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)學院：學號：姓名：2015年11月目錄1背景錯誤!未定義書簽2至內(nèi)疋位技術(shù)相關(guān)理論錯誤!未疋乂書簽定位技術(shù)簡介錯誤!未定義書簽定位測距原理錯誤!未定義書簽WiFi基礎知識錯誤!未定義書簽3基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)錯誤!未定義書簽RSSI定位技術(shù)分類 錯誤!未定義書簽典型的室內(nèi)傳播模型錯誤!未定義書簽線性距離路徑損耗模型.錯誤!未定義書簽對數(shù)距離路徑損耗模型.錯誤!未定義書簽衰減因子模型錯誤!未定義書簽MK模型錯誤!未定義書簽基于模型的定位算法錯誤!未定義書簽三邊測量法錯誤!未定義書簽雙曲線定位法 錯誤!未定義書簽最小一乘法 錯誤!未定義書簽4總結(jié)

2、錯誤!未定義書簽參考文獻錯誤!未定義書簽oooooooooooooooooo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（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、廣告服務、旅游、購物、公共安全服務等諸多領(lǐng)域得 到廣泛應用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 導航衛(wèi)星系

3、統(tǒng)（Global Navigation Satellite System ，GNSS,室外定位技術(shù) 已經(jīng)相當成熟，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、 交通、測繪、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應用。 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，室內(nèi)定位的需求變得日益強烈。衛(wèi)星信號不能穿透建筑物，并且在障礙物遮擋較為嚴重 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

4、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之間可視， 這使得光跟蹤技術(shù)的應用受到很多限制。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)機搜索延遲碼，需要在手機內(nèi)集成GPS接收機，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，定位精度可達厘米級，精度較高，但容易受到反射、透射、 繞射等多徑效應的影響，且成本較高 。藍牙技術(shù)所需的設備體積小，易于集成 在PDA PC以及手機中，但它在復雜的環(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、

5、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?，F(xiàn)在的筆記本電腦、PDA和智能手機等移動設備都支持 WiFi介入技術(shù)，而 且WiFi網(wǎng)絡的接入點分布于餐廳、賓館、機場、學校、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系的中的具體位置。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

6、內(nèi)環(huán)境下確定某一時刻移動終端在某種參考坐標系中的具體位置。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，AR類似無線通信網(wǎng)絡中的基站，在定位中發(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 Freque ncy)來進行通信， 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 信號進行定位；

7、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度(Received Sig nal Stre ngthIndication ，RSSI)、信號到達的角度(Angle of Arrival，AOA、信號到達的時間(Time of Arrival ，TOA以及不同信號到達的時間差(Time Differenee of Arrival ，TDOA等。整個定位的流程 錯誤!未找到引用源。所示。RF信號TOAAOATDOA RSSI 位置坐標(x,y,z )訃接收機I /$定位算法一:位置顯示f接收機 一圖2-1室內(nèi)定位流程圖2.2 定位測距原理定位技術(shù)根

8、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，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 ，TOATOA方法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。前種方法要求AP或移動終端能夠記錄信號發(fā)出的準 確時間，并且對收終端的鐘有著十分高的要求，這樣才能保證記錄時間的準確性； 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。設無線電波從AP1傳播到移動終端所需時間為t，其傳播速度為c，那么移 動終端必位于以 AP1位置

9、為圓心，t*c為半徑的圓上。同理在 AP2 AP3上進行 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， 如錯誤!未找到引用源。所示。圖2-2 TOA方法示意圖2）基于信號傳播的時間差（Time Differenee of Arrival，TDOATDOA方法是通過檢測無線信號到達兩個 AP的時間差來確定移動終端的位置，非常有效的降低了 TOAM量時對發(fā)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TDOAS，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

10、，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2-3 TDOA方法示意圖3）基于信號到達角度（Angle of Arrival ，AOA在基于信號到達角度AOA的定位機制中，AP節(jié)點通過天線陣列或多個超聲 波接收機感知來自待定節(jié)點信號的到達方向， 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，還能同時得知未知終端的方位信息。但是測量到達角度通常需要定向天線， 由于這個原因，它的應用會帶來額外的成本和系統(tǒng)復雜度，且易受外界環(huán)境的影 響。4）基于接收信號強度（Received Signal Strength In

11、dication，RSSI）實驗表明，無線信號在傳播過程中遵循以下規(guī)律 ：在AP發(fā)射功率一定的 情況下，接收到的信號強度與收發(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度越強，反之則接收到的信號強度越弱。信號強度與發(fā)射端到接收端 距離滿足以下公式：p 10 lg d（2.1）式（2.1）中，p為接收到的信號強度；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)；d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)已知的電波傳播模型，由移動終端測量來自幾個 AP的信號強 度值，利用三個或三個以上信號強度值轉(zhuǎn)化成移動終端到已知基站的距離， 來對 移動終端進行定位，一

12、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，不需要額外的設備，但影響信號強度的因素較多， 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、手持設備（如 PDA手機）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)， 其有效范圍可以達到數(shù)百英尺，該技術(shù)使用系列協(xié)議。圖2-4 WLAN的組成元件所定義的無線網(wǎng)絡硬體架構(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，如錯誤!未找到引用源。所示10。1）工作站（Station ， STA任何設備只要擁有的M

13、AC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和智能手機等，它們使用無線網(wǎng)絡的目的很簡單，即在沒有網(wǎng)線布置的條件下使用有線網(wǎng)絡的資源。2）基站（Access Point , AR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標準所使用的幀是以無線介質(zhì)的形式在工作站之間進行傳遞的。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若要準確定位移動設

