基于位置融合的WiFi室內(nèi)定位新策略

王華強(qiáng),魯晶,張海濤

(61175部隊(duì),湖北 武漢 430000)

基于位置融合的WiFi室內(nèi)定位新策略

王華強(qiáng),魯晶,張海濤

(61175部隊(duì),湖北 武漢 430000)

基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)由于其成本低、易部署的特點(diǎn)成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；赗SS的WiFi室內(nèi)定位由于受到室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化性強(qiáng)的特性,位置估計(jì)精度和可靠度較低,因此本文提出了一種新的位置融合定位策略進(jìn)一步改善基于RSS的WiFi室內(nèi)定位的精度。新的位置估計(jì)策略融合三種AP選取策略的位置估計(jì)結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果表明，新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計(jì)的精度,同時(shí)保證定位結(jié)果的可靠性,其整體定位性能更優(yōu)。

RSS;WiFi室內(nèi)定位;AP選取;融合

0 引 言

近年來(lái),室內(nèi)基于位置的服務(wù)(BS)應(yīng)用不斷發(fā)展,其涉及人們的工作、學(xué)習(xí)和生活等各方面,例如員工的位置跟蹤、商場(chǎng)自助導(dǎo)購(gòu)、突發(fā)情況的人員定位等[1]。目前,低成本、高精度的室內(nèi)定位解決方案成為L(zhǎng)BS應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。由于全球廣泛部署的AP(Access Points)以及智能移動(dòng)設(shè)備的普適普及,基于RSS的WiFi指紋定位逐步成為一個(gè)研究熱點(diǎn)?？紤]到室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,AP發(fā)射的信號(hào)衰落除了與距離有關(guān)外,還受到多徑效應(yīng)以及非通視(LOS)的影響。RSS接收器接收到的實(shí)際信號(hào)相比于其理論值產(chǎn)生了嚴(yán)重畸變,因此基于RSS的WiFi室內(nèi)定位精度較低,一般為3～5 m[3]。本文結(jié)合目前已有的基于RSS的WiFi室內(nèi)定位中的AP選取算法[4-5],提出了一種新的位置融合定位策略,從而在提高定位精度的同時(shí)兼顧定位延時(shí)影響,進(jìn)一步改善基于RSS的WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)的整體性能。新的位置估計(jì)策略融合三種AP選取策略的位置估計(jì)結(jié)果,從而提高位置估計(jì)的精度。三種AP選取策略分別為:線下階段完成的基于聯(lián)合信息增益(IG) 的AP選取策略,位置估計(jì)精度較高的基于標(biāo)準(zhǔn)方差(TD)的AP選取策略,以及線上階段耗時(shí)較小的基于信號(hào)丟失率(LR)的AP選取策略。

1 不同AP選取算法原理

1.1基于JIG的AP選取策略

基于JIG最大化的AP選取依據(jù)AP對(duì)于位置區(qū)分度的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行最優(yōu)AP的選取,它將AP的RSS觀測(cè)值看作特征,利用信息增益衡量特征為指紋點(diǎn)分類(lèi)帶來(lái)的信息量大小,帶來(lái)的信息越多,AP越重要。本文選取JIG進(jìn)行分析,從整體性考慮AP子集對(duì)于位置區(qū)分度大小,選取JIG最大的AP子集作為最優(yōu)AP子集。JIG計(jì)算過(guò)程如下:

對(duì)于任意的離散隨機(jī)變量X,假定離散值的可能取值為x1,x2,…,xN,則X的信息熵H(X)計(jì)算公式為

(1)

式中:p(xi)為隨機(jī)變量X取值xi的離散概率;NX表示離散隨機(jī)變量X不同的可能取值的個(gè)數(shù); log表示對(duì)數(shù)函數(shù),信息熵的底數(shù)一般取值2,自然數(shù)e或者10,不同底數(shù)求取的信息熵之間可以相互轉(zhuǎn)換,這里取以10為底的對(duì)數(shù)。

基于RSS的WiFi指紋定位中N個(gè)AP構(gòu)成的子集的JIG計(jì)算公式為

JIG(AP1,AP2,…,APN)=H(L)-

H(L|AP1,AP2,…,APN),

(2)

(3)

(4)

