基于WIFI的室内定位关键技术.doc

《无线定位技术》课程报告

基于WIFI室内定位技术

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11月

目录
1 背景 1
2 室内定位技术相关理论 3
2.1 定位技术简介 3
2.2 定位测距原理 4
2.3 WiFi基础知识 6
3 基于RSSI的室内定位技术 8
3.1 RSSI定位技术分类 8
3.2 典型的室内传播模型 9
3.2.1 线性距离路径损耗模型 9
32.2 对数距离路径损耗模型 9
3.2.3 衰减因子模型 10
3.2.4 MK模型 11
3.3 基于模型的定位算法 11
3.3.1 三边测量法 11
3.3.2 双曲线定位法 12
3.3.3 最小二乘法 13
4 总结 15
参考文献 16

基于WIFI室内定位技术研究

1 背景
时间和空间是人们生活、生产基本要素，人们一切活动都离不开时间和空间。随着无线通信技术发展和人们生活水平提高，基于位置服务（Location-Based Service，LBS）需求量不断增长，发展迅速，受到人们广泛关注，并且在社交网络、广告服务、旅游、购物、公共安全服务等诸多领域得到广泛应用[1]。
依照定位环境不同，无线定位技术大体可分为室外定位和室内定位两大类。以美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）为代表全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），室外定位技术已经相称成熟，可靠性好、精度高，给室外定位带来了极大便利，并且在军事、交通、测绘、环境监测等领域得到广泛应用。然而人们寻常生活大某些时间都在室内活动，人们已经不再满足于只能在室外享有基于位置信息服务，室内定位需求变得日益强烈。卫星信号不能穿透建筑物，并且在障碍物遮挡较为严重状况下，卫星定位系统无法给出可靠定位成果甚至无法定位。因而，全球导航卫星系统不能满足人们室内定位需求，于是室内定位技术应运而生。
当前室内定位技术重要有光跟踪定位技术、A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术和WiFi技术等。光跟踪定位技术规定探测器和跟踪目的之间可视，这使得光跟踪技术应用受到诸多限制。A-GPS定位技术通过延长每个码延迟时间来提高信号敏捷度，需要通过有关机搜索延迟码，需要在手机内集成GPS接受机，这就决定了A-GPS定位技术使用范畴局限性[2]。超声波定位当前大多数采用反射式测距法，定位精度可达厘米级，精度较高，但容易受到反射、透射、绕射等多径效应影响，且成本较高[3]。蓝牙技术所需设备体积小，易于集成在PDA、PC以及手机中，但它在复杂环境中稳定性差，覆盖范畴小。WiFi技术是一种新型信息获取技术，具备覆盖范畴广、传播速度快、成本较低、易于安装、稳定性高等特点，各大媒体争先报道，有甚至称WiFi将是室内定位最佳选取[4,5]。
当前笔记本电脑、PDA和智能手机等移动设备都支持WiFi介入技术，并且WiFi网络接入点分布于餐厅、宾馆、机场、学校、医院和个人家庭等各种不同场合。在寻常生活中，可以说WiFi无处不在。因而，将WiFi技术应用于定位领域，具备较好发展前景。

2 室内定位技术有关理论
2.1 定位技术简介
定位技术是指在某环境下拟定某一时刻待定位移动终端在某种参照坐标系中详细位置[6]。当前最流行就是GNSS，但其需要在相对地区较为空旷、高层建筑不多地方才干精准定位，室内定位当前无法使用。室内定位技术就是指在室内环境下拟定某一时刻移动终端在某种参照坐标系中详细位置。在室内环境下，大多都采用无线局域网（WLAN）来预计接受终端位置，无线局域网中接入点（Access Point，AP）类似无线通信网络中基站，在定位中发挥重要作用。几乎所有无线局域网都使用射频信号（Radio Frequency）来进行通信，由于无线电波可以穿透大某些室内墙壁以及障碍物，因此WiFi可以提供更大覆盖范畴，给定位带来便捷。
室内定位可以提成基站型（Network Based）和移动终端型（Mobile Terminal Based）两大类。基站型是由各个基站接受移动终端上传信号，运用接受到信号进行定位；移动终端型是由移动终端运用各个基站下传信号做定位运算。其中上传和下传信号可分为接受信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）、信号到达角度（Angle of Arrival，AOA）、信号到达时间（Time of Arrival，TOA）以及不同信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）等。整个定位流程Error! Reference source not found.所示。

图 21 室内定位流程图
2.2 定位测距原理
定位技术依照定位过程中采用办法不同分为基于传播过程定位办法和基于其她辅助终端定位办法[7]，这里重要简介基于传播过程定位办法。
1）基于信号传播时间（Time of Arrival，TOA）
TOA办法[8]重要测量无线信号在AP和移动终端之间单程传播时间或者收发一次来回传播时间[1]。前种办法规定AP或移动终端可以记录信号发出精确时间，并且对收终端钟有着十分高规定，这样才干保证记录时间精确性；而后者不规定两个终端时间同步，是一种十分常用测量传播时间办法，但同样对时钟精准度有着十分高规定。
设无线电波从AP1传播到移动终端所需时间为，其传播速度为，那么移动终端必位于以AP1位置为圆心，为半径圆上。同理在AP2、AP3上进行相似计算，在抱负状况下，三个圆交汇于一点，这个点就是移动终端所在位置，如Error! Reference source not found.所示。

