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1、羅家興劉偉偉成意（以下部分羅家興譯）WiFi定位中特定位置的RSS簽名模型摘要使用接收信號強度（RSS）簽名的室內(nèi)外WiFi定位的一些技術已經(jīng)發(fā)布。很少有已經(jīng)進行的工作來描繪這些WiFi定位技術使用的RSS簽名的特性或評估當前信道模型的精確度來表示簽名。由于沒有簽名的準確描述和模型，因此需要大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫來評估WiFi定位技術的性能。本文的目的是描述RSS簽名的特性并提出了一種新的墻斷點模型用于WiFi定位仿真中消除大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的需求。本文給出了從伍斯特理工學院測量的RSS簽名的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫,描繪了WiFi定位中使用的RSS簽名的特性，評估了當前WiFi信道模型的性能，并提出了一種新穎的墻斷

2、點模型,利用特定位置的信息提供一個經(jīng)驗的RSS簽名的緊密擬合。從RSS簽名的描述中，可以觀察到RRS簽名的特性依賴于接入點的位置，伴隨著應歸于陰影衰落的建筑。本文提出的模型通過增加一個動態(tài)特定位置的墻斷點說明建筑內(nèi)AP位置并考慮到室外路徑損耗環(huán)境下固有的仿真來改進更簡單的WiFi信道模型。關鍵詞：信道模型，定位，WiFiI引言使用接收信號強度（RSS）的WiFi定位引起人們的注意，以補充全球定位系統(tǒng)（GPS）,市區(qū)室內(nèi)外的GPS不能令人滿意12。WiFi接入點（APs）和移動WiFi設備的增多催生了許多新的應用程序，使用WiFi用于連通和定位。室內(nèi)定位中WiFi定位首先有Bahl提出°

3、;Bahl的理論是利用WiFi設備增多和WiFiAPs的規(guī)模應用的優(yōu)勢。Bahl為Roos的工作奠定了基礎，使用概率的方法增加了室內(nèi)定位的精確度4。基于這些工作，公司提供的定位服務已經(jīng)成功地使室內(nèi)WiFi定位商業(yè)化2。隨著WiFiAPS的部署和WiFi移動設備的普遍存在，適合于室外環(huán)境的WiFi定位變得可行。對于室外區(qū)域，同室內(nèi)技術一樣收集大量校準數(shù)據(jù)是不可行的。Place實驗室通過使用概率算法克服了這一障礙，只要求稀少的校準數(shù)據(jù)5。室外定位算法中使用的WiFi定位技術是基于RSS簽名5,6。對于一個給定AP的RSS簽名包含一系列特定測量路徑的信號檢測。為了提供定位，將移動設備檢測到的AP的R

4、SS簽名與使用各種算法位置標記的RSS簽名的大型數(shù)據(jù)庫進行比較。RSS指紋數(shù)據(jù)庫是通過高代價的和耗時的沿街掃描收集的。沿街掃描包括有系統(tǒng)地乘車穿過所有要執(zhí)行WiFi定位的區(qū)域來收集每個檢測到的AP位置標記的RSS測量結(jié)果。為了測試室外定位應用和算法的性能，需要龐大的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫或仿真中使用的精確的信道模型。收集大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)的時間和成本密集7。因此，首選精確的信道模型，但是使用一個模型準確地描述信道特性是重要的。精度是重要的，因為已經(jīng)表明物理層特征的效果影響算法的性能甚至能影響性能評估中算法的排名。迄今為止，沒有完成用于仿真室外WiFi定位的應用與算法的RSS簽名的WiFi信道模型的精度的評估。

5、本文的目的是描繪WiFi定位中使用的RSS簽名的特性并提出了一種墻斷點信道模型。本文的目標是考慮到使用信道模型的WiFi定位的發(fā)展和評估并消除大型和高代價的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的需求。本文的其余部分組織如下。章節(jié)II描述了100261位置標記的RSS測量結(jié)果的大型經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫和使用數(shù)據(jù)庫的RRS簽名的特性。章節(jié)III描述了提出的新穎的墻斷點模型，使用谷歌地球中現(xiàn)成的特定位置的地形數(shù)據(jù)說明有建筑的AP的位置。章節(jié)IV使用二進制假設測試定義一個性能指標評估目前的WiFi信道模型和對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的新型墻斷點模型并討論結(jié)果。章節(jié)V給出了結(jié)論并進行總結(jié)。II校園環(huán)境內(nèi)RSS簽名的特性本節(jié)詳細說明描繪校園環(huán)境中WiFiR

