基于WiFi的室內(nèi)定位研究與實現(xiàn)

1前言近年來，隨著無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷開展和全面普及，各種新業(yè)務(wù)與新需求層出不窮，其中位置感知計算(Location-awareComputing)和基于位置的效勞LBS在人們的生產(chǎn)生活中起到了至關(guān)重要的作用，如何確定用戶位置是實施前述應(yīng)用的首要問題，因此定位技術(shù)是位置感知計算和基于位置的效勞的核心問題。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與場景的不同，定位技術(shù)可分為室內(nèi)定位技術(shù)和室外定位技術(shù)。室外定位系統(tǒng)主要有蜂窩定位和全球定位系統(tǒng)GPS。蜂窩無線定位即定位，是基于移動蜂窩網(wǎng)的基站定位，其定位精度依賴于基站的分布和基站信號覆蓋范圍的大小。1996年，美國FCC公布了E-911(Emergencycall‘911’)條例提出了相關(guān)的技術(shù)要求，要求移動通信提供商必須為用戶提供定位準(zhǔn)確度在125m以內(nèi)的室外定位效勞，2001年以后，美國FCC提出了更嚴(yán)格的準(zhǔn)確度和三維空間定位的需求。在政府的要求和市場利潤的驅(qū)動下，使基于蜂窩移動網(wǎng)的定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。美國的GPS系統(tǒng)是目前使用最廣泛、用戶人數(shù)量最多的全球性定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，在任何時間任何地點地面接收終端都可以同時接受到4顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號。根據(jù)電磁波的傳播原理，通過衛(wèi)星信號的到達(dá)時間差來計算出搜索到的衛(wèi)星和終端用戶之間的距離，采用三邊定位法計算出終端用戶的具體位置，其民用定位精度可以到達(dá)15m以內(nèi)。同時，其他國家也陸續(xù)研究開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的定位系統(tǒng)，包括和中國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass定位系統(tǒng)和歐盟的Galileo定位系統(tǒng)。但是在城市環(huán)境中，由于GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號太微弱，樓宇等建筑物阻礙了衛(wèi)星信號的傳播，所以導(dǎo)致了所謂的“都市峽谷〞〔UrbanCanyon〕效應(yīng)，使得GPS系統(tǒng)無法正確定位。因此，雖然GPS系統(tǒng)在室外環(huán)境能夠有效地定位，但是在室內(nèi)環(huán)境卻無法進(jìn)行有效的定位。以上兩種定位系統(tǒng)是應(yīng)用比擬廣泛的室外定位系統(tǒng)，但應(yīng)用于室內(nèi)的時候，這兩種定位系統(tǒng)并不能提供很好的定位效勞。首先，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號在室內(nèi)傳播的情況要復(fù)雜于室外傳播的情況。其次，室外定位應(yīng)用大都是開闊環(huán)境中，幾十米的定位誤差并不影響用戶的使用感受；但對于室內(nèi)定位應(yīng)用而言，需要將定位精度控制在假設(shè)干米以內(nèi)，才能為用戶提供達(dá)可具使用性的室內(nèi)定位系統(tǒng)。針對室內(nèi)定位的難點，即克服信號受到環(huán)境噪聲的干擾，對移動用戶的快速定位，對定位精度的高要求，國內(nèi)外研究人員都進(jìn)行了有針對性的研究，這些研究涉及到無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、隨機(jī)信號處理等眾多交叉領(lǐng)域。2總體方案設(shè)計2.1WiFi室內(nèi)定位技術(shù)的分類幾何法幾何法是利用幾何學(xué)原理估計用戶位置的定位方法，幾何法包括三邊定位法和三角定位法，其中前者使用距離作為幾何參數(shù)，后者使用角度作為幾何參數(shù)，以下將簡述三邊定位法的定位原理。三邊定位法是一種基于測距的定位算法，GPS全球定位系統(tǒng)是典型的使用三邊定位法進(jìn)行位置估計的定位系統(tǒng)，根據(jù)定位目標(biāo)與各個參考點的距離使用幾何方法得到估計坐標(biāo)。