基于RSSI值的室內(nèi)定位系統(tǒng)的比較研究

曾黨泉

摘 要：文章詳細(xì)闡述了RSSI值的定位原理，并對(duì)兩種基于RSSI值的室內(nèi)定位系統(tǒng)——LANDMARC系統(tǒng)和VIRE系統(tǒng)的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并根據(jù)其原理進(jìn)行了Matlab仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析了這兩種定位系統(tǒng)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，為以后的改進(jìn)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)分析比較LANDMARC及VIRE系統(tǒng)，得知了VIRE系統(tǒng)在LANDMARC系統(tǒng)基礎(chǔ)之上做了較大改進(jìn)，VIRE系統(tǒng)的平均精度約為L(zhǎng)ANDMARC系統(tǒng)平均精度的3倍。

關(guān)鍵詞：RSSI；定位系統(tǒng)；LANDMARC；VIRE

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

無(wú)線射頻識(shí)別（RFID） 技術(shù)因傳播方式非接觸、傳播過(guò)程非視距、硬件成本低廉、定位目標(biāo)準(zhǔn)確而在室內(nèi)定位中廣泛應(yīng)用 [1]。由于測(cè)量技術(shù)不同，室內(nèi)定位的方法分為“接收信號(hào)強(qiáng)度方法（RSSI） ”[2]、“到達(dá)角度方法（AOA）”、“到達(dá)時(shí)間方法（TOA）”與“到達(dá)時(shí)間差方法（TDOA） ”[3]。基于時(shí)間、相位等信息的定位方法復(fù)雜，需要添加額外的硬件設(shè)施，因此設(shè)備研發(fā)、制作成本高。在室內(nèi)環(huán)境中，由于室內(nèi)環(huán)境的特殊性及大規(guī)模應(yīng)用、部署的需要，室內(nèi)定位終端需要滿足價(jià)格低廉、安裝方便、易于攜帶等要求，而基于RSSI的室內(nèi)定位設(shè)備就能滿足這些條件。基于RSSI的室內(nèi)定位系統(tǒng)主要包括RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)[4]、LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)[5]以及LANDMARC的改進(jìn)系統(tǒng)VIRE室內(nèi)定位系統(tǒng)[6]。文中將對(duì)LANDMARC和VIRE系統(tǒng)做深入的比較研究[7]。

1 RSSI方法及其應(yīng)用系統(tǒng)

RSSI法是一種將測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M信號(hào)路徑耗損，計(jì)算目標(biāo)距離，利用定位算法得到目標(biāo)坐標(biāo)的定位方法。這里所需的信號(hào)衰減經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎蓪?shí)驗(yàn)得到或通過(guò)理論推導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)證明，RSSI法能在一定程度上抵消多徑效應(yīng)的影響，更適合于室內(nèi)環(huán)境[8]。

目前不少RFID系統(tǒng)都運(yùn)用RSSI方法。但無(wú)線電在室內(nèi)傳播時(shí)有很多干擾因素，如衰減、繞射等。這些因素都影響 RSSI方法的定位精度[9]。

RSSI損耗模型公式如下所示：

其中，P （d）是經(jīng)過(guò)距離d后的路徑損耗，單位為 dB；d0為d=1 m時(shí)的參考距離；n為路徑長(zhǎng)度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于障礙物的結(jié)構(gòu)和使用的材料，其范圍為2～5；Xσ是平均值為0的高斯分布隨機(jī)變數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10。LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)以及LANDMARC的改進(jìn)系統(tǒng)VIRE室內(nèi)定位系統(tǒng)為其典型應(yīng)用。

1.1 LANDMARC定位系統(tǒng)

LANDMARC系統(tǒng)采用“最近鄰距離 （kNN）”方法，在定位區(qū)間設(shè)定坐標(biāo)已知的參考標(biāo)簽。參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽的歐氏距離計(jì)算公式如下所示：

式中，n為閱讀器的個(gè)數(shù)，ρik是第i個(gè)閱讀器所讀取的第k個(gè)參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度，φi是該閱讀器讀取的待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度，Ek表示未知標(biāo)簽與參考標(biāo)簽k的“歐氏距離”。待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)可由下式推算出來(lái)：