6、SS簽名特性的成就。為了進行描述，使用馬薩諸塞州，伍斯特，伍斯特理工學院（WPI）的測量結(jié)果建立了位置標記的RSS測量結(jié)果的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。之所以選擇WPI校園，是因為這里以WiFiAP基礎設備是已知的。然后在谷歌地球上描繪RSS數(shù)據(jù)，使生成RSS簽名環(huán)境中的RSS簽名位于一處，用于分析。A經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫描述考慮到RSS簽名的特性，需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)的主要基地。為了滿足這一需求，建立了一個廣泛的RSS測量結(jié)果的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由100261位置標記的RSS測量結(jié)果組成，從超過6452米WPI校園內(nèi)即周邊的13棟建筑的48個AP測量得到。使用標準的常用的WiFi網(wǎng)卡用于RSS測量和一個GPS單元用于精確位置信

7、息收集數(shù)據(jù)。測量是在穩(wěn)定速度的步行中進行的。選擇WPI校園有幾個原因：有高度集中的AP，AP的位置已知，適合移動WiFi用戶的場景。高度集中的AP是城市地區(qū)的代表，這里WiFi定位最有效。對于信道模型知道AP的位置是必須，在章節(jié)3描述，要求知道AP到測量點的距離。該校園適合移動WiFi場景是因為這里有可供測量的路徑，WiFi使用者常去的接到和人行道，并且有高度集中的周圍建筑物內(nèi)的AP。圖1顯示了收集數(shù)據(jù)時的路徑和AP位置。圖1數(shù)據(jù)庫AP位置和測量路徑（以下部分劉偉偉譯）RSS特征由不同長度的連通部分組成，沿測量路徑的相鄰樣本將連通的部分作為AP點的信號檢測。圖二展示了7個AP點RSS特0征的連

8、通部分，連通部分是WIFI定位算法中的主要參數(shù)。圖三描繪了第5個AP的環(huán)繞建筑物的RSS特征。CM0SSICLs<nDC-3-100wd<jossocSdVjossoc9d<ossoc卜dtoSSHFigiue2.ConnectivitysegmentsoftheRSSsignaturesaroiuidAK8d<oSSOC圖2中，僅僅展示了放置AP一側(cè)的建筑物RSS特征。在建筑物的另一側(cè)即使是與AP相同距離的測量路徑也是沒有特征的。特征的缺乏是由建筑物引起的陰影衰落所導致的，這與建筑物內(nèi)的AP位置直接相關。為了更好的理解這個關系，RSS特征檢測在AP和接收點與AP與建筑

9、物邊緣之間進數(shù)據(jù)清晰的顯示，建筑物內(nèi)AP的位置對特定點的信號檢測有重要的影響。比如，在24和192抽樣點都距離AP有50米遠。在24抽樣點處，檢測到AP點的信號，而在192抽樣點處卻沒有檢測到。這是因為在24抽樣點處只有16米的建筑物需要穿過，而在192抽樣點處卻有37米的建筑物需要穿過。基于這些觀察，用信道模型來解釋室內(nèi)AP點的位置以準確衡量室內(nèi)陰影衰落是非常重要的。為了表征RSS特征的連通部分長度的分布，用三種分布函數(shù)來匹配RSS特征連通長度的累積分布函數(shù)。三種函數(shù)分別是指數(shù)型、對數(shù)型和瑞利型。指數(shù)型是用來描述隨機事件分布，對數(shù)型用來描述RSS測量值大尺度衰落，最后瑞利型分布用來描述測量值

10、的小尺度衰落。表1給出了每種分布的CDF公式。TABLEI.FormulasofDisteubutionsforCharacterizationDistributionDefinitionCDFParametersExponentialF(x)=(1-exp/be)X>0rateLognomial-meang2-standarddev.Rayleigli%）=1傲右甘a>010圖5展示了三種分布函數(shù)匹配RSS特征連通部分長度，其中最匹配的是對數(shù)分布。0.10.&9990.750.250.00010.9950.990.010.005OEmpiricalLognormalRay

11、leighExponefitialFigure5.CDFofRSSsignatureconnectivitysegmentsfittoprobablist!cdistributionsshowingloaiionnalasbestfit第三部分：RSS特征模型這一部分描述了距離分割路徑損耗模型和新型墻體斷裂點模型，距離分割路徑損耗模型以802.11WiFi標準為基礎建立的室內(nèi)信道，然后新提出的新型墻體斷裂點模型將這個模型拓展到室外，使用特定站點的信息是從Google地球獲取的。A距離分割路徑損耗模型現(xiàn)在常用的室內(nèi)WiF傳播損耗無線信道模型是距離分割路徑損耗模型，距離分隔模型的基礎是假設從AP到