14、備的當前位置， 基站之間必須協(xié)調(diào)通信，因此為了擴大 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)絡稱為 傳輸系統(tǒng)，它屬于的邏輯組件。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡相比，WiFi無需布線，安裝和設置相當簡單，非常適合移 動辦公的應用場景和家庭網(wǎng)絡的使用。由于其使用的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)絡和辦公網(wǎng)絡等場景，也將有越來越多的先進技術(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)

15、基于信號強度(RSSI)的測距是一項低成本和低復雜度的距離測量技術(shù)，被廣泛應用于無線傳感器網(wǎng)絡基于距離的定位技術(shù)中11。3.1RSSI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3-1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，定位過程如錯誤!未找到引用源。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)域內(nèi)選取參考點，然后通過信號收集設備收集這些位置點上的射頻(RadioFrequency，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指紋進行比

16、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度結(jié)合該環(huán)境下信號傳 播衰減模型，計算出移動設備到基站的距離，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d處的接收功率可以用著名的Friis公式來表示：Pr dRGtGr 242d2L(3.1)式中，Pt代表基站發(fā)射功率，G是發(fā)射端天線增益，Gr是接收端天線增益，是傳輸波的波長，d是接收端與發(fā)射端的距離，L是系統(tǒng)

17、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 d未知外，其他參數(shù)都已知或可以測量得到， 故可根據(jù)式(3.1)求出距離d。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，其表達式為L d d l0(3.2)式中，為信道的衰減常數(shù)(單位：dB/m)，lo為常數(shù)，L d為距離AP為的信號強度，單位是dBm。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，接收信號強度與信號傳播距離之間的關(guān)系可以用對數(shù)路徑 損耗模型網(wǎng)表示，表達式為plPL d

18、 PL d010n log X(3.3)d。式中，n是路徑損耗指數(shù)，與建筑物和周圍環(huán)境有關(guān)；do是近地參考距離，一般取1m ； PL do是參考距離do處的路徑損耗值；X是滿足N , 2的正態(tài)隨機 變量；d是接收端與發(fā)射端的距離。錯誤!未找到引用源。給出了不同建筑物的n錯 誤!未定義書簽。表3-1不同建筑物的路徑損耗系數(shù)n建筑物n零售店蔬菜店辦公室，硬分隔3辦公室，軟分隔辦公室，軟分割室內(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plPL d PL d010nSFlog FAF X(3.4)d。式中，nsF表示同層

19、的路徑衰減系數(shù)。如果同層路徑損耗指數(shù)較精準，則可通過加上衰減因子FAF (floor attenuation 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)。錯誤!未找到引用源。給出了樓層衰減因子的經(jīng)驗 值16。表3-2樓層衰減損耗值穿透樓層數(shù)123FAF(dB)16(dB)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。plPL d PL d0 20log d FAF(3.5)d。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(3.6)PL d PL do 10

20、nlog dNwLw NfLf式中，PL d0表示距離發(fā)射節(jié)點1m處的傳播損耗值，Nw和Nf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)，Lw和Lf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，多數(shù)都是針對平面定位系統(tǒng)的設計。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錯誤味找到引用源。中，點1、2和3分別為API AP2和AP3對應的坐標分別為 為，葉、X2,y2和X3,y3。黑色點為用戶測量信號的位置，即x,y，測量到各個AP的距離為di、d2和d3。根據(jù)幾何關(guān)系可知：22 2XX1yyd1X2X2y2Y2d；(3.7

21、)22.2XX3yy3d3由式(3.7)得到用戶坐標為：1 2222.2.2X1x1X3 y1y3X1X3y1y3d1d3(3.8)y 2 X2X3 y2y32X22X32y22y3d；da圖3-2三邊測量法示意圖3.3.2雙曲線定位法丨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，如錯誤!未找到引用源。所示I丨假設用戶坐標為P x, y，三個信標節(jié)點A B和C的位置坐標是已知的,分別為捲,比、X2,y2和X3, y3。用戶位置到各個信標節(jié)點的距離分別為di、d2和d3。根據(jù)幾何關(guān)系可知:di為 x $yi2y , i 1,2,3L(3.9)且22(3.1o)d1

22、d2d3 d2由以上公式(3.9)和(3.10)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，另一個需要結(jié)合先驗知識來排除。圖3-3雙曲線定位法示意圖當室內(nèi)環(huán)境下設置3個或3個以上AP時，設用戶測量信號的位置為點3.3.3最小二乘法P x0,y0各個AP的坐標分別為R x1,y1 , F2 x2,y2 ,L F3 xn,yn，點P到各個AP的距離分別為d1， d2，dn，則可建立方程組:X1yo2y1d12XoX；yo2y；(3.11)XoXnyo2yndn分別用第1到n-1個萬程減去第n個萬程，可得:d12dn2X12y12Xn2yn2d；dn2X22y22Xn2yn2M.2.

23、22222d n 1dnXn 1Yn1Xnyn記上式為Ax其中，2 XnX12Yny12 XnX22yny2AXMM2 XnXn 12 yn yn 1XnX1Xo2yny1YoXnX2Xo2yny2yo(3.12)2 XnXn 1 Xo 2 yny“ 1y。b(3.13)222222XnX1yny1d1dnXo2b Xn ，b2X22yn2y2d；dn。yoM222 22 2XnXn 1ynyn1dn 1 dn根據(jù)最小二乘原理，如果 AAt非奇異，解x得：xAtA 1 ATb(3.14)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基礎知識；

24、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)傳播模型和常見的基于模型的定位算法。參考文獻潘立波基于WIFI技術(shù)的無線定位算法研究與實現(xiàn)D.浙江大學，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,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，2013. 顏俊杰.基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)研究D.華南理工大學，2013.6 Noh A S I, Lee W J, Ye J Y. Comparison of the mecha nisms of the ZigBees in doorlocalization algorithmCSNPD08. Ninth ACIS In ternatio nalCo nference 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