在二維空間坐標(biāo)系中，選取三個點作為參考點，這三個點必須是不共線的，在得知它們與定位目標(biāo)之間距離的情況下即可以計算出定位目標(biāo)的位置。如圖2.1.1所示，參考節(jié)點A、B、C的坐標(biāo)分別為(Xa,Ya)、〔Xb，Yb〕、〔Xc，Yc〕，測得它們到待定位節(jié)點D的距離分別為Da、Db、Dc，假設(shè)節(jié)點D的坐標(biāo)為(x,y)圖2-1-1當(dāng)測得未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的距離為d時，在理想情況下，可認(rèn)為未知節(jié)點在以參考節(jié)點為圓心半徑為d的圓上，三個相交的圓可唯一確定一個點或一個區(qū)域，這個點或者這個區(qū)域的中心即為未知節(jié)點的位置。根據(jù)參數(shù)，可建立如下一組方程：近似法近似法的原理為在某一范圍內(nèi)監(jiān)測附近用戶，假設(shè)感知到用戶在接近某錨節(jié)點時，即可以使用錨節(jié)點位置近似計算用戶的位置。如圖2-4所示。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個接入點都有一定的覆蓋范圍，它是連接用戶從無線通信到有線通信的紐帶，為無用戶提供通信效勞，所有進(jìn)入這一信號區(qū)域的無線用戶都可以通過與它的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。此定位方法是通過AP接入點的位置來估計用戶的位置，其最大優(yōu)點是簡單，易于實施使用，無需在終端安裝任何額外的硬件設(shè)備和軟件程序，可以使用效勞器進(jìn)行集中監(jiān)控，常用的效勞器接入監(jiān)控程序可以基于RADIUS(RemoteAuthenticationDial-InUserService)協(xié)議或者基于SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)協(xié)議。近似法的定位精度主要依賴于AP接入點的接入距離，IEEE802.11的理論接入距離是室內(nèi)100米和室外300米，但在實際使用中有各種障礙物，如混凝土墻壁和鐵對射頻信號的屏蔽最大，玻璃、木板、石膏墻等對無線信號的影響最小，所有AP接入點的有效接入距離是室內(nèi)3米圖2-1-2近似法位置估計示意圖場景分析法該方法首先將觀察到的環(huán)境信息簡化成易于量化與計算的信息量，使用相關(guān)的信息量描述物理位置，將所有位置的位置信息量匯總構(gòu)成環(huán)境數(shù)據(jù)庫。在位置匹配階段，利用在某一地點觀察到的場景特征信息量，使用特定的匹配算法進(jìn)行位置匹配，從而分析推斷用戶的估計位置。場景分析法的優(yōu)點在于不用依賴于幾何量就可以通過非幾何的角度或距離這些的特征估計出物體的位置。測量角度或距離需要添加額外的設(shè)備，實施復(fù)雜度高，也不利于實際實施。但是，場景分析法也有其缺乏之處，系統(tǒng)需要獲得具體定位環(huán)境的特征集，從而與其實時場景特征量進(jìn)行匹配和定位。而且，環(huán)境中的某些環(huán)境參數(shù)的改變可能會導(dǎo)致先期的環(huán)境特征量不再適用，從而可能要重新構(gòu)建新的特征集。2.2方案的選擇比擬定位方法的選取基于WIFI的室內(nèi)定位有三種根本定位思路，包括幾何法、近似法和場景分析法，表2-2為幾種定位方法的比照情況。表2-2室內(nèi)定位方法的比擬與基于傳播模型的幾何法相比，基于位置指紋的定位模型可以提供更高精度的定位要求，而且具有良好的魯棒性，可以有效防止由于傳播模型不準(zhǔn)確所帶來的定位誤差，所以基于位置指紋的定位方法成為目前室內(nèi)定位的主流方向。因此將基于WiFi和位置指紋的室內(nèi)定位方法作為本課題的研究對象。定位算法的選取基于WIFI的室內(nèi)定位有兩種根本的定位算法，分別是最近鄰法和樸素貝葉斯法。=1\*GB2⑴最近鄰法：=2\*GB2⑵樸素貝葉斯法：樸素貝葉斯法是一種源于統(tǒng)計學(xué)的分類方法，是貝葉斯分類的一種基于貝葉斯定理的實現(xiàn)。它通過計算目標(biāo)的后驗概率來實現(xiàn)定位。位置指紋識別的兩種根本匹配算法(K近鄰法和樸素貝葉斯法)中，樸素貝葉斯法的定位精度要高于K近鄰法，因此本文所實現(xiàn)的定位系統(tǒng)選擇基于概率性的貝葉斯匹配算法作為根本定位方法。3WiFi定位系統(tǒng)的概述目標(biāo)是實現(xiàn)基于位置指紋的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)，旨在向用戶提供所在區(qū)域的實時位置信息，并提供相對應(yīng)的指引幫助。