基于多頻信號融合的WIFI室內(nèi)定位可行性分析

胡 斌，鄒 亮，徐貴亮，楊 健，劉軍建，杜志明

（1.深圳市交投科技有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

1 WIFI室內(nèi)定位技術(shù)介紹

WIFI又稱為無線保真，是一種可以通過一定的協(xié)議和認(rèn)證以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備通過無線方式互相連接訪問的技術(shù)。WIFI是一種短距離的無線通信技術(shù)，一般接收信號半徑約為95m，也是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。

WIFI無線網(wǎng)絡(luò)的組建簡單、成本低，基本配備為具有無線網(wǎng)卡的一個(gè)接入點(diǎn)。移動通信終端可以通過連接有線寬帶網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)直接訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能。這為辦公室、室內(nèi)娛樂場所、家庭與大型商場提供了一種更為快捷的上網(wǎng)途徑。WIFI信號在開闊空間中有效傳輸距離約為300m，在室內(nèi)空間也具有70m到110m之間的信號傳輸距離。其網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的兼容性，方便與其他網(wǎng)絡(luò)整合。

室內(nèi)定位是指在某一時(shí)刻確定移動通信終端在室內(nèi)的位置坐標(biāo)。隨著人們購物、娛樂、辦公等室內(nèi)場所的不斷擴(kuò)大，人們對室內(nèi)定位需求也日益增加。因此基于室內(nèi)定位的技術(shù)和解決方案也不斷涌現(xiàn)。邊角測量法、最近接入點(diǎn)法和位置指紋法是室內(nèi)定位技術(shù)經(jīng)常使用的方法。

1.1 邊角測量法

（1）邊測量法是通過測量物體與多個(gè)接入點(diǎn)間的距離來計(jì)算待測物體的位置。在二維平面上，邊測量法的基本原理是假設(shè)目標(biāo)終端N的二維坐標(biāo)（x，y，z），接入點(diǎn)M1、M2、M3的二維坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）。各個(gè)接入點(diǎn)與目標(biāo)終端的坐標(biāo)計(jì)算出各自間的距離d1、d2、d3，最終確定目標(biāo)終端的位置，如圖1所示。利用無線電傳播的數(shù)學(xué)模型，把在目標(biāo)終端測得的信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為距離，即基于信號強(qiáng)度的測量法。

圖1 目標(biāo)定位基本原理

（2）角測量的基本原理是通過兩個(gè)接入點(diǎn)的位置及其發(fā)射出來的信號分別達(dá)到目標(biāo)終端的角度從而推算出目標(biāo)終端的位置。其定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它要求每個(gè)參考點(diǎn)的接收天線為天線陣。為滿足定位需求，每個(gè)天線陣在一個(gè)長波范圍內(nèi)要有4到12個(gè)天線。

1.2 最近接入點(diǎn)法

最近接入點(diǎn)法是指目標(biāo)終端在某一已知位置或距離已知位置較近時(shí)被物理接觸或是信號感知，從而確定目標(biāo)終端的位置。在無線局域網(wǎng)中，接入點(diǎn)是連接移動通信終端從無線通訊到有線通訊的橋梁。每個(gè)接入點(diǎn)都有一定的信號覆蓋范圍，進(jìn)入這一信號覆蓋區(qū)域的無線移動通信終端都可以通過與其連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。所以，在無線局域網(wǎng)中，最近接入點(diǎn)法定位技術(shù)主要通過接入點(diǎn)的位置來確定目標(biāo)終端的位置，其定位準(zhǔn)確度主要依賴無線接入點(diǎn)的性能和定位所在的環(huán)境。目前有兩種途徑可以獲取接入點(diǎn)上記錄的所連接移動通信終端的信息：基于 RADIUS[1]和基于 SNMP[2-3]。RADIUS（Remote Authentication Dial-In User Service）[4]是一種提供集中式認(rèn)證、授權(quán)和網(wǎng)絡(luò)訪問的服務(wù)?；赗ADIUS方法的使用前提是無線局域網(wǎng)中應(yīng)使用RADIUS服務(wù)器來負(fù)責(zé)WLAN用戶的認(rèn)證和訪問。其認(rèn)證方式是RADIUS服務(wù)器保存通過認(rèn)證用戶的MAC地址、所以接入點(diǎn)SSID等信息，并結(jié)合接入點(diǎn)的位置信息對用戶進(jìn)行定位，如圖2。SNMP（simple Network Management Protocol）稱作簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，作為一種標(biāo)準(zhǔn)方式，支持對接入點(diǎn)上信息的訪問。

圖2 架設(shè)RADIUS服務(wù)器的無線局域網(wǎng)

