基于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術的研究與應用

陳金龍 劉忞劼

（桂林電子科技大學 廣西壯族自治區桂林市 541004）

1 緒論

1.1 研究背景

Wi-Fi 網絡與設備的廣泛應用，以及智能移動終端的大范圍普及，使得基于Wi-Fi 的內部定位技術受到了多方關注。GPS 無法處理是室內定位的相關問題，而且Wi-Fi 在絕大多數室內環境中都能搜索到。所以如果沒有額外硬件的話，最省錢的辦法就是利用Wi-Fi 完成定位工作。以往的基于角度、時間的定位方法，與Wi-Fi并不相符。在過去10年里，都習慣于使用位置指紋識別，而且在定位室內Wi-Fi 場景中可以發揮出色表現。目前的室內定位方法有超寬帶信號、超聲波和藍牙等，這些短距離的無線信號可以結合對應的算法完成定位任務。但是，這些定位方法雖然能夠實現高精度定位，可實施起來卻沒那么簡單，并且需要投入大量的資金，只能應用于小范圍區域。現階段，Wi-Fi 接入點在公共場所中比較常見，比如地鐵站、醫院等，采取Wi-Fi 技術定位的方法，除了能降低定位設備的資金投入以外，其精度水平也比較強大。

1.2 研究的意義與價值

在移動互聯網時代，人民群眾對于定位的準確性需求不斷提高，例如在大型商業廣廣場以及醫院當中，人們不能快速的找到門店和科室。這樣就拉動了室內定位技術的發展，人們利用室內定位導航可以根號的到達目的地，在當下的社會發展過程當中室內定位的需求不斷增加。詳細介紹了基于位置指紋在Wi-Fi 室內定位的原理，對于Wi-Fi 的信號進行了建模使用，根據Wi-Fi 信號的特點，分析研究在室內定位當中影響精確度的原因，根據室內的實際情況構建柵格地圖，對于采集的信號進行建模，針對建模當中存在的問題，建立指紋庫提供信號的選擇。對于采集到的數據進行濾波分析，實現了指紋庫區域的劃分，使用rssi 信號的強度進行聚類處理，編寫仿真程序，隨機采集數據，通過對比分析提高精確度。設計以安卓系統為根本的樣本APP，進行實際的測定并做好成果的整理工作。

1.3 研究方法

1.3.1 文獻研究法

本次研究主要在研究的初期階段對于研究的內容進行了大量的整理，在進行整理的過程當中出現了較多的問題，但是本人充分利用互聯網資料以及學校的圖書資源，對于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術進行了全面的分析研究，搜集了大量的Wi-Fi位置指紋的室內定位的資料，分析相關的技術，希望在對于這些資料進行分析研究的基礎上，總結出研究的情況，發現當下研究的進展情況，全面提高研究的真實性和實踐性。

1.3.2 信息研究法

信息研究法其實通俗來說就是利用信息資源去實現資料的查詢和借鑒，美國著名學者維納認為在客觀世界所有的事物都存在一種較為普遍的聯系，就是信息聯系，目前我國信息科技高速發展，電腦和手機的普及大幅度提高，有大量的信息資源可以開發利用。通過互聯網查詢相關的Wi-Fi 指紋的室內定位技術的資料收集，整理大量的資料，進行資料匯總，并且經過篩選分析之后，運用本次研究。

2 研究關鍵概念界定

2.1 基于Wi-Fi的室內定位技術

無線保真屬于無線網絡技術的范疇，比如藍牙就是最成功的一款產品。通過對Wi-Fi 的應用，即便是沒有電纜通信，終端設備與設備的通信也能通過單播、廣播的模式得以實現。Wi-Fi 使用ISM通信頻段，所有人都可以通過無線方式來訪問Internet 與LAN，并且具有Wi-Fi 網絡的設置權限。用戶通過部署Wi-Fi 接入點，從而連接到Wi-Fi 網絡，再通過支持Wi-Fi 的設備實現無線Internet 訪問的效果。憑借著發射功率低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優勢，我們在學校、家庭、機場等公共場所都能搜索和使用Wi-Fi。

2.2 位置指紋中的Wi-Fi室內定位

當信號在無線空間進行傳播的過程中，功率、距離之間存在反比的關系，造成一點處信號能量反映信號，即為傳輸終端的實時位置。現階段對于RSSI 方法我們需要確定相關位置，方法主要如下所示，分別是指紋定位和信號傳播的定位模式，根據信號的傳播方法可以使用計算相關的無線信號，并且AP 的位置已經明確的對于檢測信號強度模型的AP 和目標的距離，使用相關的定位方法，對于相關的目標進行定位評估，這樣的方法是在傳播模型進行分析。現實當中室內環境的復雜性較大，導致房間當中描述無線信號的模型不足，精確度較低，定位的精確度不能得到兩哈偶讀提升。其次還有一種在定位的區域當中限定相關的參考點以及信號的強度，得出信號強度和物理位置當中存在的聯系，使用定位算法實現目標端的定位。

只有當指紋數據庫處于位置區域中，才能發揮指紋位置定位法的作用。一般來說，要分成兩個步驟進行，第一，離線指紋數據當中進行構建分析，其次需要進行在線定位階段分析，對比算法需要更加使用與勘測的RSSI 體系當中，做到構建指紋數據庫，對于估計位置的角度來說，在在線模式下，移動終端當中需要使用信號接收的模式提出相應的問題，實現對于指紋庫的在線配對，選擇最恰當的坐標體系。

