基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)

1、無線定位技術(shù)課程報告基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)學(xué)院： 學(xué)號： 姓名： 2015年11月目錄1背景12室內(nèi)定位技術(shù)相關(guān)理論32.1定位技術(shù)簡介32.2定位測距原理42.3WiFi基礎(chǔ)知識63基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)83.1RSSI定位技術(shù)分類83.2典型的室內(nèi)傳播模型93.2.1線性距離路徑損耗模型93.2.2對數(shù)距離路徑損耗模型93.2.3衰減因子模型103.2.4MK模型113.3基于模型的定位算法113.3.1三邊測量法113.3.2雙曲線定位法123.3.3最小二乘法134總結(jié)15參考文獻(xiàn)1616基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)研究1 背景時間和空間是人們生活、生產(chǎn)的基本要素，人們的一切活動

2、都離不開時間和空間。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，基于位置的服務(wù)（Location-Based Service，LBS）需求量不斷增長，發(fā)展迅速，受到大家的廣泛關(guān)注，并且在社交網(wǎng)絡(luò)、廣告服務(wù)、旅游、購物、公共安全服務(wù)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用1。根據(jù)定位環(huán)境的不同，無線定位技術(shù)大致可分為室外定位和室內(nèi)定位兩大類。以美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），室外定位技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可靠性好、精度高，給室外定位帶來了極大的便利，并且在軍事、

3、交通、測繪、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而人們?nèi)粘Ｉ畹拇蟛糠謺r間都在室內(nèi)活動，人們已經(jīng)不再滿足于只能在室外享有基于位置的信息服務(wù)，室內(nèi)定位的需求變得日益強(qiáng)烈。衛(wèi)星信號不能穿透建筑物，并且在障礙物遮擋較為嚴(yán)重的情況下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法給出可靠的定位結(jié)果甚至無法定位。因此，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)不能滿足人們室內(nèi)定位的需求，于是室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運而生。目前室內(nèi)定位技術(shù)主要有光跟蹤定位技術(shù)、A-GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和WiFi技術(shù)等。光跟蹤定位技術(shù)要求探測器和跟蹤目標(biāo)之間可視，這使得光跟蹤技術(shù)的應(yīng)用受到很多限制。A-GPS定位技術(shù)通過延長每個碼的延遲時間來提高信號的靈敏度，需要通過相關(guān)機(jī)

4、搜索延遲碼，需要在手機(jī)內(nèi)集成GPS接收機(jī)，這就決定了A-GPS定位技術(shù)使用范圍的局限性2。超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測距法，定位精度可達(dá)厘米級，精度較高，但容易受到反射、透射、繞射等多徑效應(yīng)的影響，且成本較高3。藍(lán)牙技術(shù)所需的設(shè)備體積小，易于集成在PDA、PC以及手機(jī)中，但它在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定性差，覆蓋范圍小。WiFi技術(shù)是一種新型的信息獲取技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、成本較低、易于安裝、穩(wěn)定性高等特點，各大媒體爭先報道，有的甚至稱WiFi將是室內(nèi)定位的最佳選擇4,5。現(xiàn)在的筆記本電腦、PDA和智能手機(jī)等移動設(shè)備都支持WiFi介入技術(shù)，而且WiFi網(wǎng)絡(luò)的接入點分布于餐廳、賓館、機(jī)場、

5、學(xué)校、醫(yī)院和個人家庭等各種不同的場所。在日常生活中，可以說WiFi無處不在。因此，將WiFi技術(shù)應(yīng)用于定位領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。2 室內(nèi)定位技術(shù)相關(guān)理論2.1 定位技術(shù)簡介定位技術(shù)是指在某環(huán)境下確定某一時刻待定位移動終端在某種參考坐標(biāo)系的中的具體位置6。目前最流行的就是GNSS，但其需要在相對地域較為空曠、高層的建筑不多的地方才能精準(zhǔn)定位，室內(nèi)定位目前無法使用。室內(nèi)定位技術(shù)就是指在室內(nèi)環(huán)境下確定某一時刻移動終端在某種參考坐標(biāo)系中的具體位置。在室內(nèi)環(huán)境下，大多都采用無線局域網(wǎng)（WLAN）來估計接收終端的位置，無線局域網(wǎng)中的接入點（Access Point，AP）類似無線通信網(wǎng)絡(luò)中的基站，在定

6、位中發(fā)揮主要作用。幾乎所有的無線局域網(wǎng)都使用射頻信號（Radio Frequency）來進(jìn)行通信，因為無線電波能夠穿透大部分的室內(nèi)墻壁以及障礙物，所以WiFi可以提供更大的覆蓋范圍，給定位帶來便捷。室內(nèi)定位可以分成基站型（Network Based）和移動終端型（Mobile Terminal Based）兩大類?；拘褪怯筛鱾€基站接收移動終端上傳的信號，利用接收到的信號進(jìn)行定位；移動終端型是由移動終端利用各個基站下傳的信號做定位運算。其中上傳和下傳的信號可分為接收的信號強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）、信號到達(dá)的角度（Angle of

