基于wla的城區(qū)室外無縫定位技術(shù)研究

基于wla的城區(qū)室外無縫定位技術(shù)研究

0wlan的系統(tǒng)定位算法由于城市復(fù)雜的傳播環(huán)境，gnss等技術(shù)無法滿足室外空間的完美覆蓋和有效定位。無線局域網(wǎng)(WLAN)則由于其室內(nèi)外環(huán)境下節(jié)點數(shù)量多、分布廣、無需布設(shè)網(wǎng)絡(luò)、簡單易用等特點,逐漸成為移動位置服務(wù)中的主流定位技術(shù)?；赪LAN的定位技術(shù)由微軟研究院的Bahl等提出,其構(gòu)建的RADAR定位系統(tǒng),通過離線訓(xùn)練階段構(gòu)建信號強度和距離映射關(guān)系的無線信號強度(receivedsignalstrengthindication,RSSI)分布地圖(radiomap),在線定位階段采用指紋匹配(fingerprint)等統(tǒng)計方法進(jìn)行定位,室內(nèi)定位精度在5m左右;商用WLAN定位軟件(如Ekahau)也采用模式匹配等統(tǒng)計算法。但上述方法需大量前期采樣工作和構(gòu)建龐大的指紋分布地圖,且WLAN信號受多種因素的影響,單次采樣樣本構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫不適合大范圍的應(yīng)用。室外環(huán)境下的WLAN定位技術(shù)由英特爾和微軟的研究人員提出,PlaceLab通過戰(zhàn)車駕駛(wardriving)的方式采集WLAN信號,構(gòu)建采樣點粗略GPS坐標(biāo)和對應(yīng)室外WLAN基本服務(wù)集標(biāo)識符(basicservicesetidentifier,BSSID)的映射數(shù)據(jù)庫,并在定位階段根據(jù)WLAN接入點(accesspoint,AP)的BSSID進(jìn)行類似Cell-ID方式的定位。目前Skyhook公司在北美部分大城市,采用室外WarDriving方式采集WLAN信號源,提供精度為20～100m的移動定位服務(wù)。由于室外WarDriving方式提供的AP參考節(jié)點坐標(biāo)粗略,僅采用簡單的Cell-ID技術(shù),未將室外WLAN的定位性能提升至應(yīng)有的精度。本文針對現(xiàn)有室內(nèi)外WLAN定位系統(tǒng)存在的若干問題,探討一種利用室內(nèi)外WLAN信號進(jìn)行定位的簡化算法。該算法根據(jù)無線信號在實際環(huán)境中的路徑衰減模型,利用室外電話亭和室內(nèi)兩類WLAN信號,構(gòu)建一種基于實際環(huán)境建模的簡化型路徑衰減模型。在室外利用電話亭WLAN信號,并采用兩步法,在室內(nèi)環(huán)境下采用交會法對移動端進(jìn)行定位。實驗表明,該算法有效減少了采樣和前期建庫的工作,可為城區(qū)室內(nèi)外空間提供引文格式:田輝,夏林元,莫志明,等.基于無線局域網(wǎng)信號的城區(qū)室內(nèi)外無縫定位技術(shù)[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報,2013,33(2):302-306.可靠的無縫定位服務(wù)。1路徑損耗模型無線信號在建筑物室內(nèi)的傳播信道受建筑物的布局、材料等影響,而且室內(nèi)環(huán)境變動大、空間覆蓋范圍小,還受到各種因素的影響,如建筑物內(nèi)部房門的開合狀態(tài)、收發(fā)端之間是否存在物體和人員遮擋等。室內(nèi)環(huán)境下的路徑損耗模型一般為PL=PL(d0)+10γlog10(d/d0),(1)其中:γ為路徑損耗指數(shù),表征路徑損耗隨距離變化的速率,取決于周圍環(huán)境和建筑物類型;d是發(fā)射端和接收端之間的距離;d0為參考距離,在短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)中使用較小的參考距離,如WLAN一般取1m;PL(d0)是距離參考點d0處的信號強度衰減值。室外無線信道與室內(nèi)無線信道存在差異,但也可采用上述模型,只需根據(jù)實際環(huán)境取不同的模型參數(shù)。