一種基于RSS的WIFI室內(nèi)定位的研究方法

余文婕

【摘 要】在無線網(wǎng)絡(luò)幾乎無處不在的今天，人們能夠通過無線定位技術(shù)來定位自己所處的區(qū)域，或者是定位目標(biāo)地所在的位置，無線定位技術(shù)極大的滿足了人們對定位服務(wù)的需求[4]。目前的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，絕大多數(shù)都是基于接收信號強(qiáng)度 （ Received Signal Strength ，RSS ）的指紋識(shí)別算法。該算法是一種基于指紋數(shù)據(jù)庫的匹配定位算法，通過建立定位區(qū)域信號強(qiáng)度的指紋數(shù)據(jù)庫，再與實(shí)時(shí)采集的信號強(qiáng)度進(jìn)行匹配來達(dá)到位置估計(jì)的目的[2]。

本文主要研究的是使用信號強(qiáng)度RSS標(biāo)定不同位置的信號強(qiáng)度特性進(jìn)行定位方法，首先對室內(nèi)無線信號傳播的特點(diǎn)進(jìn)行分析[4]，然后以基于RSS的指紋識(shí)別定位方法，根據(jù)傳播損耗模型可建立接收功率與距離之間的關(guān)系建立定位模型，結(jié)合最小二乘法計(jì)算出位置的具體坐標(biāo)。最后，分別選取空曠的室內(nèi)場景和復(fù)雜的室內(nèi)場景對基于RSS的WIFI室內(nèi)定位算法的適用性進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位；接收信號強(qiáng)度；指紋識(shí)別；傳播損耗模型；最小二乘法

中圖分類號： TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0269-005

A Research Method of WIFI Indoor Positioning Based on RSS

YU Wen-jie

（Kunming University，Kunming，Yunnan 650214，China）

【Abstract】In today's ubiquitous wireless networks，people can locate their own area through wireless location technology，or locate the target location.The wireless location technology greatly meets people's demand for location services.[4].Most of the current indoor positioning systems are based on the Received Signal Strength（RSS） fingerprinting algorithm.The algorithm is a matching localization algorithm based on fingerprint database.It can achieve the purpose of position estimation by establishing a fingerprint database of signal strength in the localized area and matching the signal strength of real-time acquisition[2].

In this paper，the main research is to use the signal strength RSS to calibrate the signal strength characteristics of different locations to carry out the positioning method. First of all，analyze the characteristics of indoor wireless signal propagation[4]，and then use the RSS-based fingerprint identification and positioning method，according to the propagation loss model can be established.The relationship between the received power and distance establishes a positioning model and combines the least squares method to calculate the specific coordinates of the location.Finally，the applicability of the RSS-based WIFI indoor location algorithm is analyzed by selecting empty indoor scenes and complex indoor scenes.

【Key words】Indoor location；Received signal strength；Fingerprint identification；Propagation loss model；Least square method

1 研究背景

隨著現(xiàn)代科技和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）和網(wǎng)絡(luò)輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（AssistedGlobalPositionSystem，A-GPS）的普及[6]，已經(jīng)能夠?yàn)樯钤诂F(xiàn)代科技下的用戶提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的室外位置服務(wù)。定位技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給人們的生活帶來了極大的便利，但GPS定位信號無法穿過建筑物進(jìn)入室內(nèi)，使得該項(xiàng)定位技術(shù)在室內(nèi)幾乎毫無用武之地，因而只能滿足用戶在室外進(jìn)行定位，在某種程度上已經(jīng)不能滿足人們對于精確定位的迫切需求。基于GPS定位的這一缺陷，室內(nèi)定位技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

近年來，隨著通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于民用通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)得到了飛速發(fā)展[1]。特別是隨著基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)（WirelessFidelity，WIFI）的普及和高速發(fā)展，利用現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行室內(nèi)定位，不僅可以節(jié)省定位系統(tǒng)的建設(shè)成本，而且定位終端可以借助智能手機(jī)等現(xiàn)成設(shè)備[1]，因而國內(nèi)外出現(xiàn)了研究WIFI室內(nèi)定位技術(shù)的熱潮。

2 室內(nèi)無線定位技術(shù)的概述

室外的通信信號相比室內(nèi)有著傳輸信號范圍廣、速度快、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，主要是因?yàn)槭覂?nèi)傳播的無線通信信號，由于使用頻率較高，穿透性較弱，信號受到的干擾多，極易產(chǎn)生漫射、反射，甚至多次反射等情況。目前多徑傳播是無線信道的最大傳播特點(diǎn)，從發(fā)射端到接收端，信號傳播的路徑較多，不同的路徑形成了不同的傳輸距離，也伴隨著不同的干擾、不同的延時(shí)以及不同的信號衰弱等特點(diǎn)。