定位系統(tǒng)的主要目標(biāo)如下：●為用戶提供高精度和高可靠性的室內(nèi)定位效勞；●使用戶可以在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域無縫地使用定位效勞，獲取其所在位置的實時位置信息；●定位系統(tǒng)可以迅速地處理來自用戶的定位請求，并對并發(fā)訪問提供良好的應(yīng)答機(jī)制。圖3無線室內(nèi)定位系統(tǒng)整體架構(gòu)定位系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示，本室內(nèi)定位系統(tǒng)是由定位效勞器、WiFi網(wǎng)絡(luò)(含AP)和定位終端三局部組成。定位效勞器的主要功能：(1)解析離線階段采集的RSSI信息，建立WLAN地圖數(shù)據(jù)庫和信號覆蓋圖數(shù)據(jù)庫；(2)響應(yīng)移動終端的定位請求，根據(jù)指定的定位匹配算法結(jié)合位置指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行位置估計，并將定位結(jié)果返回給移動終端。終端系統(tǒng)的主要功能：(1)離線階段自動連續(xù)測量RSSI特征數(shù)據(jù)；(2)定位階段掃描發(fā)送定位請求和顯示由效勞器返回的位置信息等。WiFi網(wǎng)絡(luò)的主要功能：(1)構(gòu)建射頻信號空間分布，為定位算法提供RSSI指紋數(shù)據(jù)支撐；(2)為移動終端與定位效勞器提供通信支撐。3.1系統(tǒng)功能模塊需求效勞器程序效勞器程序主要由以下功能模塊組成：網(wǎng)絡(luò)通信模塊、定位算法模塊、RSSI指紋數(shù)據(jù)庫模塊和地圖信息模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示。圖3-1-1效勞器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中網(wǎng)絡(luò)通信模塊與移動終端進(jìn)行通訊，需要接收來自多個移動終端的定位請求，并能將定位結(jié)果和位置應(yīng)用等相關(guān)信息返回給相應(yīng)的移動終端。RSSI位置指紋數(shù)據(jù)庫模塊在效勞器啟動之初，需要對離線階段所采集的位置指紋信息進(jìn)行解析，結(jié)合實際環(huán)境中的建筑布局進(jìn)行定位空間建模，將位置指紋信息和定位環(huán)境相關(guān)聯(lián)。并根據(jù)定位算法的要求，對數(shù)據(jù)庫中的位置指紋進(jìn)行濾波處理，保證指紋信息的準(zhǔn)確性，以提高定位系統(tǒng)的定位精度。定位算法模塊是整個系統(tǒng)中最核心的功能模塊，對室內(nèi)定位結(jié)果有著極大的影響。由于目前有很多種基于位置指紋的定位算法，且各算法對系統(tǒng)要求各異，因此在系統(tǒng)設(shè)計之初，應(yīng)選擇適宜的設(shè)計模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以保證能定位系統(tǒng)可以兼容多種定位算法，為以后的系統(tǒng)拓展和改良提供必要的根底。終端程序終端程序主要由以下功能模塊組成：RSSI測量模塊、UI界面和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-2所示。圖3-1-2終端系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)絡(luò)通信模塊與效勞器端通信模塊為通信對等實體，不再詳述。RSSI測量模塊使用無線網(wǎng)卡底層驅(qū)動，讀取接收自各個AP的Beacons幀信息，得到所需要的RSSI信息，并將位置指紋與位置信息相關(guān)聯(lián)。位置信息顯示模塊即為UI界面，由于終端界面需要使用在離線階段和定位階段，并且兩個階段的功能作用不同，因此需要有兩種UI界面。一種為系統(tǒng)維護(hù)人員所使用的位置信息采集界面，需要輸入位置信息，并可設(shè)置時間間隔在某一參考點處連續(xù)采集一組RSSI數(shù)據(jù)；另一種為用戶使用的定位查詢界面，將由效勞器返回的位置信息顯示在UI界面中。4WiFi定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)定位系統(tǒng)的效勞流程如圖4所示。