2電話亭比bssid的定位查詢對于室外電話亭WLAN信號,先根據(jù)接收到的信號強度及對應(yīng)的BSSID信息,按RSSI大小排序,選取信號強度靠前的幾組數(shù)據(jù),根據(jù)對應(yīng)的BSSID在已有的定位數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索查詢,當(dāng)查詢到相應(yīng)的電話亭對應(yīng)的BSSID時,即可大致地確定出當(dāng)前用戶在以此電話亭為中心的圓形區(qū)域內(nèi);然后選取此區(qū)域和接收到的數(shù)據(jù)集所含臨近電話亭的BSSID信息,由此確定目標(biāo)電話亭作為參考基站,根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有的電話亭位置坐標(biāo)信息,將掃描得到的RSSI轉(zhuǎn)換為距離信息,然后對移動端進(jìn)行交會,最終得到精確的位置坐標(biāo)。2.1wlan信號強度模型根據(jù)式(1),可構(gòu)建室外電話亭WLAN信號強度觀測值與距離(RSSI-Range)的關(guān)系模型RSSI=RSSI0-10×n×log10(d/d0),(2)即可通過WLAN信號強度觀測值求距離di=10(RSSI0-RSSIi)/(10×n),(3)其中:RSSI0是在參考距離d0處開放空間環(huán)境下所觀測到的信號強度值。2.2電話亭內(nèi)有n個ssid的情形電話亭WLAN數(shù)據(jù)庫通常由事先采集的信號構(gòu)建,其存儲的數(shù)據(jù)集可表示為P={p1PCCWΡCCW1,…,pmPCCWΡCCWm}。對于每個不同的電話亭,其數(shù)據(jù)子集表示為pi={PCCW,Xi,Yi},i=1→m。(4)如電話亭內(nèi)有n個SSID可供使用:PCCW={BSSIDi,SSIDi}(i=1→n),將觀測值數(shù)據(jù)定義為O={o1,…,or},其中單一的觀測值數(shù)據(jù)集為oi={BSSIDi,SSIDi,RSSIi}(i=1→r)。定位階段,通過查詢電話亭WLAN數(shù)據(jù)庫的BSSID信息,列出所有電話亭WLANAP掃描觀測值,然后按RSSI值的大小進(jìn)行排序,選取最大的RSSI觀測值,通過RSSI-Range模型計算其到對應(yīng)電話亭的距離R,那么用戶的位置可表示為:{XiPCCWΡCCWi,YiPCCWΡCCWi,R},其中{XiPCCWΡCCWi,YiPCCWΡCCWi}為最近電話亭的精確位置坐標(biāo),用戶位置則在以電話亭位置坐標(biāo)為圓心、以R為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。2.3兩側(cè)步行道交道在Cell-ID排序算法的基礎(chǔ)上,可采用臨近的多個電話亭WLAN的觀測值進(jìn)行交會。因電話亭分布在狹長的街道兩側(cè),且用戶多位于兩側(cè)步行道,故僅采用兩個參考節(jié)點在一個狹長的類線性區(qū)域進(jìn)行交會是可行的。用戶的位置可通過下式求解:x=X1+(X2-X1)×R1/(R1+R2),(5)y=Y1+(Y2-Y1)×R1/(R1+R2),(6)其中:(XiPCCWΡCCWi,YiPCCWΡCCWi)為第i個電話亭的坐標(biāo),Ri為移動端到第i個電話亭的距離。3距離等權(quán)方法不同于反映信號強度和距離映射關(guān)系指紋分布地圖的方法,本文出于海量數(shù)據(jù)處理和實際應(yīng)用的需要,根據(jù)信號強度和距離的關(guān)系,構(gòu)建一個室內(nèi)WLAN信號傳播衰減簡化模型,然后利用實際環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)擬合得到模型參數(shù),最終采用交會法計算移動端的位置。采用如下的傳播模型形式:di=10(RSSI0-RSSIi)/N。(7)設(shè)第i個AP在平面坐標(biāo)中的位置為(xi,yi)T,移動端的位置為(X,Y)T,移動端至參考節(jié)點的距離di可以寫為di=(xi?X)2+(yi?Y)2?????????????????√di=(xi-X)2+(yi-Y)2,(8)則誤差方程為Vi=-lidx-midy+Li。(9)其中:i為AP的個數(shù),(li,mi)為近似位置(X0,Y0)至第i個AP方向上的方向余弦。