式中:p(RSSi|Lj)為校準(zhǔn)點(diǎn)Lj處RSSi出現(xiàn)的概率。

1.2基于SLR的AP選取策略

類(lèi)似于基于最大均值(MM)的AP選取策略,基于SLR的AP選取策略考慮環(huán)境動(dòng)態(tài)變化引起的AP信號(hào)丟失問(wèn)題。相比基于MM的AP選取策略,基于SLR的AP選取策略對(duì)線上觀測(cè)時(shí)間的要求更為“寬松”,因此其更加適用于實(shí)時(shí)定位要求較高的室內(nèi)定位需求。信號(hào)丟失率的計(jì)算公式為

(5)

式中:n表示線上階段移動(dòng)設(shè)備的掃描次數(shù);nloss表示AP丟失的觀測(cè)次數(shù)。

1.3基于STD的AP選取策略

基于STD的AP選取策略認(rèn)為RSS的標(biāo)準(zhǔn)差直接反映了RSS序列的抖動(dòng)情況,STD越小RSS的不規(guī)則衰落效應(yīng)越小,對(duì)應(yīng)的AP越有利于位置估計(jì)。假定目標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)了N個(gè)AP的k個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù),則基于均值最大的AP選取算法主要分為以下兩步:

1) 計(jì)算各個(gè)AP的k個(gè)歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)的STD;

2) 對(duì)N個(gè)AP按照均值從大到小的順序進(jìn)行降序排列,選取出均值最大的M個(gè)AP作為最有AP子集。

2 位置融合定位策略及性能評(píng)估

2.1位置融合定位策略

本文提出了一種新的位置融合定位策略。新的位置估計(jì)策略融合三種AP選取策略的位置估計(jì)結(jié)果,從而提高位置估計(jì)的精度。步驟如下:

1) 分別利用三種AP選取策略選取最優(yōu)AP子集,并分別計(jì)算定位點(diǎn)的位置,依次記為(xJIG,yJIG)、(xSTD,ySTD)和(xSLR,ySLR);

2) 設(shè)置定位結(jié)果X軸向和Y軸向的差異閾值β=0.5 m,對(duì)三個(gè)位置結(jié)果進(jìn)行融合,由于X軸向和Y軸向的融合步驟一致,因此以X坐標(biāo)計(jì)算過(guò)程為例對(duì)融合算法進(jìn)行說(shuō)明;

3) 對(duì)三個(gè)X坐標(biāo)值xJIG、xSTD和xSLR從小到大進(jìn)行排序,依次記為xmin、xmedian和xmax;

5) 若差值大于軸向差異閾值β=0.5 m,計(jì)算Δx1=xmedian-xmin和Δx2=xmax-xmedian,最終的X坐標(biāo)計(jì)算公式為

(6)

2.2性能評(píng)估指標(biāo)

(7)

MSE的計(jì)算公式為:

(8)

式中:n表示目標(biāo)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

RMS的計(jì)算公式如下:

(9)

由于不同AP選取策略會(huì)引起定位階段的位置估計(jì)延時(shí),因此本文引入了定位延時(shí)的性能評(píng)估指標(biāo),即線上階段移動(dòng)設(shè)備位置估計(jì)所消耗的時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)新的定位算法性能進(jìn)行評(píng)估分析,本文在圖1所示的場(chǎng)景中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)中的指紋點(diǎn)和定位點(diǎn)的分布如圖1所示,表1示出了融合定位策略與融合前的位置估計(jì)結(jié)果的精度對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景選取某機(jī)房,實(shí)驗(yàn)采用大樓內(nèi)所有可觀測(cè)的AP作為信號(hào)發(fā)射源,信號(hào)的接收器采用小米手機(jī)。實(shí)驗(yàn)中采樣點(diǎn)的高度盡量保持一致,高度方向的差異不超過(guò)0.1 m.數(shù)據(jù)采集時(shí),手機(jī)的WiFi信號(hào)掃描間隔設(shè)置為1 s,即大約每1 s記錄一個(gè)RSS觀測(cè)值。分別在6個(gè)指紋點(diǎn)上和18個(gè)定位點(diǎn)持續(xù)觀測(cè)了3 min,每個(gè)采樣點(diǎn)上觀測(cè)歷元個(gè)數(shù)約為180個(gè),相鄰兩個(gè)指紋點(diǎn)間的間隔為4 m,相鄰兩個(gè)定位點(diǎn)之間的間隔為1 m. 由于手機(jī)WiFi掃描信號(hào)存在時(shí)延,因此實(shí)際觀測(cè)樣本數(shù)略小于180. 實(shí)驗(yàn)方案分布如圖1所示(圖中,‘▲’表示指紋點(diǎn),‘○’表示定位點(diǎn)。):