(1)離線訓(xùn)練階段，在定位區(qū)域使用移動終端測量收集各個AP的RSSI信息，并將RSSI信息存儲在位置指紋數(shù)據(jù)庫中供效勞器程序進(jìn)行定位使用。(2)在線定位階段，啟動定位效勞器中的程序，完成系統(tǒng)初始化工作，并做好監(jiān)聽定位請求的準(zhǔn)備。(3)開啟移動終端上的終端程序，根據(jù)WiFi網(wǎng)絡(luò)初始化通信網(wǎng)絡(luò)，關(guān)聯(lián)通信AP，圖4定位系統(tǒng)效勞流程圖并讀取配置文件進(jìn)行UI界面初始化。(4)移動終端掃描無線信號，將對應(yīng)AP的MAC和RSSI列表發(fā)送給定位效勞器。(5)效勞器程序接收到用戶的定位請求后，使用指定的位置匹配算法計算出用戶的當(dāng)前位置，并結(jié)合當(dāng)前位置的其他應(yīng)用信息，一同返回給移動終端。(6)終端程序收到效勞器程序返回的位置結(jié)果后，將用戶位置顯示在地圖顯示模塊中，為用戶提供直觀的顯示效果。4.1硬件平臺無線AP系統(tǒng)中使用的無線AP是LinksysWRT54G，有很多種開源無線路由固件都支持此款A(yù)P，如TomatoDualWAN，DD-WRT，WayOS和OpenWRT，因此，可以提供應(yīng)用戶多于默認(rèn)固件的功能，有助于提升用戶的使用感受。WRT54GZ的詳細(xì)配置參數(shù)如表4-1-1示。表4-1-1WRT54G移動終端在本系統(tǒng)中采用的移動終端是Lenovo的LePadA1，這是一款基于android系統(tǒng)的平板電腦，其中CPU主頻1GHz，并擁有7英寸,1024*600的大屏幕，A1詳細(xì)配置參數(shù)如表4-1-2所示：表4-1-2LePad參數(shù)4.2效勞器系統(tǒng)效勞器系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、定位算法模塊和RSSI指紋數(shù)據(jù)庫模塊，效勞器系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖4-2所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)流向。效勞器程序在VS2023下實現(xiàn)，各個功能模塊在同一主機(jī)中，后期可以考慮將效勞程序和數(shù)據(jù)庫別離在不同的機(jī)器中。圖4-2效勞器系統(tǒng)邏輯圖數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)庫模塊中首要功能是保存位置指紋數(shù)據(jù)，需要對離線階段所采集的位置指紋信息進(jìn)行解析，結(jié)合實際環(huán)境中的建筑布局進(jìn)行定位空間建模，將位置指紋信息和定位環(huán)境相關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)將定位區(qū)域劃分成大小為1*1m的柵格，定位算法最終實際定位目標(biāo)為柵格的標(biāo)號，因此，即使定位在同一標(biāo)號的柵格中，也存在由于柵格劃分而產(chǎn)生的定位誤差，即位置指紋識別法的定位精度存在理論下限。所以，需要根據(jù)實際定位范圍和訓(xùn)練階段的采樣間隔距離來決定柵格大小的劃分。RSSI數(shù)據(jù)庫的定義如表4-2-1所示。表4-2-1RSSI數(shù)據(jù)庫表定位算法模塊定位算法模塊是整個定位系統(tǒng)的核心模塊，模塊的運行由位置查詢報文的到達(dá)事件觸發(fā)，定位匹配流程如圖4-2-2所示。圖4-2-2-1匹配算法流程圖本定位系統(tǒng)所在的定位區(qū)域大小在500平方米左右，定位區(qū)域?qū)⒈粍澐?00多個柵格標(biāo)號，因此建立以柵格標(biāo)號為鍵值的靜態(tài)數(shù)組作為主數(shù)據(jù)索引，并將屬于同一個標(biāo)號的所有指紋數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，方便匹配算法使用，因為每個位置指紋包含的AP可能不同，使用MAC為鍵和RSSI為值組成鍵值對保存在結(jié)構(gòu)map中。定位匹配算法的指紋數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖4-2-2-2所示。