相鄰的多個信道存在重疊現象，只有1、6、11信道完全不重疊，如圖4所示。圖中的1、6、11信道非重疊可同時被使用在同一個自由空間中。

圖4 WIFI信道分布

3.2 5GHz無線技術概述

工作在5GHz頻段的WIFI標準主要有802.11a、802.11n（雙頻段標準）、802.11ac。5GHz頻段的頻譜資源在世界各國分配不同，在WIFI聯盟2010發布的《802.11n System Interoperability Test Plan》中規定，共有24個可用信道，每個信道頻寬為20MHz，且互不重疊。在我國可用的5GHz頻段有5個信道。

5GHz頻段比2.4GHz頻段的波長小一半左右，波長為6cm。其傳播特性與2.4GHz頻段的電磁波有以下幾方面不同：

高頻段的功率衰減受距離變化的影響大，兩者呈現正相關的變化趨勢。根據自由空間路徑損耗計算公式，見公式（6），計算得出在相同距離下5GHz比2.4GHz載波的路徑損耗大8dB，即工作頻率為5GHz的通信網絡在發射功率相同的情況下，其覆蓋范圍半徑是工作頻率為2.4GHz的通信網絡覆蓋范圍半徑的一半。

高頻段的信號傳播穿透能力比低頻段的弱，抗衰落性差，穿透損耗高。微波穿透尺寸遠大于波長的障礙物的路徑損耗稱為穿透損耗。工作頻段為2.4GHz的微波穿透損耗為10-20dB，5GHz的微波穿透損耗為20-45dB。

高頻頻段的微波方向性好，5GHz頻段的角度擴展小于2.4GHz頻段的角度擴展。但其形成比2.4GHz頻段更嚴重的陰影區，因為較好的方向性在一定程度上降低其繞射能力。在實驗檢測中5GHz頻段在障礙物后面的信號強度顯出較低水平。

3.3 基于2.4與5GHz信號的802.11n標準定位技術分析

802.11 n是為了使無線局域網達到以太網的性能水平，以高帶寬、高質量的WLAN服務為標準的無線傳輸協議。其結合了多種技術，包括Spatial Multiplexing（Multi-In,Multi-Out）、20 和 40MHz信道和2.4GHz、5GHz雙頻率。隨著用戶對WIFI技術提出越來越高的要求，傳統的802.11技術已經無法支撐，于是新一代WLAN接入技術誕生。據國際WI-FI聯盟組織2009年初公布的802.11n產品的認證增長率數據顯示，世界范圍內有超過500款的802.11n設備完成認證，認證增長率與硬件普及率也逐年增長。認證的增加使得具備2.4和5GHz頻率的雙頻率WIFI接入點越來普及。在本課題的實驗對象就配有2.4與5GHz信號的雙頻率WIFI網絡。另外，隨著智能手機技術的不斷發展，現在大部分智能手機或者平板電腦都配備了雙頻率無線網卡，如蘋果手機、三星智能手機、第三代小米手機，平板電腦等。這些硬件設備為本文研究和實現基于2.4與5GHz信號相融的WIFI網絡定位提供了硬件基礎。

2.4 GHz頻段具有適用范圍廣、帶寬高抗干擾能力強、穿透力強、傳輸距離遠等特點。但由于2.4GHz頻段存在頻段重合，大部分無線技術都采用該頻段，加之其他干擾源的干擾，使得2.4GHz頻段的信道相互干擾嚴重，削弱了信號傳輸的真實性，從而影響基于2.4GHz信號WIFI網絡定位的定位精度。5GHz頻段具有獨立不重疊的信道，不存在因信道重疊擁擠而影響信號的傳輸，但是存在高頻段中，隨著距離增加功率衰減的速度快、抗衰落性能弱、路徑損耗大、環射能力低、陰影區大等傳輸特點，不能單獨在WIFI網絡中定位。根據上述兩種頻率的傳播特點，本文選取兩種頻率的優勢特點進行結合，重點研究2.4與5GHz信號相融的WIFI位置指紋定位算法，從而提高室內定位的精度。

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