式中，（x，y）為待測(cè)標(biāo)簽的坐標(biāo)；（xi，yi）為第i個(gè)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)； ωi為對(duì)應(yīng)的第i個(gè)參考標(biāo)簽的權(quán)重，其計(jì)算公式為：

不難看出，E值最小的參考標(biāo)簽權(quán)重最大。LANDMARC系統(tǒng)成本廉價(jià)，能更好地適應(yīng)變化的環(huán)境，獲得的位置信息更加準(zhǔn)確可靠，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差[10]。

1.2 VIRE定位系統(tǒng)

VIRE定位系統(tǒng)的核心思想是在LANDMARC算法的基礎(chǔ)上將每4個(gè)參考標(biāo)簽看作一個(gè)大的單元格，然后將這個(gè)大單元格細(xì)分為n×n個(gè)小單元格，在小單元格處加入虛擬參考標(biāo)簽。

其中，Sk（Ti，j）表示第k個(gè)閱讀器讀到的在（i，j）坐標(biāo)位置上的虛擬標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值。a=[i/n]，b=[j/n]，0≤p=i% n≤n-1，0≤q =j%n≤n-1。

在VIRE定位系統(tǒng)中，由于添加了大量的虛擬參考標(biāo)簽，因此虛擬參考標(biāo)簽的多少也對(duì)定位結(jié)果造成了一定影響，考慮到這些因素，系統(tǒng)定義了一個(gè)影響因子W2i，用其表示虛擬參考標(biāo)簽疏密度造成的影響。假設(shè)每個(gè)最近鄰居由信號(hào)強(qiáng)度值確定的權(quán)重為W1i，那么其計(jì)算公式為：

2 LANDMARC系統(tǒng)與VIRE系統(tǒng)的定位分析比較

2.1 LANDMARC定位系統(tǒng)的分析

根據(jù)LANDMARC系統(tǒng)定位的原理可知，LANDMARC系統(tǒng)精度的高低與參考標(biāo)簽的數(shù)量有著很大的關(guān)系。當(dāng)參考標(biāo)簽數(shù)目過(guò)少時(shí)，待測(cè)標(biāo)簽搜索不到足夠的優(yōu)質(zhì)參考標(biāo)簽，從而加大了環(huán)境噪聲的影響因子。因此，提高參考標(biāo)簽的數(shù)量似乎成為了提高LANDMARC系統(tǒng)定位精度的唯一方法，事實(shí)情況是否真的如此呢？文中就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了Matlab仿真比較和分析，LANDMARC系統(tǒng)中閱讀器、參考標(biāo)簽和待測(cè)標(biāo)簽的分布如圖2所示，不同數(shù)量的參考標(biāo)簽的定位精度（路徑損耗指數(shù)為2.5）絕大部分待測(cè)標(biāo)簽的定位精度都跟參考標(biāo)簽的數(shù)量有關(guān)，參考標(biāo)簽越多，精度越高，誤差就越小。但也存在幾個(gè)特例，尤其是待測(cè)標(biāo)簽5，參考標(biāo)簽越多，其精度越低，誤差越大。從圖2可以看出，待測(cè)標(biāo)簽5處于參考標(biāo)簽和閱讀器區(qū)域的邊緣地帶，沒(méi)有被閱讀器和參考標(biāo)簽很好的覆蓋，所以該點(diǎn)定位誤差相對(duì)其它待測(cè)標(biāo)簽要大。因此LANDMARC系統(tǒng)定位精度的高低除了與參考標(biāo)簽的數(shù)量有關(guān)，還與待測(cè)標(biāo)簽本身所處的位置有關(guān)，即是否被優(yōu)質(zhì)參考標(biāo)簽和閱讀器所覆蓋。此外，顯示出絕大多數(shù)情況下參考標(biāo)簽越多，定位精度越高，那么是否參考標(biāo)簽越多定位精度就越高呢，最鄰近參考標(biāo)簽數(shù)量相差較大情況下的定位誤差如圖4所示。