图 22 TOA办法示意图
2）基于信号传播时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）
TDOA办法[1]是通过检测无线信号到达两个AP时间差来拟定移动终端位置，非常有效减少了TOA测量时对发射终端和接受终端时钟同步性能规定。采用三个不同AP就可以得到两个TDOA值，移动终端就位于两个TDOA决定双曲线交点上。如果有三个以上AP，则可以得到各种双曲线方程，如果传播过程以及测量等都为抱负状况，理论上这些双曲线方程都会交于一点，而这点就是移动终端位置。

图 23 TDOA办法示意图
3）基于信号到达角度（Angle of Arrival，AOA）
在基于信号到达角度AOA[5]定位机制中，AP节点通过天线阵列或各种超声波接受机感知来自待定节点信号到达方向，计算接受节点和发射节点之间相对角度或方向，再通过集合法则计算出节点位置。AOA定位不但能拟定节点坐标，还能同步得知未知终端方位信息。但是测量到达角度普通需要定向天线，由于这个因素，它应用会带来额外成本和系统复杂度，且易受外界环境影响。
4）基于接受信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）
实验表白，无线信号在传播过程中遵循如下规律[9]：在AP发射功率一定状况下，接受到信号强度与收发双方距离成反比关系，距离越近，接受方收到信号强度越强，反之则接受到信号强度越弱。信号强度与发射端到接受端距离满足如下公式：
(2.1)
式中，为接受到信号强度；取决于发射功率、额外损耗和其她系统常数；为途径损耗指数；为通信链路物理途径长度，即发射端到接受端距离。
RSSI办法依照已知电波传播模型，由移动终端测量来自几种AP信号强度值，运用三个或三个以上信号强度值转化成移动终端到已知基站距离，来对移动终端进行定位，普通通过3个AP就可以拟定移动终端位置。
这种办法相对比较简朴，不需要额外设备，但影响信号强度因素较多，因此定位精度不甚抱负，在定位精度规定不高状况下可以使用。
2.3 WiFi基本知识
WiFi是Wireless Fidelity（无线保真）简称，俗称无线带宽，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接技术，其有效范畴可以达到数百英尺，该技术使用IEEE802.11系列合同。

图 24 WLAN构成元件
IEEE802.11所定义无线网络硬体架构，重要由工作站、基站、无线介质和传播系统等元件构成，如Error! Reference source not found.所示[10]。
1）工作站（Station，STA）
任何设备只要拥有IEEE802.11MAC层和PHY层接口，就可以称为一种工作站。常用工作站涉及笔记本电脑、PDA和智能手机等，它们使用无线网络目很简朴，即在没有网线布置条件下使用有线网络资源。
2）基站（Access Point，AP）
基站AP又称为接入点，是具备无线至有线之间桥接功能设备，其不但具备工作站功能，还提供工作站接入分布式系统能力。除桥接外，还涉及某些控制和管理功能。
3）无线介质（Wireless Medium，WM）
IEEE802.11原则所使用帧是以无线介质形式在工作站之间进行传递。无线介质就是无线局域网物理层使用到传播媒介。
4）传播系统（Distribution System，DS）
若要准拟定位移动设备当前位置，基站之间必要协调通信，因而为了扩大无线有效覆盖范畴，就需要各种基站共同完毕。基站间传送帧骨干网络称为传播系统，它属于802.11逻辑组件。
与老式有线网络相比，WiFi无需布线，安装和设立相称简朴，非常适合移动办公应用场景和家庭网络使用。由于其使用2.4GHz ISM频段尚属无需允许证即可使用无线频段，极大了节约了使用成本。此外，WiFi尚有覆盖范畴广、传播速度较高、稳定性好和健康安全等长处。
作为当前主流无线接入技术，WiFi已经被广泛用于都市公共接入热点、家庭网络和办公网络等场景，也将有越来越多先进技术融入其中，因而，WiFi也将具备更辽阔发展前景。

3 基于RSSI室内定位技术
基于信号强度（RSSI）测距是一项低成本和低复杂度距离测量技术，被广泛应用于无线传感器网络基于距离定位技术中[11]。
3.1 RSSI定位技术分类
基于RSSI测量技术定位系统重要有两类定位办法，即位置指纹法和传播模型法。