方程線性化后采用間接平差進(jìn)行求解,按最小二乘原理可解得x∧=(BTPB)?1BTPlx∧=(BΤΡB)-1BΤΡl,(10)其中,系數(shù)陣B=(-li,-mi)T,P為權(quán)矩陣。將求出的x∧x∧代入誤差方程,即可以求得改正數(shù)V,從而得到定位解。為提高交會定位計算結(jié)果的精度,可采用相同的模型系數(shù)計算移動端到各AP的距離,然后根據(jù)求得的距離值的大小進(jìn)行定權(quán)。采用的3種定權(quán)方法包括:①等權(quán)法,權(quán)矩陣對角線上所有元素均取1,其他元素取0;②距離倒數(shù)定權(quán)法,權(quán)矩陣對角線上元素均取對應(yīng)距離的倒數(shù),其他元素取0;③距離平方倒數(shù)定權(quán)法,權(quán)矩陣對角線上元素均取對應(yīng)距離平方的倒數(shù),其他元素取0。4監(jiān)控系統(tǒng)的配置選取香港尖東麼地道和某機房作為室內(nèi)外WLAN定位實驗區(qū)。數(shù)據(jù)采集階段,采用配置IntelPRO/WirelessLAN21003BMiniPCI無線模塊的ThinkPadT40計算機,在WindowsXP平臺下采用C/C++開發(fā)采集軟件,利用NDIS協(xié)議對無線網(wǎng)卡進(jìn)行信號強度提取。4.1室外電話亭wlan定位4.1.1城市室外wlan的定位模型圖1是室外電話亭WLANAP到移動端的信號強度隨距離變化的曲線關(guān)系圖,包括所有采集到的電話亭WLANAP的信號強度觀測值和對應(yīng)的距離,通過對全部采樣數(shù)據(jù)的建模統(tǒng)計分析,本文選取平均路徑衰減指數(shù)n=2.5,作為城市室外WLAN定位模型的參數(shù),且室外電話亭WLAN的信號強度有效定位距離在120m以內(nèi)。通常情況下,距電話亭1m處的信號強度在-20dBm左右,故本文采用的兩個實驗參數(shù)為:RSSI0=-20dBm,d0=1m。由此室外電話亭WLAN的RSSI-Range模型可以表示為d=10(-20-RSSI)/25。(11)4.1.2采樣點定位結(jié)果定位階段的數(shù)據(jù)采集自麼地道一側(cè)行人道,共計13個坐標(biāo)已知的采樣點數(shù)據(jù)用于定位精度評估。相鄰采樣點的間距為12～15m,每個采樣點上的采樣時間為120s,WLAN信號掃描頻率為1Hz,定位結(jié)果如圖2所示。對于Cell-ID排序法,除中間的第7號采樣點外,其他采樣點的定位精度均優(yōu)于40m,第7號采樣點因為距離兩個電話亭的距離均超過了120m,即本文所使用的電話亭WLANRSSI-Range模型對于這類超出有效距離的觀測值,其定位精度有待改善;對于RSSI-Range交會算法而言,4個點(第10、11、12、13號采樣點)臨近的電話亭WLAN個數(shù)較多,且距離電話亭均小于40m,交會的精度優(yōu)于10m,所有采樣點的整體定位精度優(yōu)于25m。4.2定位階段結(jié)果分析在室內(nèi)環(huán)境下布設(shè)的WLAN網(wǎng)絡(luò),則采用建模和距離交會法對移動端進(jìn)行定位,總計12點的數(shù)據(jù)。圖3是室內(nèi)環(huán)境下4個WLANAP到移動端的信號強度隨距離變化的曲線圖,室內(nèi)WLANAP的信號強度有效定位距離為45m。定位階段選用的參數(shù)由實際環(huán)境下測量擬合得到,見表1,這4組擬合函數(shù)參數(shù)組合包括:①采用單個AP信號強度的峰值單獨擬合;②采用所有AP信號強度的峰值綜合擬合;③采用單個AP4個方向平均值中的最大值單獨擬合;④采用所有AP4個方向平均值中的最大值綜合擬合。通過采用距離平方倒數(shù)定權(quán)法,對采集的峰值數(shù)據(jù)分別按上述4組系數(shù)進(jìn)行解算。計算得到的點位誤差列于表2,其中第12號點的定位精度為0.8m,所有采樣點的定位精度優(yōu)于4.2m。結(jié)果表明采用組合②得到的定位誤差要好于其他3種組合。另外建模階段采用綜合方式進(jìn)行處理并采用峰值數(shù)據(jù),在定位階段也要采用峰值數(shù)據(jù),即峰值數(shù)據(jù)可真實反映短時段內(nèi)測量的信號強度信息。5wla網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的確定利用城市室外公眾電話亭WLAN和室內(nèi)WLAN信號,