12、接收點傳播損耗梯度是非一致的，基于這樣的假設，將傳播路徑個結(jié)局斷點距離參數(shù)Dbp分兩部分，每一部分使用一個距離-能量梯度參數(shù)al和a2來表征各部分的路徑損耗，公式（1）給出了距離分割路徑損耗模型的公式。t_t)l0ajog(d)；d<ddp5QaJogdbpyiGa2og(d/ddp)：d>ddpLp是距離d處的路徑損耗，d是發(fā)送和接收機之間的距離L0一米處的路徑損耗a1a2和靜態(tài)斷點前后的距離-能量梯度dbp靜態(tài)斷點的距離在大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境中，非均勻路徑損耗假設是正確的。當接收器接近AP時，很可能是在同一個房間里，在同一個房間內(nèi)在路徑損耗可以看作是自由空間，當接收器移離了AP,AP

13、和接收器之間就越有可能會有建筑物隔離，這就增加了路徑損耗。B新型墻體斷裂點模型距離分割路徑損耗模型是針對室內(nèi)信道模型的。為了使wifi定位仿真有效，信道模型必須能代表室內(nèi)AP和室外接收器之間的傳輸路徑損耗。距離分割路徑損耗模型由于基本假設不一定正確，所以導致室內(nèi)-室外場景模型不一定是理想的。如果僅僅是建筑物外墻，假設是成立的，但是有其他的一些障礙像樹、燈柱、標志牌和一些其他建筑物的阻隔導致了路徑損耗發(fā)生了改變。小的障礙物引起了傳播的散射，大的障礙物像周邊的建筑物引起了信號的反射。這些反射的信號會對接收器引起產(chǎn)生巨大的干擾。為了滿足一個信道模型的需要，以模擬從建筑物內(nèi)部的一個接收器到建筑物外的接

14、收器的傳播路徑損耗，提出了一種新的墻斷點模型。這種新的模型用來拓展了從外墻到接收器之間的距離分割路徑損耗模型。從谷歌地圖上可以獲取地址位置信息，使得墻斷點模型可以確定從AP到建筑物的參數(shù)。墻斷點模型拓展了距離分隔路徑損耗模型，使得建筑物外面的環(huán)境進行正確的路徑損耗模型的仿真。對于墻外面的部分增加了一些參數(shù)，比如距離能量梯度aE,和第二動態(tài)斷點dwbp。公式而給出了路徑損耗墻斷點模型。十1Oa.log(d.十1叫W0/血）+亠如2）1昭3斷泌）十1陋叱3仏）十匚；dbP仏二厶十門財/。£幅）"wbp是動態(tài)AP特征墻斷點，是從AP到外墻的距離（m）E是外部路徑的距離-能量梯度L

15、w是外墻的路徑損耗（dB）動態(tài)墻斷點是按照AP點到建筑物外墻的距離定義的，動態(tài)參數(shù)的計算是根據(jù)谷歌地球上獲取的建筑物信息來進行的。圖六展示了一個墻斷點模型的概念，以及AP的位置、外墻和i到i+n個抽樣點。(叩)(i+n為了使用墻斷點模型來仿真，在谷歌地圖上畫出了包含AP的建筑物外墻輪廓。外墻輪廓被用來尋找信號路徑和建筑物外墻的接觸點，以及抽樣點。外墻的路徑損耗用來解釋穿過外墻的穿透損耗，建筑物穿透損耗是一次性的損耗。路徑損耗參數(shù)取決于仿真中的建筑物類型，住宅建筑的路徑損耗比磚商業(yè)建筑少。參考9指出，在2.3GHz下一樓的平均路徑損耗是12.8db。（2）中的路徑損耗轉(zhuǎn)換為RSS強度為：RSS(