2.3 室內定位問題分析

現目前，隨著城市的快速發展，各種大型商業建筑，地下停車場，高層建筑數量不斷增加，面積和高度不斷上升，人們的出行以及購物集中在這些繁瑣復雜的大型空間當中，這些室內空間當中很容易迷失方向，顧客需要了解自己所在的位置，規劃相應的路線。但是因為GPS 技術現階段不夠完善，會受到墻壁等障礙物的遮擋，不能對于室內進行良好的定位。國內外很多機構和學者也開始研究和發展室內定位技術，傳統模式的室內定位技術當中存在較多缺陷，基于指紋Wi-Fi 定位指紋庫的研究可以良好的解決這些問題，全面提高室內定位的精確度。通過在定位過程當中對于定位精確度的影響因素進行分析，對于實際的影響進行研究，構建相應的聚類算法指紋庫，完成仿真分析，首先需要構建相應的指紋數據庫，其次需要進行在線定位，基于比較算法在勘測的RSSI 當中非常適用，構建相應的指紋庫，在位置當中的應用，在線模式當中接收信號和離線的指紋庫進行比對，選擇出相似度最高的坐標，就可以進行路線的規劃。

3 基于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術的研究

本文主要以Wi-Fi 信號的MAC 物理地址以及rssI 信號強度作為實際的研究對象，我們使用Wi-Fi 信號的物理地址和信號強度包含的衰竭進行室內定位，針對傳統基于位置指紋的Wi-Fi 定位存在一定偏差的問題，我們通過改變定位之文庫提高精確度，分析導致室內定位過程當中的實際影響因素作為最終的切入點，通過聚類算法構建指紋庫進行仿真分析研究。本文主要的研究內容如下：

首先根據Wi-Fi 信號的特點，制定基于Wi-Fi 信號的基本模式方案，通過不同定位的方法確定切入，使用貝葉斯高斯改了模型和信號衰竭模型，使用不同的定位方法，尋找優缺點，全面完善定位方法，提供相應的理論依據和基礎。不同信號強度下Wi-Fi 信號特點如表1所示。

表1：不同信號強度下Wi-Fi 信號特點

針對室內定位當中存在的影響因素進行分析研究，根據Wi-Fi信號傳播的實際特點，提出減輕誤差的方法模式，對比不同信號強度下的Wi-Fi 特點，了解了Wi-Fi 信號存在強度偏移的問題，針對這一問題提出了聚類算法降低室內定位當中的影響因素。信號離散度對比如表2所示。

表2：信號離散度對比

（1）區域指紋庫劃分。基于安卓系統構建實時定位，測試聚類指紋庫在最終環境當中的定位效果，顯示在界面，選取測試點，分析定位穩定性，達到最終的目標。

（2）通過測量值以及指紋庫進行位置計算。在位置指紋的當中主要研究都集中在定位的兩個模式當中，分別是離線和在線，離線模式當中構建相應的資源數據庫，實現在任何地點任何時間手機相應的指紋，這需要對于一個區域進行反復多次的研究，取得的數據構建為訓練集，系統本身需要不斷濃度尋找設備的位置，本文就主要對于這兩個階段進行全面地名小時，構建環境坐標當中的具體坐標。

（3）離線階段。調整指紋的位置一般需要在離線階段進行，例如以下的場景，地理的區域可以劃分為32 個網格點和兩個接入點，在每一個網格點當中，這些平均RSS 在數據的獲取周期當中進行確定，移動移動數據設備可以在數據的獲取器件，提供不同的方面和角度。

雖然對于RSS 樣本坐標點是存在實際空間當中的，以網格點的形式出現，這就導致信號空間當中的地點足跡不是太規則，一部分的信號矢量在物理空間的間隔可以進入信號空間，最終導致錯誤率全面上升，甚至還會直接干擾定位。

（4）在線階段。進行在線測試的過程當中，這過程當中設備也處在這個位置當中，但是是在不知道其特定位置的模式下，假設當前設備的測量地點是來自于一個接入點的RSSI，我們測量的設備也是單個樣本，經過AP 之后測量的RSS，數據上傳到網絡當中進行數據規劃。

4 總結

無線保真屬于無線網絡技術的范疇，比如藍牙就是最成功的一款產品。通過對Wi-Fi 的應用，即便是沒有電纜通信，終端設備也能以單播、廣播的模式與設備進行通信。由于Wi-Fi 使用的是ISM通信頻段，所有人都能以無線方式對Internet、LAN 實現訪問，并且具有Wi-Fi 網絡的設置權限。用戶可以對Wi-Fi 接入點進行部署，與Wi-Fi 網絡完成連接，再通過支持Wi-Fi 的設備實現無線Internet訪問的效果。憑借著發射功率低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優勢，我們在學校、家庭、機場等公共場所都能搜索和使用Wi-Fi。本文主要對于室內定位的需求和最終的發展情況進行了大量的研究，分析對比了國內外定位技術當中存在的問題，通過對于傳統定位技術的分析，驗證傳統定位技術當中存在的問題，針對Wi-Fi 在空間當中衰減的規律，使用物理地址進行濾波分類，使用領域均值的錄播方法排除聚類指紋庫當中存在的差異和影響，以安卓系統為平臺構建了相應的app，進行實地檢驗。