圖1 AP選取實(shí)驗(yàn)方案圖

表1 融合定位策略與融合前的位置估計(jì)結(jié)果的精度對(duì)比

表中,JIG、SLR和STD分別表示利用三種不同AP選取策略選取出的AP子集進(jìn)行位置估計(jì)的定位結(jié)果,融合定位表示新提出的位置融合定位策略的位置估計(jì)精度。從表中可以看出,融合定位策略的平均定位誤差為1.707 6 m,明顯小于融合前的其它定位結(jié)果的MSE。同時(shí),融合定位的定位誤差的最大值和RMS也優(yōu)于其它三種定位策略。盡管融合定位的線上耗時(shí)大于其它幾種策略,綜合而言,位置融合定位策略精度明顯優(yōu)于融合前的其它三種定位策略。圖2示出了融合定位策略與融合前三種定位策略的誤差累積分布圖。

圖2 融合定位策略與融合前三種定位策略的誤差累積分布

從圖中可以看出整體而言,融合定位策略和基于SLR的定位結(jié)果的可靠度要優(yōu)于其它兩種定位結(jié)果。表2示出了定位誤差限差為1 m、2 m、3 m和4 m時(shí)的不同定位策略的可靠度。

表2 定位誤差限差為1 m、2 m、3 m和4 m時(shí)的不同定位策略的可靠度

從表中可以可出,誤差限差為2 m時(shí),基于JIG的位置估計(jì)策略的定位結(jié)果的可靠度為72.22%,優(yōu)于其它三種定位策略。然而誤差限差為1 m、3 m和4 m時(shí),基于JIG的位置估計(jì)策略的定位結(jié)果的可靠度比其它三種定位策略低。此外表中融合定位策略和基于SLR的定位結(jié)果的所有可靠度一致,因此綜合定位精度的分析可以發(fā)現(xiàn)新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計(jì)的精度,同時(shí)保證定位結(jié)果的可靠性,其整體定位性能更優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的位置融合定位策略。新的位置估計(jì)策略融合三種AP選取策略的位置估計(jì)結(jié)果,從而提高位置估計(jì)的精度。盡管融合定位的線上耗時(shí)略大于其它幾種策略,綜合而言,新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計(jì)的精度,同時(shí)保證定位結(jié)果的可靠性,其整體定位性能更優(yōu)。

[1] RAPER J,GARTNER G,KARIMI H,etal.Applications of location based services;a selected review [J].Journal of location based services,2007,1(2):89-111.

[2] DENG Z,MA L,XU Y. Intelligent AP selection for indoor positioning in wireless local area network,International ICST Conference on Communications and NETWORKING in China.New York[J].IEEE Computer Society,2011:257-261.

[3] RETSCHER G,MOSER E,VREDEVELD D,etal.Performance and accuracy test of a WiFi indoor positioning system[J].Journal of Applied Geodesy Jag,2007,1(2):103-110.

[4] 程金晶,魏東巖,唐陽(yáng)陽(yáng).WLAN指紋定位中AP選擇策略研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015(3):1-5.

[5] 尹海波,衛(wèi)文學(xué).基于WiFi的室內(nèi)定位中AP選擇方法研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)交流,2016,12(21):242-244.

ANewStrategyforWiFiIndoorLocationBasedonLocationFusion

WANGHuaqiang,LUJing,ZHANGHaitao

(ThePLA61175,Wuhan430000,China)

WiFi indoor location technology based on RSS (

Signal Strength) has become a research hotspot in recent years due to its low cost and easy deployment. WiFi indoor location based on RSS due to indoor environment is complex, dynamic characteristics, position estimation accuracy and reliability is low, so this paper proposes a new fusion positioning strategy to further improve the position of the WiFi indoor positioning precision based on RSS. Three kinds of AP fusion strategy selection strategy position estimation results to estimate the new position, the test results show that the new proposed position fusion positioning strategy can improve the accuracy of position estimation, reliability and guarantee the positioning results, and the overall performance is better.

RSS; WiFi indoor location; AP selection; fusion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.006

P228

A

1008-9268(2017)05-0029-04

2017-06-30

聯(lián)系人: 張海濤 E-mail:393167330@qq.com

王華強(qiáng)(1982-),男,山東文登人,工程師,主要從事大地測(cè)量和衛(wèi)星導(dǎo)航定位研究。

魯晶(1982-),女,黑龍江呼蘭人,工程師,主要從事航空攝影測(cè)量研究。

張海濤(1987-),男,湖南澧縣人,助理工程師,主要從事導(dǎo)航時(shí)頻研究。