7、Arrival，AOA）、信號到達(dá)的時間（Time of Arrival，TOA）以及不同信號到達(dá)的時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）等。整個定位的流程圖 21所示。圖 21 室內(nèi)定位流程圖2.2 定位測距原理定位技術(shù)根據(jù)定位過程中采取方法的不同分為基于傳播過程的定位方法和基于其他輔助終端的定位方法7，這里主要介紹基于傳播過程的定位方法。1）基于信號傳播時間（Time of Arrival，TOA）TOA方法8主要測量無線信號在AP和移動終端之間的單程傳播時間或者收發(fā)一次的來回傳播時間1。前種方法要求AP或移動終端能夠記錄信號發(fā)出的準(zhǔn)確時間，并且對收終端的

8、鐘有著十分高的要求，這樣才能保證記錄時間的準(zhǔn)確性；而后者不要求兩個終端時間同步，是一種十分常見的測量傳播時間的方法，但同樣對時鐘的精確度有著十分高的要求。設(shè)無線電波從AP1傳播到移動終端所需時間為，其傳播速度為，那么移動終端必位于以AP1位置為圓心，為半徑的圓上。同理在AP2、AP3上進(jìn)行相同的計算，在理想情況下，三個圓交匯于一點，這個點就是移動終端所在位置，如圖 22所示。圖 22 TOA方法示意圖2）基于信號傳播的時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）TDOA方法1是通過檢測無線信號到達(dá)兩個AP的時間差來確定移動終端的位置，非常有效的降低了TOA測量時對發(fā)

9、射終端和接收終端時鐘同步的性能要求。采用三個不同的AP就可以得到兩個TDOA值，移動終端就位于兩個TDOA決定的雙曲線的交點上。如果有三個以上的AP，則可以得到多個雙曲線方程，如果傳播過程以及測量等都為理想情況，理論上這些雙曲線方程都會交于一點，而這點就是移動終端的位置。圖 23 TDOA方法示意圖3）基于信號到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）在基于信號到達(dá)角度AOA5的定位機(jī)制中，AP節(jié)點通過天線陣列或多個超聲波接收機(jī)感知來自待定節(jié)點信號的到達(dá)方向，計算接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點之間的相對角度或方向，再通過集合法則計算出節(jié)點的位置。AOA定位不僅能確定節(jié)點的坐標(biāo)，還能同時得知未知終

10、端的方位信息。但是測量到達(dá)角度通常需要定向天線，由于這個原因，它的應(yīng)用會帶來額外的成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，且易受外界環(huán)境的影響。4）基于接收信號強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）實驗表明，無線信號在傳播過程中遵循以下規(guī)律9：在AP發(fā)射功率一定的情況下，接收到的信號強(qiáng)度與收發(fā)雙方的距離成反比關(guān)系，距離越近，接收方收到的信號強(qiáng)度越強(qiáng)，反之則接收到的信號強(qiáng)度越弱。信號強(qiáng)度與發(fā)射端到接收端距離滿足以下公式： 式中，為接收到的信號強(qiáng)度；取決于發(fā)射功率、額外損耗和其他系統(tǒng)常數(shù)；為路徑損耗指數(shù)；為通信鏈路物理路徑長度，即發(fā)射端到接收端的距離。RSSI方法根據(jù)已

11、知的電波傳播模型，由移動終端測量來自幾個AP的信號強(qiáng)度值，利用三個或三個以上信號強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化成移動終端到已知基站的距離，來對移動終端進(jìn)行定位，一般通過3個AP就可以確定移動終端的位置。這種方法相對比較簡單，不需要額外的設(shè)備，但影響信號強(qiáng)度的因素較多，所以定位精度不甚理想，在定位精度要求不高的情況下可以使用。2.3 WiFi基礎(chǔ)知識WiFi是Wireless Fidelity（無線保真）的簡稱，俗稱無線帶寬，是一種能夠?qū)€人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，其有效范圍可以達(dá)到數(shù)百英尺，該技術(shù)使用IEEE802.11系列協(xié)議。圖 24 WLAN的組成元件IEEE802.