1.3 位置指紋定位法

環(huán)境對信號的多徑傳播有很大影響，不同的位置接收的信號強(qiáng)度是不同的，且每個(gè)位置所對應(yīng)的信號強(qiáng)度是唯一的。信號發(fā)射終端發(fā)射出的信號經(jīng)過反射、折射最后到信號接收終端所產(chǎn)生的路徑稱為多徑信號，這樣的多路徑特征也被形象的認(rèn)為是某一位置的“指紋”。信號的多路徑特征包括接入點(diǎn)的MAC地址、信號強(qiáng)度等。通過離線訓(xùn)練階段測試采集這些多路徑特征數(shù)據(jù)，建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，使實(shí)時(shí)定位點(diǎn)測試的接收信號強(qiáng)度與位置指紋點(diǎn)進(jìn)行匹配，找出相似信號強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定位。

基于位置指紋定位的WIFI室內(nèi)定位技術(shù)分為兩個(gè)階段：離線訓(xùn)練階段和實(shí)時(shí)定位階段。離線訓(xùn)練階段的目標(biāo)是收集各指紋點(diǎn)的信號特征和數(shù)據(jù)，構(gòu)建兩者關(guān)系對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，即位置指紋數(shù)據(jù)庫。為了實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)庫，首先需要確定被定位對象中所有需要采集的指紋點(diǎn)，然后遍歷所有指紋點(diǎn)記錄每個(gè)接入點(diǎn)的MAC物理地址和對應(yīng)信號強(qiáng)度，最后將它們整理存儲到位置指紋數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時(shí)定位階段，當(dāng)用戶移動到某一位置時(shí)，用戶將會接收到一組接入點(diǎn)的MAC物理地址和對應(yīng)的接收信號強(qiáng)度，通過實(shí)時(shí)定位點(diǎn)與指紋點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度的比較匹配確定用戶位置，整個(gè)過程如圖3所示。

圖3 位置指紋定位法定位流程

在眾多可以應(yīng)用到WIFI網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)中，位置指紋定位技術(shù)具有定位精度高、操作成本經(jīng)濟(jì)、有利于保護(hù)用戶隱私、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而受到眾多研究人員的青睞，成為室內(nèi)定位的研究主流。表1從多角度比較了不同定位方法的特點(diǎn)。

1.4 影響室內(nèi)定位精度的因素

室內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜，阻隔、干擾、吸收通信信號的障礙物較多。而對信號傳播影響的主要因素有以下三種：多徑傳播、陰影效應(yīng)、信號接發(fā)設(shè)備的性能。

由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號的發(fā)射端與接收端之間因存在障礙物不能直接進(jìn)行信號的直線傳播，而是通過折射、反射進(jìn)行傳播，接收端接收信號是直射和多個(gè)折射、反射波的合成。不同路徑的信號到達(dá)時(shí)間、信號強(qiáng)度都不同，傳播過程互相干擾抵消，稱為多徑衰落。這種多徑傳播現(xiàn)象一定程度上使傳播的信號失真，從而影響室內(nèi)定位的精度。

表1 基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)的比較

在WIFI網(wǎng)絡(luò)中，移動通信終端在運(yùn)動的情況下，由于建筑物和其他物體對電波傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區(qū)域上產(chǎn)生半盲區(qū)，從而形成電磁場陰影，這種隨著移動通信終端位置的不斷變化而引起的接收點(diǎn)場強(qiáng)中值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。陰影效應(yīng)是產(chǎn)生慢信號衰落的主要原因。而信號的衰落或變化也會影響室內(nèi)定位系統(tǒng)的判斷，從而影響定位精度。

信號接發(fā)射設(shè)備的性能也是影響信號傳播的重要因素。發(fā)射頻率高的發(fā)射端發(fā)射的信號強(qiáng)度較高，但由于頻率較高需要能量大，且信號容易被障礙物干擾、吸收，所以傳播信號的距離短。發(fā)射頻率低的發(fā)射端需要的能量較小，其發(fā)射的信號穿透力強(qiáng)，傳播的距離較遠(yuǎn)，但是信號強(qiáng)度較弱不利于接收設(shè)備的接收信號判斷。接收端與發(fā)射端同等重要，接收端接收靈敏度的好壞對信號的接收強(qiáng)度要求不同，靈敏度高的可以接收信號強(qiáng)度低的信號。接收靈敏度這個(gè)參數(shù)本身包含了處理噪聲系數(shù)、干擾等影響。