由于本系統(tǒng)所采用的根底匹配算法為基于概率性的樸素貝葉斯法，在位置匹配過程中，每個柵格位置都會計算出相應(yīng)的后驗匹配概率，根據(jù)前文所提出的聯(lián)合定位方法，初定位階段需要保存M個概率最高的柵格標(biāo)號，因此，匹配模塊采用大小為M的最小堆保存柵格標(biāo)號與其相對應(yīng)的概率，以便聯(lián)合定位階段不需要重新計算系統(tǒng)布置AP的RSSI圖4-2-2-2數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖通信模塊定位系統(tǒng)的根底設(shè)施是WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，因為局域網(wǎng)中通信過程中的丟包率很低，而且系統(tǒng)的主要效勞是定位效勞，定位階段正常的數(shù)據(jù)交互僅進(jìn)行一次往返通信過程即可完成效勞，因此，本系統(tǒng)在傳輸層采用無連接的UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，考慮到少概率丟包情況，在應(yīng)用層增加重傳機(jī)制，當(dāng)終端發(fā)送定位請求之后，如果1s之后沒有收到回復(fù)，那么重傳上次的報文請求。本小節(jié)將詳細(xì)說明終端系統(tǒng)與效勞器系統(tǒng)之間的通信協(xié)議格式。應(yīng)用層的通信協(xié)議采用擴(kuò)展方便的TLV(Type-Length-Value)協(xié)議格式。其中，Type域是signedshort類型，長度為2個字節(jié)；Length域是unsignedint類型，長度為4個字節(jié)；Value域是可變長度，其中存儲應(yīng)用層載荷數(shù)據(jù)。以下為通信功能中的幾種典型應(yīng)用分析數(shù)據(jù)包的類型，包括：定位請求、位置響應(yīng)和RSSI指紋更新。定位請求的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-1和表4-2-3-2所示：表4-2-3-1定位請求格式表4-2-3-2定位請求載荷數(shù)據(jù)格式位置響應(yīng)的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-3和表4-2-3-4所示：表4-2-3-3位置響應(yīng)格式表4-2-3-4位置響應(yīng)載荷數(shù)據(jù)格式RSSI指紋更新的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-5和4-2-3-6所示：表4-2-3-5RSSI指紋更新格式表4-2-3-6定位請求載荷數(shù)據(jù)格式4.3終端系統(tǒng)終端系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要包括RSSI測量模塊UI界面及終端通信模塊三個子模塊，終端系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖4-3所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)流向。圖4-3終端系統(tǒng)邏輯圖終端系統(tǒng)在平板電腦LePad中實現(xiàn)，操作系統(tǒng)為Android，開發(fā)軟件使用Eclipse?，F(xiàn)如今基于Android系統(tǒng)的手持終端的數(shù)量急速增長，并且由于手持終端體積小巧，便于攜帶，相比于筆記本電腦，更能滿足用戶對于實時定位的要求。Android系統(tǒng)提供豐富的類庫和控件，便于開發(fā)者使用，大大提高了軟件的開發(fā)效率，縮短了工程開發(fā)周期，使開發(fā)者可以把更多的時間花費在業(yè)務(wù)邏輯中。因此，本系統(tǒng)采用Android平臺作為開發(fā)環(huán)境，有助于不同終端接入使用本定位系統(tǒng)，提高本定位系統(tǒng)的實用性。RSSI測量模塊RSSI測量模塊的功能是測量終端所能掃描到的所有AP的RSSI值，RSSI測量模塊的工作流程如圖4-3-1所示。Google公司發(fā)布的基于Android操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)的開源SDK工具包，包含了功能豐富的WiFiManager類庫，不僅可以使應(yīng)程序方便地實現(xiàn)WiFi連接，而且其中封裝好的WiFi掃描函數(shù)可輕松掃描設(shè)備通信范圍內(nèi)的AP熱點，同時可顯示接入點的SSID、MAC地址、IP和經(jīng)量化處理的RSSI。WiFiManager提供了一個面向底層硬件驅(qū)動程序的抽象接口，使上層應(yīng)用軟件不必知道下層硬件的具體實現(xiàn)方式，直接從驅(qū)動程序所更新的參數(shù)數(shù)據(jù)中得到各個AP的RSSI信息。