12、11所定義的無線網(wǎng)絡(luò)硬體架構(gòu)，主要由工作站、基站、無線介質(zhì)和傳輸系統(tǒng)等元件組成，如圖 24所示10。1）工作站（Station，STA）任何設(shè)備只要擁有IEEE802.11的MAC層和PHY層的接口，就可以稱為一個工作站。常見的工作站包括筆記本電腦、PDA和智能手機(jī)等，它們使用無線網(wǎng)絡(luò)的目的很簡單，即在沒有網(wǎng)線布置的條件下使用有線網(wǎng)絡(luò)的資源。2）基站（Access Point，AP）基站AP又稱為接入點，是具有無線至有線之間橋接功能的設(shè)備，其不僅具有工作站的功能，還提供工作站接入分布式系統(tǒng)的能力。除橋接外，還包括一些控制和管理的功能。3）無線介質(zhì)（Wireless Medium，WM）IEEE

13、802.11標(biāo)準(zhǔn)所使用的幀是以無線介質(zhì)的形式在工作站之間進(jìn)行傳遞的。無線介質(zhì)就是無線局域網(wǎng)物理層使用到的傳輸媒介。4）傳輸系統(tǒng)（Distribution System，DS）若要準(zhǔn)確定位移動設(shè)備的當(dāng)前位置，基站之間必須協(xié)調(diào)通信，因此為了擴(kuò)大無線的有效覆蓋范圍，就需要多個基站共同完成?；鹃g傳送幀的骨干網(wǎng)絡(luò)稱為傳輸系統(tǒng)，它屬于802.11的邏輯組件。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，WiFi無需布線，安裝和設(shè)置相當(dāng)簡單，非常適合移動辦公的應(yīng)用場景和家庭網(wǎng)絡(luò)的使用。由于其使用的2.4GHz ISM頻段尚屬無需許可證即可使用的無線頻段，極大了節(jié)約了使用成本。此外，WiFi還有覆蓋范圍廣、傳輸速度較高、穩(wěn)定性好和健

14、康安全等優(yōu)點。作為目前主流的無線接入技術(shù)，WiFi已經(jīng)被廣泛用于城市公共接入熱點、家庭網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)等場景，也將有越來越多的先進(jìn)技術(shù)融入其中，因此，WiFi也將具有更廣闊的發(fā)展前景。3 基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)基于信號強(qiáng)度（RSSI）的測距是一項低成本和低復(fù)雜度的距離測量技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于距離的定位技術(shù)中11。3.1 RSSI定位技術(shù)分類基于RSSI測量技術(shù)的定位系統(tǒng)主要有兩類定位方法，即位置指紋法和傳播模型法。圖 31 位置指紋法定位過程示意圖基于位置指紋的定位算法一般分為兩個階段：離線階段和在線階段，定位過程如圖 31所示12。離線階段主要建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，在定位區(qū)域

15、內(nèi)選取參考點，然后通過信號收集設(shè)備收集這些位置點上的射頻（Radio Frequency，RF）指紋。在線階段用戶通過移動終端采集AP的RSSI，通過位置指紋定位算法與位置指紋數(shù)據(jù)庫中的RF指紋進(jìn)行比對，經(jīng)處理最后得到定位用戶的位置。傳播模型法是指在已知環(huán)境中，通過接收到的信號強(qiáng)度結(jié)合該環(huán)境下信號傳播衰減模型，計算出移動設(shè)備到基站的距離，然后利用三邊測量法、雙曲線定位法、最小二乘法等定位算法，估計定位用戶的位置。與位置指紋法相比，該方法減少了對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的依賴，減少了建立位置指紋數(shù)據(jù)庫的工作量。雖然該方法精度較低，但是容易部署。3.2 典型的室內(nèi)傳播模型在自由空間中，距離發(fā)射機(jī) 處的接收功率可以

16、用著名的Friis公式來表示： 式中，代表基站發(fā)射功率，是發(fā)射端天線增益，是接收端天線增益，是傳輸波的波長，是接收端與發(fā)射端的距離，是系統(tǒng)損耗系數(shù)，隨環(huán)境障礙物的材質(zhì)改變而改變。等式中，距離未知外，其他參數(shù)都已知或可以測量得到，故可根據(jù)式求出距離。3.2.1 線性距離路徑損耗模型線性模型是一種常見模型，其假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境下路徑損耗（path loss）與傳輸距離成線性分布13，其表達(dá)式為 式中，為信道的衰減常數(shù)（單位：），為常數(shù)，為距離AP為的信號強(qiáng)度，單位是。3.2.2 對數(shù)距離路徑損耗模型理論和實驗研究表明，信道的大尺度衰落特性是服從對數(shù)正態(tài)分布的。無論是室內(nèi)還是室外環(huán)境，接收信號強(qiáng)度與信號