另外，接入點(diǎn)的天線布設(shè)、用戶端的運(yùn)動情況、室內(nèi)環(huán)境特性，如溫度和濕度也會影響定位精度。

2 位置指紋定位技術(shù)的典型算法

在眾多的位置指紋定位算法中，最近鄰法和貝葉斯概率算法受到廣泛的研究和應(yīng)用[5-7]。

2.1 最近鄰法

最近鄰法通過給定的檢驗(yàn)樣例和它相似的訓(xùn)練樣例進(jìn)行對比來定位。最近鄰法算法在定位時(shí)，移動通信終端節(jié)點(diǎn)獲取接入點(diǎn)發(fā)射的信號強(qiáng)度，記為S=( )

s1,s2,…,sn；其中n為接入點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然后將該信號強(qiáng)度S與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)Fi=( )r1,r2,…,rn進(jìn)行匹配，從而獲得移動通信終端的位置信息。移動通信終端的位置指紋S與位置指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)的鄰近性用兩者間的距離來度量，如歐幾里德距離，見式（1）。

對于移動通信終端的位置指紋S和它最接近的位置指紋所對應(yīng)的位置見式（2）。

2.2 貝葉斯概率法

通過貝葉斯分類預(yù)測類成員關(guān)系的可能性，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算的定位方法稱為貝葉斯概率法。利用貝葉斯概率法定位過程為：首先，假設(shè)在室內(nèi)定位空間產(chǎn)生一個(gè)位置指紋，記作{F1,F2,…,Fi} ，且每個(gè)位置指紋與一組接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度{L1,L2,…,Li} 有一一對應(yīng)關(guān)系。在實(shí)時(shí)定位階段，移動終端的一個(gè)實(shí)時(shí)位置指紋的信號強(qiáng)度表示為S，其包含n個(gè)接入點(diǎn)信號強(qiáng)度的平均值，即S=(s1,s2,…,sn)。所以貝葉斯概率法就計(jì)算實(shí)時(shí)位置指紋與位置指紋數(shù)據(jù)庫的匹配概率，表示為p(Li|S)。由貝葉斯定理可以推導(dǎo)出公式（3）：

其中：L為指紋參考點(diǎn)個(gè)數(shù)；p()Li為移動終端出現(xiàn)在指紋參考點(diǎn)Li位置上的概率，通常認(rèn)為p()Li是均勻分布的。因?yàn)椴煌慕尤朦c(diǎn)發(fā)出的信號強(qiáng)度各自不同，由概率分布知識得出某一位置指紋處的接收信號強(qiáng)度服從高斯正態(tài)分布，得出表達(dá)式（4）。

其中，u和δ表示信號強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。最后采用最大后驗(yàn)假設(shè)得到估計(jì)的用戶位置，見式（5）。

3 2.4GHz、5GHz信號在WIFI網(wǎng)絡(luò)的傳播特點(diǎn)分析

3.1 2.4GHz無線技術(shù)概述

2.4 GHz信號是在世界范圍內(nèi)公開使用的無線頻段，而基于2.4GHz信號的WIFI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種短距離、廣泛使用的無線傳輸技術(shù)，無線通信技術(shù)在2.4GHz頻段下工作的設(shè)備可以獲得更大的使用范圍和更強(qiáng)的抗干擾能力。

2.4 GHz頻段具有適用范圍廣、帶寬高、耗電低等優(yōu)點(diǎn)。它是一個(gè)全球性的頻段，開放性較高，所有無線通信產(chǎn)品均可使用該頻段，目前廣泛用于無線建設(shè)及無線寬帶路由器等室內(nèi)場合。在移動通信終端中，所有攜帶無線網(wǎng)卡的設(shè)備都以2.4GHz頻段為標(biāo)準(zhǔn)，它系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸頻率優(yōu)勢明顯、允許雙向傳輸，且抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)；而且2.4GHz無線電和天線的體積小，芯片集中，減少耗電。因2.4GHz信號無線技術(shù)的優(yōu)勢，各廠家不斷研究推出新技術(shù)，使得此技術(shù)發(fā)展迅速。另一方面，由于2.4GHz ISM頻段存在頻段重合，大部分無線技術(shù)都采用該頻段，其他干擾源的信號干擾，如家用電器、微波干擾等，使得該頻段信號傳輸擁擠，傳輸信號失真嚴(yán)重。

規(guī)定WIFI在2.4GHz無線電波頻段進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)有802.11b、802.11g、802.11n（雙頻段標(biāo)準(zhǔn)）。其信道分布在2 041-2 483MHz的頻譜之間，相鄰的多個(gè)信道存在重疊現(xiàn)象，只有1、6、11信道完全不重疊，如圖4所示。圖中的1、6、11信道非重疊可同時(shí)被使用在同一個(gè)自由空間中。