程序中主要使用了該類的兩個方法startScan和getScanResults。圖4-3-1RSSI測量模塊流程圖UI界面UI界面的主要功能是顯示地圖信息，并與用戶進(jìn)行交互，如圖4-3-2所示為離線訓(xùn)練階段所用的UI界面。其中界面主題顯示為本系統(tǒng)所在的定位區(qū)域，定位區(qū)域以實驗室120B左下角作為起始坐標(biāo)(0，0)的參考點的二維相對坐標(biāo)，橫向為X軸，縱向為Y軸，坐標(biāo)軸單位為cm。因為平板電腦帶有觸摸屏，所以可以直接觸摸用戶所在位置，由程序計算得出離線階段的相對坐標(biāo)，便于訓(xùn)練階段使用。由于訓(xùn)練階段的位置指紋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會對定位系統(tǒng)的定位精度產(chǎn)生巨大的影響，因此增加以每個房間的左下角為參考點的局部相對坐標(biāo)系。訓(xùn)練階段使用激光測距儀測量出局部相對坐標(biāo)，填入文本框中，由程序算出全局相對坐標(biāo)。UI界面中左上角區(qū)域顯示位置坐標(biāo)，第一列為室內(nèi)相對局部相對坐標(biāo)，第二列為全局相對坐標(biāo)。如圖4-3-2所示，實驗室125中的紅點的位置即為用戶位置，局部相對坐標(biāo)為(200,300)，全局相對坐標(biāo)為(1201cm，1392)。定位階段所用的UI界面與訓(xùn)練階段的相似，只是位置坐標(biāo)由定位效勞器返回所得，所以此節(jié)不再做描述。圖4-3-2UI界面終端通信程序終端通信模塊的主要功能是接收和發(fā)送通信數(shù)據(jù)，終端通信程序由RSSI測量模塊觸發(fā)。終端通信模塊的工作流程圖如圖4-3-3所示，具體通信協(xié)議前文已經(jīng)進(jìn)行介紹。圖4-3-3終端系統(tǒng)通信流程圖5實驗平臺5.1軟件環(huán)境在研究射頻無線信號的空間傳播特性之前，首要任務(wù)是使用終端在指定位置測量實時RSSI。本節(jié)將介紹后續(xù)實驗中所用到的WiFi網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，以及測量射頻無線信號等相關(guān)信息的方法。由前文的介紹可知，WiFi無線局域網(wǎng)中的終端通過與AP接入點通過通信連接進(jìn)行信息交互。在某時刻，如果不指定AP接入點的SSID，無線網(wǎng)卡將以附近AP接入點的信號強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，選取信號強(qiáng)度最高的AP建立連接請求。同終端與AP進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而通信的方式不同，定位系統(tǒng)需要終端探測感知所在區(qū)域內(nèi)所有AP接入點的信號強(qiáng)度。在IEEE802.11協(xié)議中，終端可以使用兩種方式獲取各個AP的RSSI信息，即被動掃描(PassiveScanning)模式和主動掃描(ActiveScanning)模式。被動掃描模式的優(yōu)點是可以降低功耗，但由于AP接入點可以被設(shè)置為不發(fā)送Beacons幀，終端可能無法獲得所有AP接入點的RSSI信息，所以本文選擇使用主動掃描模式實現(xiàn)RSSI的獲取功能。在主動掃描過程如圖5-1所示，終端將掃描所有的802.11信道，在每個信道中，終端將以播送的方式發(fā)送ProbeRequest幀，當(dāng)AP收到此播送幀后，就會選擇適宜的時序發(fā)送ProbeResponse幀。隨著終端接收到工作在各個信道上的AP返回的ProbeResponse幀，主動掃描過程結(jié)束，終端將會獲取到所有可以觀察到的AP列表，其中包括定位所需要的各個AP的MA地址和RSSI信息。圖5-1802.11協(xié)議中的主動掃描過程目前雖然有很多種網(wǎng)絡(luò)嗅探工具可以收集WiFi局域網(wǎng)中的各個AP的RSSI，如NetStumbler，但此工具只支持windows平臺，并且不可以得到開源代碼。為了提高訓(xùn)練階段的效率，更符合系統(tǒng)實際的定位需求，本文采用較為輕薄的平板電腦LePad作為終端，并在此終端上開發(fā)了RSSI采集程序。5.2實驗場景P的搭建本文的實驗地點是電子科技大學(xué)清水河校區(qū)科研B座，由實驗室B120~B127以及走廊所組成的區(qū)域，即圖5-2-117m*34m，整個區(qū)域已經(jīng)被WiFi無線局域網(wǎng)覆蓋，其中5個AP接入點是為定位系統(tǒng)所布置，AP1部署在實驗室125的(10m，5m)位置，AP2部署在實驗室127的(10m，5m)位置，AP3部署在實驗室125A的(3.5m，6m)位置，AP4部署在實驗室122B的(1m，6m)位置，AP5部署在實驗室120B的(3m，6m)位置，同時實驗區(qū)域還可以搜索到其它8個無線AP接入點。