目前，關(guān)于室內(nèi)定位的研究可謂是各有千秋，研究方法也是層出不窮，最常見的有基于RFID的定位、基于紅外線的定位、基于超聲波的定位、基于ZigBee的定位、基于GSM的定位、基于超寬帶的定位、基于WLAN的定位等。以上定位方式都是基于不同的傳感器進(jìn)行研究的定位技術(shù)，本文將另辟蹊徑，從信號測量值入手，以基于RSS（ReceivedSignalStrength）的WIFI定位作為研究重點(diǎn)，側(cè)重研究RSS的指紋識(shí)別定位方法[2]，通過分析接收到的信號強(qiáng)度來判斷其與發(fā)射源之間的距離，通過計(jì)算該信號與多個(gè)發(fā)射源之間的距離信息，最終確定具體的地理位置。

3 室內(nèi)無線信號傳播

無線信號在室內(nèi)的傳播與在室外大不相同，在室內(nèi)，從發(fā)射機(jī)發(fā)射出的信號，要傳送到接收機(jī)，路徑十分復(fù)雜，不論是簡單的視距傳播，還是建筑物內(nèi)復(fù)雜的格局、人員的走動(dòng)，都會(huì)對無線信號的傳播產(chǎn)生一定的影響。不同的室內(nèi)格局，對信號傳播造成的影響都不相同。另外，對于建筑物的大小、材料結(jié)構(gòu)等的不同，也會(huì)使得無線信號傳播不像固定的有線信道那樣可以預(yù)見，而是具有很大的隨機(jī)性[10]。

室內(nèi)和室外的信號傳輸信道差別，意味著無線信號的傳輸模型也不相同，室外一般使用的是大尺度或中尺度的傳播模型，而室內(nèi)則符合小尺度傳輸模型。對于室內(nèi)的無線信號而言，其特點(diǎn)是覆蓋距離近，傳輸功率小[3]，傳輸路徑不固定等。在不同的路徑上經(jīng)過反射、折射、散射等，最終由接收端接收信號，該信號則是由多條路經(jīng)上的電波疊加而成的。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對比，還發(fā)現(xiàn)信號的強(qiáng)度與建筑物內(nèi)的門或窗戶的開關(guān)在很大程度上有著直接關(guān)系。不同的材料制成的“障礙物”對信號的傳播有著不同的阻礙作用[3]，并且窗戶數(shù)量的多少也會(huì)影響到信號的傳輸衰落。下表是在2GHz頻率下室內(nèi)無線信號穿透物體的衰弱情況。

4 定位原理

定位原理如圖所示1所示，首先將整個(gè)定位區(qū)域均勻劃分為M個(gè)格點(diǎn)RP，在整片區(qū)域內(nèi)放置N個(gè)無線接入點(diǎn)（AccessPoint，AP）和Q個(gè)待定位移動(dòng)臺(tái)，并且數(shù)量上滿足M>>N>Q。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，每個(gè)待定位移動(dòng)臺(tái)會(huì)周期性地發(fā)射無線信號，發(fā)射周期為T，并且各個(gè)待定位移動(dòng)臺(tái)之間相互獨(dú)立；AP周期性地收集信號，收集周期與移動(dòng)臺(tái)周期相同，將該周期內(nèi)收到的信號強(qiáng)度值計(jì)算作累加，周期時(shí)間結(jié)束后，每個(gè)AP將累加結(jié)果發(fā)送到定位中心。定位中心的服務(wù)器運(yùn)行定位算法，即可計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)位于M個(gè)網(wǎng)格中的哪些位置[1]。

5 定位模型

由于受折射、散射、障礙物等多種因素干擾的影響，無線AP信號采集時(shí)所得到的RSS數(shù)據(jù)具有不穩(wěn)定性。在每個(gè)參考上進(jìn)行多次信號采集，計(jì)算各無線AP的RSS平均值并存入RSS數(shù)據(jù)庫。以基于RSS定位技術(shù)作為位置估計(jì)，無線信號在理論空間內(nèi)傳播距離d后，基于RSS的指紋識(shí)別定位方法根據(jù)傳播損耗模型可建立接收功率與距離之間的關(guān)系如公式（1）所示。

5.1 在線測試

為更深一步研究室內(nèi)環(huán)境對無線信號干擾的問題，筆者選取了學(xué)校現(xiàn)代教育技術(shù)中心為定位環(huán)境，對比了在相同的位置不同的時(shí)間測量的信號強(qiáng)度，從整棟樓的7000個(gè)樣本中隨機(jī)選取了200個(gè)樣本作為研究的對象，經(jīng)過三次對比測量得出的信號強(qiáng)度波動(dòng)如圖2所示。

定位階段進(jìn)行匹配時(shí)產(chǎn)生誤差的主要原因就是信號的波動(dòng)。在對信號強(qiáng)度的波動(dòng)研究過程中，發(fā)現(xiàn)信號有一定的范圍波動(dòng)。

