基于WiFi的室內(nèi)人員定位技術(shù)的算法和模型

張　磊

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基于WiFi的室內(nèi)人員定位技術(shù)的算法和模型

張磊

張　磊(1963—),男,高級(jí)工程師,從事智能建筑與智慧城市方面的工作。

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海200002)

摘要：比較了幾種基于WiFi的室內(nèi)定位方法,指出基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的室內(nèi)定位技術(shù)不增加額外的硬件設(shè)備,更加易于推廣。分析了基于RSSI的定位模型及指紋信息預(yù)測(cè)模型,指出指紋信息預(yù)測(cè)模型法可有效地提高室內(nèi)定位精度,減少障礙物造成的定位誤差。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位方法; 接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI); 定位模型; 指紋信息預(yù)測(cè)模型

0引言

目前,人們可以隨時(shí)隨地地接入到互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息交互,這對(duì)于信息提供的及時(shí)性和原屬地有了更高的要求,因此基于位置的服務(wù)(LBS,Location Based Service)被廣泛應(yīng)用到了各類(lèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。這種基于用戶(hù)實(shí)時(shí)位置的準(zhǔn)確、迅速的信息提供,極大地方便了人們的生產(chǎn)生活。LBS應(yīng)用的核心,就是即時(shí)提供有效的位置信息。

定位服務(wù)主要有兩種提供方法,一種是使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS),另一種是基站定位方法,通過(guò)無(wú)線(xiàn)基站臺(tái)的坐標(biāo)進(jìn)行定位預(yù)估。GPS定位技術(shù)以及基站定位技術(shù)具有全天候、高精度、自動(dòng)測(cè)量等特點(diǎn),在軍事、交通、測(cè)繪等戶(hù)外方面得到了廣泛應(yīng)用。然而,一旦進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境,由于建筑物的阻擋,定位信號(hào)難以穿透建筑物,導(dǎo)致傳統(tǒng)定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中無(wú)法精確地使用,無(wú)法提供精準(zhǔn)的室內(nèi)LBS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)具有易組網(wǎng)、易擴(kuò)展、成本低、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì),無(wú)線(xiàn)保真(Wireless Fidelity,WiFi)是基于IEEE 802.116標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。本文介紹了基于WiFi的室內(nèi)人員定位技術(shù)。

1基于WiFi的室內(nèi)定位方法

基于傳播過(guò)程的定位方法有很多,常用的有基于電波傳播時(shí)間(Time of Arrive,TOA)、基于電波傳播時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)、基于到達(dá)角度(Arrival of Angle,AOA)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength Indication,RSSI)等。

(1) TOA方法主要測(cè)量無(wú)線(xiàn)信號(hào)在AP與移動(dòng)終端之間的單程傳播時(shí)間或收發(fā)一次的來(lái)回傳播時(shí)間。前一種要求AP或移動(dòng)終端臺(tái)能記錄信號(hào)發(fā)出的準(zhǔn)確時(shí)間,并且接收終端對(duì)時(shí)鐘要求高,才能保證單程傳播時(shí)間的記錄;后一種則不要求AP和移動(dòng)終端間同步,是一種測(cè)量傳播時(shí)間十分常見(jiàn)的方法,要得到單程的時(shí)間就將測(cè)得的結(jié)果除以2,但同樣對(duì)時(shí)鐘的精確度要求高。

若無(wú)線(xiàn)電波從AP到移動(dòng)終端傳播所需時(shí)間為t,無(wú)線(xiàn)電波的傳播速度為C,則移動(dòng)終端必在以AP所在位置為圓心,以Ct為半徑的圓上。同理,在第二個(gè)、第三個(gè)AP上進(jìn)行上述計(jì)算,如果傳播過(guò)程以及測(cè)量等都為理想情況,則理論上3個(gè)圓會(huì)交于一點(diǎn),這點(diǎn)就是移動(dòng)終端的所在位置。

TOA方法對(duì)時(shí)間測(cè)量的精度要求非常高,在定位的技術(shù)過(guò)程中1 μs的時(shí)間測(cè)量計(jì)算誤差將會(huì)導(dǎo)致300m左右的定位誤差,因此要求AP和移動(dòng)終端有非常精確的時(shí)鐘,這在很大程度上增加了定位的硬件成本。

(2) TDOA通過(guò)檢測(cè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)AP的時(shí)間差,而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)終端的位置,降低了對(duì)收發(fā)兩端時(shí)間同步的要求以及時(shí)間測(cè)量精度的要求。采用3個(gè)不同的AP就可以測(cè)到兩個(gè)TDOA值,移動(dòng)終端就位于兩個(gè)TDOA決定的雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)上。如果有3個(gè)以上的AP,則可以得到多個(gè)雙曲線(xiàn)方程。如果傳播過(guò)程以及測(cè)量等都為理想情況,這些雙曲線(xiàn)方程都會(huì)交于一點(diǎn),而這點(diǎn)就是移動(dòng)終端的坐標(biāo)位置。TDOA方法要求用戶(hù)與基站之間達(dá)到實(shí)時(shí)同步,加大了系統(tǒng)的成本,大范圍普及應(yīng)用較為困難。