图 31 位置指纹法定位过程示意图
基于位置指纹定位算法普通分为两个阶段：离线阶段和在线阶段，定位过程如Error! Reference source not found.所示[12]。离线阶段重要建立位置指纹数据库，在定位区域内选用参照点，然后通过信号收集设备收集这些位置点上射频（Radio Frequency，RF）指纹。在线阶段顾客通过移动终端采集APRSSI，通过位置指纹定位算法与位置指纹数据库中RF指纹进行比对，经解决最后得到定位顾客位置。
传播模型法是指在已知环境中，通过接受到信号强度结合该环境下信号传播衰减模型，计算出移动设备到基站距离，然后运用三边测量法、双曲线定位法、最小二乘法等定位算法，预计定位顾客位置。与位置指纹法相比，该办法减少了对经验数据依赖，减少了建立位置指纹数据库工作量。虽然该办法精度较低，但是容易布置。
3.2 典型室内传播模型
在自由空间中，距离发射机 处接受功率可以用知名Friis公式来表达：
(3.1)
式中，代表基站发射功率，是发射端天线增益，是接受端天线增益，是传播波波长，是接受端与发射端距离，是系统损耗系数，随环境障碍物材质变化而变化。等式中，距离未知外，其她参数都已知或可以测量得到，故可依照式求出距离。
3.2.1 线性距离途径损耗模型
线性模型是一种常用模型，其假设在室内环境下途径损耗（path loss）与传播距离成线性分布[13]，其表达式为
(3.2)
式中，为信道衰减常数（单位：），为常数，为距离AP为信号强度，单位是。
3.2.2 对数距离途径损耗模型
理论和实验研究表白，信道大尺度衰落特性是服从对数正态分布。无论是室内还是室外环境，接受信号强度与信号传播距离之间关系可以用对数途径损耗模型[14]表达，表达式为
(3.3)
式中，是途径损耗指数，与建筑物和周边环境关于；是近地参照距离，普通取；是参照距离处途径损耗值；是满足正态随机变量；是接受端与发射端距离。Error! Reference source not found.给出了不同建筑物[Error! Bookmark not defined.]。
表 31 不同建筑物途径损耗系数
建筑物

零售店
2.2
蔬菜店
1.8
办公室，硬分隔
3
办公室，软分隔
2.4
办公室，软分割
2.6
室内走廊
3
3.2.3 衰减因子模型
衰减因子模型[15]具备较强灵活性，合用于同层或多层环境，又被称为楼层衰减因子模型，模型公式为
(3.4)
式中，表达同层途径衰减系数。如果同层途径损耗指数较精准，则可通过加上衰减因子FAF（floor attenuation factor）来获得不同楼层途径损耗。FAF与环境和工作频率关于。Error! Reference source not found.给出了楼层衰减因子经验值[16]。
表 32 楼层衰减损耗值
穿透楼层数
1
2
3
FAF(dB)
16
21.2
23.4
(dB)
3.4
4.0
2.3
对于多层建筑物，其室内途径损耗还可以表达为自由空间损耗附加上损耗因子，并随距离增长成指数变化关系。
(3.5)
3.2.4 MK模型
MK模型考虑了信号在室内传播过程中遇到墙壁和地板产生衰减状况，衰减模型可以表达为
(3.6)
式中，表达距离发射节点处传播损耗值，和表达发射节点与接受节点之间墙壁和地板个数，和表达墙壁和地板损耗指数。
3.3 基于模型定位算法
基于传播模型定位算法有诸多，多数都是针对平面定位系统设计。最基本定位算法有三边定位法、双曲线定位法和最小二乘法等。
3.3.1 三边测量法
假设Error! Reference source not found.中，点1、2和3分别为AP1、AP2和AP3，相应坐标分别为、和。黑色点为顾客测量信号位置，即，测量到各个AP距离为、和。依照几何关系可知：
(3.7)
由式得到顾客坐标为：
(3.8)

图 32 三边测量法示意图
3.3.2 双曲线定位法
· 在基于信号传播时间差（TDOA）测距办法中提到，两组双曲线可以拟定一种点，如Error! Reference source not found.所示。
· 假设顾客坐标为，三个信标节点A、B和C位置坐标是已知，分别为、和。顾客位置到各个信标节点距离分别为、和。依照几何关系可知：
(3.9)
· 且
(3.10)
· 由以上公式和可以得到两个解，即双曲线两个交点，其中一种为点P坐标，另一种需要结合先验知识来排除。

图 33 双曲线定位法示意图
3.3.3 最小二乘法
当室内环境下设立3个或3个以上AP时，设顾客测量信号位置为点各个AP坐标分别为，点P到各个AP 距离分别为，，…，则可建立方程组：
(3.11)
分别用第1到n-1个方程减去第n个方程，可得：
(3.12)
记上式为
(3.13)
其中，
，，。
依照最小二乘原理，如果非奇异，解x得：
(3.14)

4 总结
报告简要简介了室内定位技术发展背景和有关理论，涉及定位技术简介、定位测距原理和WiFi基本知识；重点简介了基于RSSIWiFi室内定位技术，并给出了其典型室内传播模型和常用基于模型定位算法。

参照文献
[] 潘立波. 基于WIFI技术无线定位算法研究与实现[D]. 浙江大学，.
[2] 姜莉. 基于WiFi室内定位核心技术研究[D]. 大连理工大学，.
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