17、傳播距離之間的關(guān)系可以用對數(shù)路徑損耗模型14表示，表達(dá)式為 式中，是路徑損耗指數(shù)，與建筑物和周圍環(huán)境有關(guān)；是近地參考距離，一般??；是參考距離處的路徑損耗值；是滿足的正態(tài)隨機(jī)變量；是接收端與發(fā)射端的距離。表 31給出了不同建筑物的錯誤!未定義書簽。表 31 不同建筑物的路徑損耗系數(shù) 建筑物零售店2.2蔬菜店1.8辦公室，硬分隔3辦公室，軟分隔2.4辦公室，軟分割2.6室內(nèi)走廊33.2.3 衰減因子模型衰減因子模型15具有較強(qiáng)的靈活性，適用于同層或多層環(huán)境，又被稱為樓層衰減因子模型，模型公式為 式中，表示同層的路徑衰減系數(shù)。如果同層路徑損耗指數(shù)較精準(zhǔn)，則可通過加上衰減因子FAF（floor att

18、enuation factor）來獲得不同樓層的路徑損耗。FAF與環(huán)境和工作頻率有關(guān)。表 32給出了樓層衰減因子的經(jīng)驗值16。表 32 樓層衰減損耗值穿透樓層數(shù)123FAF(dB)1621.223.4(dB)3.44.02.3對于多層的建筑物，其室內(nèi)路徑損耗還可以表示為自由空間損耗附加上損耗因子，并隨距離增長成指數(shù)變化關(guān)系。 3.2.4 MK模型MK模型考慮了信號在室內(nèi)傳播過程中遇到墻壁和地板產(chǎn)生衰減的情況，衰減模型可以表示為 式中，表示距離發(fā)射節(jié)點處的傳播損耗值，和表示發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間墻壁和地板的個數(shù)，和表示墻壁和地板的損耗指數(shù)。3.3 基于模型的定位算法基于傳播模型的定位算法有很多，

19、多數(shù)都是針對平面定位系統(tǒng)的設(shè)計。最基本的定位算法有三邊定位法、雙曲線定位法和最小二乘法等。3.3.1 三邊測量法假設(shè)圖 32中，點1、2和3分別為AP1、AP2和AP3，對應(yīng)的坐標(biāo)分別為、和。黑色點為用戶測量信號的位置，即，測量到各個AP的距離為、和。根據(jù)幾何關(guān)系可知： 由式得到用戶坐標(biāo)為： 圖 32 三邊測量法示意圖3.3.2 雙曲線定位法· 在基于信號傳播時間差（TDOA）的測距方法中提到，兩組雙曲線可以確定一個點，如圖 33所示。· 假設(shè)用戶坐標(biāo)為，三個信標(biāo)節(jié)點A、B和C的位置坐標(biāo)是已知的，分別為、和。用戶位置到各個信標(biāo)節(jié)點的距離分別為、和。根據(jù)幾何關(guān)系可知：

20、83; 且 · 由以上公式和可以得到兩個解，即雙曲線的兩個交點，其中一個為點P的坐標(biāo)，另一個需要結(jié)合先驗知識來排除。圖 33 雙曲線定位法示意圖3.3.3 最小二乘法當(dāng)室內(nèi)環(huán)境下設(shè)置3個或3個以上AP時，設(shè)用戶測量信號的位置為點各個AP的坐標(biāo)分別為，點P到各個AP 的距離分別為，則可建立方程組： 分別用第1到n-1個方程減去第n個方程，可得： 記上式為 其中，。根據(jù)最小二乘原理，如果非奇異，解x得： 4 總結(jié)報告簡要介紹了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展背景和相關(guān)理論，包括定位技術(shù)簡介、定位測距原理和WiFi基礎(chǔ)知識；重點介紹了基于RSSI的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)，并給出了其典型的室內(nèi)傳播模型和常見

21、的基于模型的定位算法。參考文獻(xiàn) 潘立波. 基于WIFI技術(shù)的無線定位算法研究與實現(xiàn)D. 浙江大學(xué), 2013.2 姜莉. 基于WiFi室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究D. 大連理工大學(xué), 2010.3 汪苑, 林錦國. 幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討J. 中國儀器儀表, 2011, 02期:54-57. 4 潘立波. 基于WIFI技術(shù)的無線定位算法研究與實現(xiàn)D. 浙江大學(xué), 2013.5 顏俊杰. 基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)研究D. 華南理工大學(xué), 2013.6 Noh A S I, Lee W J, Ye J Y. Comparison of the mechanisms of the ZigBee

22、9;s indoor localization algorithmC/Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing, 2008. SNPD'08. Ninth ACIS International Conference on. IEEE, 2008: 13-18.7 林雪原, 何友, 史佩. 利用二星TDOA和FDOA測量及輔助高度信息對地面目標(biāo)的定位算法及精度分析J. 空間科學(xué)學(xué)報, 2006, 04期(9):277-281. 8 Cong L, Zhuang W. Hybrid TDOA/AOA mobile user location for wideband CDMA cellular systemsJ. Wireless Communications, IEEE Transactions on