(3) 在AOA的定位機(jī)制中,AP節(jié)點(diǎn)通過(guò)天線(xiàn)陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知來(lái)自待定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向,計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)角度或方向,再通過(guò)幾何法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。AOA定位不僅能確定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),還能同時(shí)得知未知終端的方位信息,但易受外界環(huán)境影響,且需要添加額外昂貴的硬件。

AOA方法利用方向性天線(xiàn)來(lái)判斷信號(hào)源的方向,當(dāng)接收到兩個(gè)以上已知發(fā)射端的方向角度后,就可以利用發(fā)射端和接收端的相對(duì)角度估算出待定位移動(dòng)臺(tái)的位置。該方法估測(cè)精度雖然高,但由于需要額外的天線(xiàn)架設(shè),所以成本偏高,難以實(shí)際應(yīng)用。

(4) RSSI方法通過(guò)已知的電波傳播模型由移動(dòng)終端測(cè)量來(lái)自幾個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度值,利用3個(gè)或3個(gè)以上信號(hào)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化成到已知基站的距離值來(lái)對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位,一般通過(guò)3個(gè)AP就可以確定移動(dòng)終端的位置。該方法相對(duì)測(cè)量時(shí)間比較簡(jiǎn)單,無(wú)需對(duì)收發(fā)雙方增加額外的硬件設(shè)備,但是由于空間中對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度影響因素較多,定位精度不理想,故在定位精度要求不高的情況下可以使用。

基于傳播過(guò)程的定位方法的比較如表1所示。

表1基于傳播過(guò)程的定位方法的比較

特性TOATDOAAOARSSI定位精度 高 高 較高較高 額外硬件 需要需要需要不需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低較低較高低

經(jīng)比較,在盡量不增加額外硬件設(shè)備的前提下,RSSI是一種更加易于推廣的定位方法。

2典型的定位模型

2.1　基于RSSI的定位模型及算法

理論上,無(wú)線(xiàn)信號(hào)在無(wú)干擾、無(wú)阻礙物的自由空間傳播時(shí),設(shè)發(fā)射端與接收端的距離為d,則接收端的接收功率為

(1)

式中:Pt——發(fā)射功率;

Gt——發(fā)射端天線(xiàn)增益；

Gr——接收端天線(xiàn)增益；

λ——電波波長(zhǎng)。

由式(1)可以看出,在自由空間中接收功率與d2成反比。

在實(shí)際環(huán)境中,由于存在多徑、障礙物、繞射等隨機(jī)因素,無(wú)線(xiàn)電傳播損耗與式(1)相比還是有較大變化。此時(shí),常采用對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型更為合理:

(2)

在一般室內(nèi)定位中,考慮到環(huán)境、成本、定位精度要求等因素,使用的 RSSI 測(cè)距信號(hào)衰減模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

RSSI=A-10nlgd1

(3)

式中:d1——定位節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離;

A——定位節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離為1 m時(shí)測(cè)得的RSSI值;

n——信號(hào)衰減因子,取2～4。

在室內(nèi)環(huán)境中,根據(jù)具體情況取A、n為適當(dāng)?shù)墓潭ㄖ?再根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度估算設(shè)備與AP之間的距離。

定位算法一般根據(jù)幾何模型建立方程,然后求解方程得到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。在理想狀態(tài)下,設(shè)APn的坐標(biāo)為(xi,yi),目標(biāo)點(diǎn)到APn的距離為di。

設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X,Y),則可列出有n個(gè)等式的方程組:

(4)

從第一行開(kāi)始分別減去最后一行,得

(5)

計(jì)算得出:

AX=b

使用最小二乘法得X=(ATA)-1AT,X就是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2　指紋信息預(yù)測(cè)模型法

RSSI方法是利用無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度在空間內(nèi)隨著距離的改變而呈現(xiàn)變化分布的特點(diǎn),通過(guò)比對(duì)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定參考位置,但是由于室內(nèi)桌椅、墻壁等阻礙,通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法存在誤差大、不精確的缺點(diǎn)。

指紋信息預(yù)測(cè)模型法采集室內(nèi)環(huán)境中多臺(tái)接入點(diǎn)發(fā)出的在不同坐標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度值,經(jīng)過(guò)模型匹配,找出信號(hào)強(qiáng)度變化與距離接入點(diǎn)遠(yuǎn)近之間的關(guān)系,形成預(yù)測(cè)模型并記錄。當(dāng)定位終端進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境中時(shí),根據(jù)預(yù)測(cè)模型即可確定其具體位置。該方法收集了多臺(tái)AP的記錄,同時(shí)使用了預(yù)測(cè)模型進(jìn)行匹配,可以有效地提高定位精度,減少障礙物所造成的誤差,可以在效率與誤差中平衡。