圖4 WIFI信道分布

3.2 5GHz無線技術(shù)概述

工作在5GHz頻段的WIFI標(biāo)準(zhǔn)主要有802.11a、802.11n（雙頻段標(biāo)準(zhǔn)）、802.11ac。5GHz頻段的頻譜資源在世界各國分配不同，在WIFI聯(lián)盟2010發(fā)布的《802.11n System Interoperability Test Plan》中規(guī)定，共有24個(gè)可用信道，每個(gè)信道頻寬為20MHz，且互不重疊。在我國可用的5GHz頻段有5個(gè)信道。

5GHz頻段比2.4GHz頻段的波長小一半左右，波長為6cm。其傳播特性與2.4GHz頻段的電磁波有以下幾方面不同：

高頻段的功率衰減受距離變化的影響大，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢。根據(jù)自由空間路徑損耗計(jì)算公式，見公式（6），計(jì)算得出在相同距離下5GHz比2.4GHz載波的路徑損耗大8dB，即工作頻率為5GHz的通信網(wǎng)絡(luò)在發(fā)射功率相同的情況下，其覆蓋范圍半徑是工作頻率為2.4GHz的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍半徑的一半。

高頻段的信號傳播穿透能力比低頻段的弱，抗衰落性差，穿透損耗高。微波穿透尺寸遠(yuǎn)大于波長的障礙物的路徑損耗稱為穿透損耗。工作頻段為2.4GHz的微波穿透損耗為10-20dB，5GHz的微波穿透損耗為20-45dB。

高頻頻段的微波方向性好，5GHz頻段的角度擴(kuò)展小于2.4GHz頻段的角度擴(kuò)展。但其形成比2.4GHz頻段更嚴(yán)重的陰影區(qū)，因?yàn)檩^好的方向性在一定程度上降低其繞射能力。在實(shí)驗(yàn)檢測中5GHz頻段在障礙物后面的信號強(qiáng)度顯出較低水平。

3.3 基于2.4與5GHz信號的802.11n標(biāo)準(zhǔn)定位技術(shù)分析

802.11 n是為了使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，以高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)為標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸協(xié)議。其結(jié)合了多種技術(shù)，包括Spatial Multiplexing（Multi-In,Multi-Out）、20 和 40MHz信道和2.4GHz、5GHz雙頻率。隨著用戶對WIFI技術(shù)提出越來越高的要求，傳統(tǒng)的802.11技術(shù)已經(jīng)無法支撐，于是新一代WLAN接入技術(shù)誕生。據(jù)國際WI-FI聯(lián)盟組織2009年初公布的802.11n產(chǎn)品的認(rèn)證增長率數(shù)據(jù)顯示，世界范圍內(nèi)有超過500款的802.11n設(shè)備完成認(rèn)證，認(rèn)證增長率與硬件普及率也逐年增長。認(rèn)證的增加使得具備2.4和5GHz頻率的雙頻率WIFI接入點(diǎn)越來普及。在本課題的實(shí)驗(yàn)對象就配有2.4與5GHz信號的雙頻率WIFI網(wǎng)絡(luò)。另外，隨著智能手機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在大部分智能手機(jī)或者平板電腦都配備了雙頻率無線網(wǎng)卡，如蘋果手機(jī)、三星智能手機(jī)、第三代小米手機(jī)，平板電腦等。這些硬件設(shè)備為本文研究和實(shí)現(xiàn)基于2.4與5GHz信號相融的WIFI網(wǎng)絡(luò)定位提供了硬件基礎(chǔ)。

2.4 GHz頻段具有適用范圍廣、帶寬高抗干擾能力強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但由于2.4GHz頻段存在頻段重合，大部分無線技術(shù)都采用該頻段，加之其他干擾源的干擾，使得2.4GHz頻段的信道相互干擾嚴(yán)重，削弱了信號傳輸?shù)恼鎸?shí)性，從而影響基于2.4GHz信號WIFI網(wǎng)絡(luò)定位的定位精度。5GHz頻段具有獨(dú)立不重疊的信道，不存在因信道重疊擁擠而影響信號的傳輸，但是存在高頻段中，隨著距離增加功率衰減的速度快、抗衰落性能弱、路徑損耗大、環(huán)射能力低、陰影區(qū)大等傳輸特點(diǎn)，不能單獨(dú)在WIFI網(wǎng)絡(luò)中定位。根據(jù)上述兩種頻率的傳播特點(diǎn)，本文選取兩種頻率的優(yōu)勢特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，重點(diǎn)研究2.4與5GHz信號相融的WIFI位置指紋定位算法，從而提高室內(nèi)定位的精度。

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