參考標(biāo)簽數(shù)量為14的定位精度多數(shù)情況下都要比數(shù)量為6或10的精度低，并且誤差比數(shù)量為6或10的誤差要大很多，特別是待測(cè)標(biāo)簽5、14、17和20等，參考標(biāo)簽數(shù)14的定位誤差要比數(shù)量6的定位誤差大很多。由此可以看出，參考標(biāo)簽數(shù)為14的平均誤差要比參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)為6或10的平均誤差大。由此證明并非參考標(biāo)簽的數(shù)量越多，定位精度就越高，參考標(biāo)簽的數(shù)量要適量才能提高定位精度。

2.2 VIRE定位系統(tǒng)的分析

VIRE室內(nèi)定位系統(tǒng)是LANDMARC系統(tǒng)的改進(jìn)方案。在VIRE系統(tǒng)中，引入了虛擬標(biāo)簽的概念，不僅大大提升了系統(tǒng)的定位精度，還提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。但根據(jù)VIRE系統(tǒng)原理，VIRE系統(tǒng)在算法中要為最近鄰居的選取設(shè)定一個(gè)閾值，由于室內(nèi)環(huán)境中信號(hào)傳播的復(fù)雜性，設(shè)置統(tǒng)一的閾值是不可行的。如果閾值設(shè)定過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致一些相關(guān)性不大的最近鄰居被引入；而當(dāng)閾值過(guò)小時(shí)，一些相關(guān)性較好的最近鄰居會(huì)被忽略。就幾組不同閾值的定位精度進(jìn)行分析比較（路徑損耗指數(shù)為2.5，與LANDMARC系統(tǒng)相同）。參考標(biāo)簽和待測(cè)標(biāo)簽的分布如圖2所示，不同閾值的定位精度情況如圖5所示。

不同的閾值定位誤差相差巨大，待測(cè)標(biāo)簽18在0.5閾值時(shí)幾乎沒(méi)有誤差，但在8閾值時(shí)誤差卻超過(guò)了2.5 m，無(wú)法正常定位。從總體誤差上看，閾值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成不能正常定位的情況。在本次仿真中，閾值在2～4之間效果最好，所以閾值在實(shí)際環(huán)境中的選取非常重要。

2.3 VIRE系統(tǒng)與LANDMARC系統(tǒng)的比較分析

從前面定位誤差的數(shù)據(jù)可以看出，VIRE系統(tǒng)的定位精度比LANDMARC系統(tǒng)的定位精度高，可通過(guò)幾組仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。參考標(biāo)簽和待測(cè)標(biāo)簽的分布如圖2所示，VIRE系統(tǒng)（路徑損耗指數(shù)與閾值都為2.5）與LANDMARC系統(tǒng)（路徑損耗指數(shù)為2.5）的定位誤差情況如圖6所示。

從圖6可以看出，VIRE系統(tǒng)在絕大多數(shù)情況下定位誤差要比LANDMARC系統(tǒng)的定位誤差小，特別是待測(cè)標(biāo)簽13的定位誤差，VIRE系統(tǒng)的誤差不到LANDMARC系統(tǒng)的十分之一。為了能更清晰的比較這個(gè)系統(tǒng)的定位精度，表1詳細(xì)列出了這兩個(gè)系統(tǒng)每個(gè)待測(cè)標(biāo)簽的誤差值。

根據(jù)表1中的誤差值可計(jì)算出LANDMARC系統(tǒng)的平均誤差值為0.989 m，VIRE系統(tǒng)平均誤差值為0.347 m。從平均誤差值的比較中可以看出，LANDMARC系統(tǒng)的定位誤差約為VIRE系統(tǒng)定位誤差的三倍，因此可以得出VIRE系統(tǒng)的定位精度比LANDMARC系統(tǒng)的定位精度平均要高三倍的結(jié)論。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文就兩種常見的基于RSSI值的室內(nèi)定位系統(tǒng)LAND MARC系統(tǒng)與VIRE系統(tǒng)從理論上進(jìn)行了較詳細(xì)的描述，并

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對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析和仿真，通過(guò)理論分析和仿真數(shù)據(jù)的比較，充分說(shuō)明了這兩種定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后更深入的研究基于RSSI值的室內(nèi)定位系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

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