本系統(tǒng)訓(xùn)練階的主要工作為采集RSSI訓(xùn)練數(shù)據(jù)，建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，在整個實驗場景中以1m為采樣間隔，一共在271個位置參考點進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，每個訓(xùn)練點連續(xù)采集一定數(shù)量的位置指紋，訓(xùn)練階段共花費兩個工作日的時間。圖5-2-1RSSI的測量.1RSSI的與位置的關(guān)系從實驗環(huán)境中的走廊最左側(cè)處開始，每隔1米進(jìn)行一次采樣，沿直線向右方向移動，如圖5-2-2-1所示接收自兩個AP的RSSI，它們分別是左側(cè)的AP5和右側(cè)的AP2，其中X軸為與走廊最左側(cè)的距離?？梢钥闯?，當(dāng)終端越靠近AP時，網(wǎng)卡所接收到的RSSI值越強(qiáng)，但由于其它干擾因素，相鄰的采樣點間的RSSI圖5-2-2-1眼走廊行走時的RSSI情況.2RSSI的概率分布在實際環(huán)境中200多個采樣點所采集的位置指紋數(shù)據(jù)，它們的正規(guī)化直方圖都符合或近似符合正態(tài)分布，實際測量值在一個穩(wěn)定值附近變動，是一個取決于均值的正態(tài)隨機(jī)變量。圖5-2-2-2概率分布直方圖如圖5-2-2-2所示，雖然信號強(qiáng)度的概率分布符合正態(tài)分布，但有很嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象。和室內(nèi)環(huán)境中的家具、墻壁、電器設(shè)備及門窗位置等固定的干擾源不同，人員是位置時常改變的干擾因素，由于802.11的通信頻率為2.4GHz，而人體內(nèi)水分子所占的比例超過70%，其共振頻率同樣是2.4GHz，所以人體是干擾射頻無線信號傳播的一個重要因素。而且由于不同的時間段內(nèi)，人員的密集程度和流動程度都有很大的區(qū)別，因此，有必要選取適宜的時間進(jìn)行離線訓(xùn)練階段的位置指紋數(shù)據(jù)庫采集工作。.3RSSI的收斂速度位置指紋是否可以正確反映信號強(qiáng)度的實際情況將極大地影響定位階段位置估計的可信性。構(gòu)建位置指紋數(shù)據(jù)庫需要保存大量的位置指紋，尤其是使用概率性定位算法的定位系統(tǒng)，為了得到比平均值更多的信號分布信息，需要在每個位置點采集一定數(shù)量的瞬時RSSI樣本，用以得到在此位置點的RSSI的概率分布情況。顯然在同一參考點采集的RSSI樣本值越多，獲得關(guān)于信號分布的信息越詳細(xì)準(zhǔn)確，但是在系統(tǒng)訓(xùn)練階段將會花費更多的訓(xùn)練時間。為了得到可信的信號強(qiáng)度概率分布情況，需要在位置指紋的完整性和訓(xùn)練時間本錢之間找到一個平衡點。為了研究信號強(qiáng)度均值的收斂情況，本文連續(xù)采集5分鐘的樣本數(shù)據(jù)，采樣點距離AP3為5米，與AP4中間相隔兩堵墻距離5米，與AP2中間相隔一堵墻距離15米。隨著時間的推移，計算了不同時間點的信號強(qiáng)度的平均值，結(jié)果如圖3-5所示?？梢钥闯觯蠥P的RSSI都滿足一個趨勢，即平均值經(jīng)過一段時間的波動后，RSSI的均值趨于穩(wěn)定。信號的平均強(qiáng)度在30秒時都已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，本系統(tǒng)在訓(xùn)練階段的每個位置點的采樣時間為30圖5-2-2-3RSSI平均值的變化趨勢6性能評估對于定位系統(tǒng)而言，最重要的衡量指標(biāo)就是系統(tǒng)的定位精度，定位精度可以從定位的準(zhǔn)確性和精確性兩個方面進(jìn)行比照，本文采用以下的各項指標(biāo)來衡量定位系統(tǒng)的性能。●平均均方根定位誤差本文采用平均均方根定位誤差(AverageRootMeanSquareError,ARMSE)作為評估定位算法準(zhǔn)確性的參數(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)從評價定位誤差的角度衡量了定位系統(tǒng)的定位精度，其具體定義為：〔6-1〕●誤差累積分布函數(shù)本文采用誤差累積分布函數(shù)(C