16、d)Pt-Lp(d)其中Pt是發(fā)送能量（dBm）。對于WIFI傳輸能量是20dBm。（以下部分成意譯）第四部分運行測評結(jié)果為了評價及優(yōu)化前文提出的新型墻斷點模型，我們提出了一種基于二項假設檢驗的性能指標來測量模擬樣本RSS特征的信道模型的能力。使用樣本數(shù)據(jù)庫和設計的性能指標可以找到第三部分和穿墻功率損失的最佳距離-功率梯度。新的模型的性能被拿來與使用經(jīng)典辦公環(huán)境參數(shù)的距離分割路徑損耗模型做對比。最后會比較來自于樣本數(shù)據(jù)的RSS的簽名連接段長度和距離分割路徑損耗模型及墻斷點模型的累積分布函數(shù)A性能指標的定義為了評價信道模型的性能，我們使用二項假設檢驗來測試模型的正確生成經(jīng)驗RSS特征的能力。為了

17、使用二項假設檢驗，模型的結(jié)果和經(jīng)驗數(shù)據(jù)被看作是樣本空間S中的兩個二進制集合D和H。樣本空間包含RSS被記錄時的定位信息。對于每一個接入點都有一個包含信號被探測到時的位置信息的經(jīng)驗集合H。相似的，對于每一個接入點，信道模型產(chǎn)生一個包含信號被檢測到時的定位信息的集合D。在二項假設檢驗中，經(jīng)驗數(shù)據(jù)被用來發(fā)掘可能會出現(xiàn)的結(jié)果的概率大小。這里對于每一個樣本有四種可能的結(jié)果：模型預測了一個探測點以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出了一個探測（DI,H1）模型預測了一個探測點但是經(jīng)驗數(shù)據(jù)沒有得出探測點Q1,HO）模型沒有預測出探測點同時經(jīng)驗數(shù)據(jù)也沒有得出探測點（DO,HO）模型沒有預測出探測點但是經(jīng)驗數(shù)據(jù)確實得出了探測點（D0

18、,H1）。得出這四中結(jié)果的概率，我們使用貝葉斯概率公式卻出可能的正確預測的概率：P(DH)=P(ED)P(D)PfDcH)P(H)在公式（5）中，兩個相似的正確的模型預測概率進行平均后就是性能指標K。性能指標被用來評價每一個模型與經(jīng)驗RSS特征的匹配程度B.墻轉(zhuǎn)折模型性能結(jié)果墻斷點模型有兩個參數(shù)指標需要優(yōu)化：建筑墻外的路徑損失Lw和外墻與接收機之間的距離能量梯度aE。在墻轉(zhuǎn)折模型被評價之前這兩個參數(shù)需要優(yōu)化。參考前一節(jié)定義的性能指標,這兩個參數(shù)可以使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。對于剩下的參數(shù)，可以使用參考文獻10中定義的經(jīng)典辦公環(huán)境參數(shù)。表2給出了用于模型的最優(yōu)化值和WPI校園的最優(yōu)化參數(shù)的值TABL

19、EEWALLBREAKPOINTMODELPARAMETERVALUESParainetei'VfllueOpriHtiztifiojiRaitgeOptimal22©3.53.52<«£<52.S5.105VariableVariable540400.12.812.8使用這些最優(yōu)化參數(shù)值，墻斷點模型對于在測量路徑中的所有48個接入點的性能的最大，最小以及均值都能被找到，表3比較了使用同樣參數(shù)的靜態(tài)距離分割路徑損耗模型與墻斷點模型之間性能差異TABEEHLPERTORMANCEMETRICC'OVPAEISONModelPerfoiMe

20、anWB91.2DP32.0LioauceAfetiic(%)Min96362.788351.9從這個比較來看，在某些情況下墻斷點模型比靜態(tài)距離分割路徑損耗模型提高25%，平均能高出9%以上。圖標7是對于每一個接入點兩種模型性能的分布圖。它表明動態(tài)墻斷點模型在對數(shù)據(jù)庫中的每一個接入點的性能上都要優(yōu)于靜態(tài)距離分割路徑損耗模型進而對于兩種模型的平均RSS和覆蓋范圍兩種指標也進行了比較。表4示出了兩種模型從經(jīng)驗數(shù)據(jù)中得出的平均RSS和覆蓋范圍的差異TABLEIVMODELMEANRSSANDCOVERAGEDISTANCEDIFFERENCEFROMEMPIRICALModelZMeauRSSDifference(dBm)CoverageEUstauceDiffereuce(m)MeanSTDMeanSIDWB32SDP4.73.8890381圖表8示出了樣本數(shù)據(jù)的RSS的簽名連接段長度和距離分割路徑損耗模型及墻斷點模型的累積分布函數(shù)比較Fig.8showstheCDFoftheempiricalRSSsignaturecowiectivitysegments,thewal