WIFI室內(nèi)精確定位的研究

齊思凱 童學(xué)衡 王高杰 李岸宸 吉曉峰 吉林大學(xué)軟件學(xué)院

WIFI室內(nèi)精確定位的研究

齊思凱 童學(xué)衡 王高杰 李岸宸 吉曉峰 吉林大學(xué)軟件學(xué)院

定位技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)在人們的工作生活中起著不可或缺的作用。目前常見的定位技術(shù)有GPS定位，基站定位，WiFi定位等。GPS由于信號(hào)穿透力較弱，當(dāng)用戶處于室內(nèi)信號(hào)被遮擋時(shí)，定位不準(zhǔn)確。基站定位基于運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量附近多個(gè)基站的信號(hào)得到用戶的位置，但是精度較低。目前主流的WiFi定位技術(shù)是通過(guò)設(shè)備掃描并收集周圍的AP信息然后發(fā)送至位置服務(wù)商，服務(wù)器檢索這些AP的物理地址并通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出設(shè)備的位置，這種技術(shù)要求位置服務(wù)商不斷采集AP最新數(shù)據(jù)并更新自己的數(shù)據(jù)庫(kù)以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，而如何以較低成本達(dá)到方便準(zhǔn)確的室內(nèi)WiFi定位是人們?nèi)找嬷匾暤膯?wèn)題。

WiFI室內(nèi)定位 單源點(diǎn)定位

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度或者對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)WiFi定位。

通常WiFi信號(hào)強(qiáng)度是隨著便攜設(shè)備同路由器之間的距離增大而減少的，因此可以將如何測(cè)量距離轉(zhuǎn)換為如何測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，與此類似的是電磁波在傳播過(guò)程中，速度是固定數(shù)值，因此可以根據(jù)速度時(shí)間公式，將便攜設(shè)備同路由器之間的距離轉(zhuǎn)換WiFi信號(hào)傳輸速度與傳輸時(shí)間的乘積，基于上述兩種思想，產(chǎn)生出RSSI定位算法，TDOA定位算法等來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 RSSI定位算法介紹

RSSI定位算法是根據(jù)路由器端發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度以及便攜設(shè)備根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)而計(jì)算出信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減，根據(jù)損耗模型以及公式得到傳輸衰減，計(jì)算出便攜設(shè)備同路由器之間的距離，從而計(jì)算出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。式(1.1)為距離損耗模型的一般形式：

其中P0為便攜設(shè)備同路由器之間的距離為d0時(shí)的接收到的WiFi信號(hào)強(qiáng)度，d為便攜設(shè)備同路由器之間的實(shí)際距離，n為傳播衰減因子，為信號(hào)遮蔽相關(guān)因子。

RSSI定位算法能夠非常方便的在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位，然而實(shí)際使用過(guò)程中也是存在不同程度的問(wèn)題的，隨著便攜設(shè)備指紋數(shù)量逐漸變多，定位算法的時(shí)間復(fù)雜度會(huì)隨之增大，進(jìn)而引起定位算法的效率以及定位速度會(huì)變低，導(dǎo)致定位效果變差，尤其是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，弊端更加明顯。

2.2 TDOA算法介紹

TDOA的定位算法是利用距離的相關(guān)程度來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位的，它實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，對(duì)設(shè)備的要求比較低、而且定位準(zhǔn)確度，實(shí)時(shí)性比較高，被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。利用TDOA算法實(shí)現(xiàn)定位首先需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)量出便攜設(shè)備與周邊至少3個(gè)路由器之間的距離，在通過(guò)三角法以及極大似然估計(jì)法等得到便攜設(shè)置的相對(duì)坐標(biāo)，并且可以利用其它算法來(lái)修正結(jié)果，減小測(cè)量誤差。

2.3 新型的定位算法

目前，國(guó)際上新興了一種新型，高效，低成本的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)定位:根據(jù)信號(hào)到達(dá)角度+調(diào)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，這種算法將在本文的下一部分詳細(xì)介紹。

3 新型的定位算法原理

定義：TOP：空氣中傳輸時(shí)間(Time of Propagation)

（1）先假定WiFi信號(hào)傳播過(guò)程中為理想環(huán)境，即不存在多條路徑，同時(shí)也不存在偵測(cè)延遲和信號(hào)相位差，理想情況下，路由器擁有足夠?qū)挼膸挿秶?，那么?jì)算TOP將變得十分容易。然而，現(xiàn)如今的路由器設(shè)備的帶寬并不足以支持我們計(jì)算TOP，于是我們又有了一個(gè)新的思路：現(xiàn)在的新型路由器設(shè)備都具有2.4GHz和5.0GHz兩個(gè)頻段，這兩個(gè)頻段帶寬之和足夠我們收集信息以計(jì)算TOP。我們通過(guò)不斷改用不同的發(fā)射頻率，收集在不同工作頻率下的信息，從而實(shí)現(xiàn)獲取TOP。計(jì)算模型如下：

Distance=Time of Light x TOP

（2）通過(guò)電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，我們注意到一個(gè)信號(hào)傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的相位。建立關(guān)系如下：φ=2πft mod 2π

其中φ是路由器設(shè)備接收到來(lái)自便攜設(shè)備的WiFi信號(hào)的相位，f是發(fā)射端的當(dāng)前的頻率，t是我們想要得到的TOP，由于這種方法中WIFI頻段分布是離散的，因此我們可以建立TOP與無(wú)線信道相關(guān)屬性之間的關(guān)系方程組。

圖1 關(guān)系方程組

（4）利用中國(guó)剩余定理，并使用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法就可以得到這個(gè)變量t即TOP這個(gè)變量的數(shù)值部分。

（5）考慮實(shí)際情況中的偵探延遲的這樣的現(xiàn)象，實(shí)際真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)是這樣的：

圖2 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

故我們所需要計(jì)算的TOP是t以及t’兩者之和。

（6）減弱t’對(duì)t的影響是至關(guān)重要的，對(duì)變量t的影響是至關(guān)重要的，需要值得深思的是，路由器使用OFDM技術(shù)，因此路由器的數(shù)據(jù)包的很大一部分的每一位都是在一個(gè)單獨(dú)的OFDM子載波中快速傳輸。而且我們可以利用OFDM子載波的的特殊性質(zhì)：0號(hào)子載波沒(méi)有偵探延遲，給出簡(jiǎn)單的證明如下：

顯然我們可以得到我們想要的結(jié)論：0號(hào)子載波傳輸過(guò)程中是沒(méi)有偵探延遲的。然而僅僅這些是不夠的，0號(hào)子載波雖看起來(lái)很有用，但是0號(hào)子載波并不能用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。幸運(yùn)的是，我們可以通過(guò)利用其它子載波來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)其它的測(cè)量。具體來(lái)說(shuō)，它充分利用了室內(nèi)無(wú)線信道是基于強(qiáng)大物理規(guī)律的這一事實(shí)。因此，在一個(gè)小數(shù)量范圍內(nèi)的OFDM子載波中，他們是不間斷的。這也就是意味著我們可以在所有的子載波插值測(cè)量的信道相在零子載波來(lái)估計(jì)丟失的相位。

最后，我們可以使用線性插值，就可以根據(jù)0號(hào)子載波附近的子載波計(jì)算得到0到子載波的信息。如下圖所示：

圖3 線性插值

最終計(jì)算得到TOP，實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此算法計(jì)算得到的定位坐標(biāo)誤差非常的小，但是容易受到環(huán)境影響，比如在環(huán)境復(fù)雜時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多徑現(xiàn)象。

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