一個(gè)位置指紋通常是指一個(gè)移動(dòng)站點(diǎn)(手機(jī)、筆記本)在某個(gè)特定位置,采集不同AP發(fā)送來(lái)的信號(hào)構(gòu)成與特定位置相關(guān)的信號(hào)特征。

位置指紋法通常采用兩階段的工作模式:① 離線(xiàn)建庫(kù)階段,指紋信息采集階段;② 實(shí)時(shí)定位階段,對(duì)終端進(jìn)行定位的階段。

2.2.1離線(xiàn)建庫(kù)階段

指紋信息采集階段在WiFi信號(hào)覆蓋范圍區(qū)域確定采樣點(diǎn),形成較為均勻分布的采樣點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),并在每個(gè)采樣點(diǎn)主動(dòng)掃描區(qū)域內(nèi)各信道上的AP信號(hào),通過(guò)接收信號(hào)協(xié)議幀中的MAC地址來(lái)辨識(shí)不同AP,并記錄其信號(hào)強(qiáng)度值。每個(gè)采樣點(diǎn)處測(cè)得的全部可見(jiàn)熱點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度、MAC地址及采樣點(diǎn)坐標(biāo)等信息作為一條記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息被稱(chēng)為位置指紋。

指紋信息采集階段,在室內(nèi)環(huán)境中多次測(cè)量多個(gè)訓(xùn)練點(diǎn),并記錄室內(nèi)AP的對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度值,并通過(guò)算法建立預(yù)測(cè)模型。

(1) 由服務(wù)器搜集并分析路由器傳回的即時(shí) RSSI 文件,根據(jù)指紋采集設(shè)備的 MAC 地址以及室內(nèi)的測(cè)量坐標(biāo),插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。

(2) 依據(jù)指紋信息數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行接收信號(hào)強(qiáng)度與單臺(tái) AP 距離之間的擬合,并記錄此定位算法建模的模型參數(shù)。

2.2.2實(shí)時(shí)定位階段

終端定位階段通過(guò)終端無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡實(shí)時(shí)測(cè)量可見(jiàn)的AP信號(hào)強(qiáng)度信息,與位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,取信號(hào)相似度最大的采樣點(diǎn)位置為定位結(jié)果。

終端定位階段在終端上設(shè)計(jì)程序,可以實(shí)現(xiàn)終端上定位結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋,同時(shí)也可以為終端提供基于位置的信息服務(wù)。定位過(guò)程中,服務(wù)器收到終端上安裝的客戶(hù)端定位請(qǐng)求,通過(guò)分析環(huán)境中多臺(tái)AP傳回的實(shí)時(shí)RSSI文件,找到相應(yīng)終端的MAC,調(diào)用算法計(jì)算出坐標(biāo)值回傳給客戶(hù)端。具體流程如下:

(1) 用戶(hù)終端上開(kāi)啟定位服務(wù)客戶(hù)端,請(qǐng)求與服務(wù)器 TCP通信。建立連接后傳輸 MAC 地址,并不停地向服務(wù)器發(fā)送定位請(qǐng)求。

(2) 服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到TCP端口傳來(lái)的客戶(hù)端請(qǐng)求,依據(jù)路由器及時(shí)回傳的RSSI文件,套用定位算法,計(jì)算出客戶(hù)端當(dāng)前坐標(biāo)值,回傳給客戶(hù)端。

(3) 客戶(hù)端依據(jù)響應(yīng)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地更新畫(huà)布,將收到的坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示在相應(yīng)客戶(hù)端地圖的相應(yīng)點(diǎn)上。同時(shí),還可以在客戶(hù)端地圖上預(yù)設(shè)一些興趣點(diǎn)的信息,在客戶(hù)端與服務(wù)器進(jìn)行交互時(shí)便可以通過(guò)這些興趣點(diǎn)為用戶(hù)提供多樣化的位置信息服務(wù)。

3結(jié)語(yǔ)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。尤其是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境,常需要確定智能終端或其持有者在室內(nèi)的位置信息,使采用WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行室內(nèi)定位成為可能,從而彌補(bǔ)了GPS及基站定位技術(shù)在室內(nèi)運(yùn)用方面的不足。

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Algorithm and Model of Indoor Positioning Technology Based on WiFiZHANGLei

(East China Architectural Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002, China)

Abstract：This paper compared the indoor positioning methods based on WiFi.The indoor positioning technology based on received signal strength indication(RSSI) is generalized easily and doesn’t need the additional hardware devices.The positioning model based on RSSI and fingerprint information prediction model were analyzed.It is pointed out that the fingerprint information prediction model can effectively improve the accuracy of indoor positioning and reduce the positioning error caused by obstacles.

Key words:indoor positioning method; received signal strength indication(RSSI); positioning model; fingerprint information prediction model

收稿日期：2015-06-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2016)01-0064-04