6 基于RSS的WIFI室內(nèi)定位算法的適用性分析

為了驗(yàn)證基于RSS的WIFI室內(nèi)定位算法的適用性，本文分別選取了空曠室內(nèi)場景和復(fù)雜室內(nèi)場景作為對比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。空曠室內(nèi)場景中障礙物較少，不存在大量隔斷，AP發(fā)射出的信號傳播路徑穩(wěn)定，很少發(fā)生折射、反射等情況，與復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境相比受到的干擾較少。復(fù)雜室內(nèi)場景里面有多處墻壁阻隔，多處隔斷等環(huán)境，AP處于這種格局情況下，發(fā)射出的信號就會(huì)產(chǎn)生反射、折射和繞射等情況，從而發(fā)生多徑和非視距傳播等干擾，使RSS的數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大波動(dòng)。綜合以上分析，本文以大型室內(nèi)地下停車場作為空曠室內(nèi)場景，大型商場場景作為復(fù)雜室內(nèi)場景進(jìn)行適用性分析。

6.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)綜合分析了兩種室內(nèi)場景的特性，綜合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律，并對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而區(qū)分空曠室內(nèi)場景和復(fù)雜室內(nèi)場景信號的分布特性。

6.1.1 空曠環(huán)境下的適用性分析

圖3表示在大型地下停車場環(huán)境下接收端接收到的信號強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)選取一個(gè)AP（TP-LINK路由器，型號為TL-WR886N）作為發(fā)射源，利用移動(dòng)終端（一臺(tái)華碩MIIX5plus筆記本電腦）每隔2米作為一個(gè)測試點(diǎn)，對每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行200次信號強(qiáng)度測試，將200次收集的信號強(qiáng)度的平均值作為該點(diǎn)的信號強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)總共測試了20個(gè)點(diǎn)，其中最遠(yuǎn)距離為40米。根據(jù)圖上信息可知，信號強(qiáng)度隨著距離的增加在緩慢減小。

6.1.2 復(fù)雜環(huán)境下的適用性分析

針對大型商場場景存在大量的物品，而且人流量也比較大，這些因素能夠?qū)P發(fā)射的信號產(chǎn)生較強(qiáng)的阻礙作用。本實(shí)驗(yàn)以大型商場作為復(fù)雜室內(nèi)測試場景，該場景中包括玻璃門窗、店鋪隔斷、辦公桌等陳設(shè)格局，室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對照空曠室內(nèi)環(huán)境下的測試，該室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測量時(shí)同樣以兩米為間隔設(shè)置參考點(diǎn)，共測量200個(gè)參考點(diǎn)。定位環(huán)境中共隨機(jī)布設(shè)3個(gè)AP（實(shí)驗(yàn)設(shè)備與之前所使用的為同一設(shè)備），位置如圖3所示，其中AP3放置在具有玻璃隔斷的小店鋪內(nèi)。

根據(jù)圖5可知，（1），（2），（3）三個(gè)圖中點(diǎn)的分布情況顯示了點(diǎn)的不同位置所對應(yīng)信號強(qiáng)度，圖中的三個(gè)發(fā)射端AP1，AP2，AP3的布置位置如圖4所示，其中將AP3作為對比，放置在有隔斷的店鋪內(nèi)。從（1），（2），（3）三個(gè)圖中可以看出，衰落越大可以說明AP發(fā)射的信號離AP越遠(yuǎn)，但室內(nèi)無線信號的多路徑傳播等一系列干擾因素造成衰落曲線的波動(dòng)很大，其圖像就不是一條平滑的曲線，這說明室內(nèi)的干擾對信號傳播的影響很大。通過對比（1），（2），（3）三個(gè)圖可以看出兩個(gè)沒有阻隔的發(fā)射端AP1與AP2測試的最大RSS值為-25.5dBm，但被阻隔的AP3最大值只有-32.5dBm，這是因?yàn)锳P3被隔斷在小店鋪內(nèi)，信號的傳播發(fā)生折射，反射等現(xiàn)象使被隔斷的發(fā)射端發(fā)出的信號傳輸?shù)浇K端時(shí)，信號強(qiáng)度變?nèi)酢Ｒ陨戏治鲇∽C了上文描述的小尺度衰落模型適合于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中信號傳播，但存在的缺陷是無法建立準(zhǔn)確的信道模型，因此將指紋定位算法應(yīng)用在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下可以較好保證定位精度。

7 總結(jié)

通過本文的研究，我們對基于RSS信號強(qiáng)度的WIFI的室內(nèi)定位方法有了一定的認(rèn)知，通過在每個(gè)參考上進(jìn)行多次信號采集，計(jì)算各無線AP的RSS平均值并存入RSS數(shù)據(jù)庫。以基于RSS定位技術(shù)作為位置估計(jì)，利用基于RSS的指紋識(shí)別定位方法[12]，根據(jù)傳播損耗模型建立接收功率與距離之間的關(guān)系建立模型，以最小二乘法作為輔助，得出位置坐標(biāo)。

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