基于RSSI的室內(nèi)定位算法

吳鋒

(信陽農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

近年來，各種定位技術(shù)發(fā)展迅速，室內(nèi)精確定位服務(wù)的需求量大增，基于位置的服務(wù)LBS(Location-Based Services)也越來越受到人們的關(guān)注[1]。對(duì)于室外定位，目前主要有美國的GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)。然而，衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度受環(huán)境影響衰減較大，導(dǎo)致建筑物或樹木密集區(qū)以及室內(nèi)無法使用其定位。目前，WIFI被廣泛使用于城市公共接入熱點(diǎn)，很多辦公室、家庭都實(shí)現(xiàn)了WIFI全覆蓋，因此，將WIFI引入室內(nèi)定位，不但能大大降低部署成本，而且能保證室內(nèi)定位或復(fù)雜環(huán)境下定位的進(jìn)度及覆蓋率。

根據(jù)定位機(jī)制，室內(nèi)定位分基于測距和非測距兩種方式[2]?；诜菧y距的方式是根據(jù)接收端的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完成定位。該定位方式無需額外部署節(jié)點(diǎn)，因此成本低、功耗小，但受硬件限制，定位速度慢、定位精度不高。如APIT(Approximate Point In Triangulation)[3]、DV-Hop(Distance Vector Hop)[4]等?；跍y距的方法通過測量節(jié)點(diǎn)間的角度、相位或者距離完成定位，如TOA()、TDOA()、RSSI、AOA等。該定位方式需要額外部署設(shè)備，通過計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)位置，定位精度相對(duì)較高[5]。

1 RSSI定位技術(shù)

RSSI定位技術(shù)屬于基于測距的定位方法，該方法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)律部署，然后發(fā)送無線信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)接收該無線信號(hào)強(qiáng)度值，利用路徑傳播模型，將該強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離[6]，從而估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置。該方法只需要部署一些未知節(jié)點(diǎn)，通過無線信號(hào)強(qiáng)度就可以完成定位，實(shí)現(xiàn)起來簡單方便。缺點(diǎn)是，由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，利用RSSI值計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離，通過節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置定位時(shí)，易收到多徑反射的影響。文獻(xiàn)[7]采用線性回歸分析RSSI 傳播模型中的兩個(gè)參數(shù)( 距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1m的 RSSI 值和路徑損耗指數(shù)) ，信號(hào)仍受到環(huán)境因素很大的影響。文獻(xiàn)[8]針對(duì)測距結(jié)果引入抗差估計(jì)理論，對(duì)不同的誤差進(jìn)行剔除和降權(quán)處理，提高了定位精度。針對(duì)上述相關(guān)研究的情況，本文首先采用中值濾波來減少測量誤差，充分利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，盡量消除環(huán)境對(duì)RSSI值的影響，然后利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)修正，從而提高定位效率。

2 高斯模型分析RSSI

RSSI值在反向通道基帶接收濾波之后產(chǎn)生，在104μs內(nèi)進(jìn)行基帶I/Q支路功率積分得到RSSI的瞬時(shí)值，并在1s內(nèi)對(duì)瞬時(shí)值進(jìn)行平均得到RSSI的平均值,是一種表示當(dāng)前介質(zhì)中電磁波能量大小的指標(biāo)，其隨著距離而衰減，目前，一般采用對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型表示信號(hào)強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系。

(1)

其中：PL(d)為距離d處的信號(hào)強(qiáng)度；PL(d0)為距離d0處的信號(hào)強(qiáng)度，一般d0=1.0m；xσ表示是一個(gè)服從N( m，σ2) 的高斯隨機(jī)變量。

在實(shí)際測量時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)在同一位置可以接收到多個(gè)RSSI值，由于多徑傳播、反射等因素的影響，實(shí)際的RSSI值和理論RSSI值存在一定的差異，該差異主要體現(xiàn)在xσ上。運(yùn)用高斯分布函數(shù)處理RSSI值：

(2)

(3)

(4)

未知節(jié)點(diǎn)接收到n個(gè)RSSI值時(shí)，必然存在小概率事件，為了提高定位精度，可以先除去小概率事件。經(jīng)過多次試驗(yàn)，高斯分布函數(shù)值小于或等于0.6時(shí)，此時(shí)的RSSI值可以認(rèn)為是小概率事件。即：

(5)

3 三邊定位算法

3.1 三邊測量法

本文采用三邊測距法進(jìn)行定位，通過未知節(jié)點(diǎn)得到的三個(gè)RSSI值，由式(1)可以得到未知節(jié)點(diǎn)到該三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，p1到p的距離記為d1，p2到p的距離記為d2，p3到p的距離記為d3，則未知節(jié)點(diǎn)的位置應(yīng)該在以p1,p2,p3為圓心，d1,d2,d3為半徑的圓相交的部分之內(nèi)，即圖1中A、B、C點(diǎn)范圍之內(nèi)。

圖1三邊測量法

3.2 定位算法

定位算法步驟如下：

(1)初始化信標(biāo)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型；

(2)未知節(jié)點(diǎn)按照一定周期發(fā)送帶有自身特征的無線信號(hào)；

(3)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收某一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送的無線信號(hào)，并存儲(chǔ)；

(4)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)某一未知節(jié)點(diǎn)所有的RSSI值運(yùn)用高斯分布進(jìn)行處理；

(7)取3個(gè)最大的RSSI值，并計(jì)算成距離；

圖2信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、實(shí)際節(jié)點(diǎn)布局

(8)通過3.1中三邊測量法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文在約93 m2(6m×15.5m)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，每隔3m部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)，共布置了14個(gè)AP(信標(biāo)節(jié)點(diǎn))，未知節(jié)點(diǎn)(實(shí)際節(jié)點(diǎn))4個(gè)，分別為A、B、C、D。布局見圖2。

以左下角為原點(diǎn)，記為(0,0)，分別在A、B、C、D進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，定位結(jié)果見表1。

表1 定位結(jié)果誤差分析表

經(jīng)過多次分析發(fā)現(xiàn)：未知節(jié)點(diǎn)的位置越靠近已知的三個(gè)RSSI值最大的節(jié)點(diǎn)的幾何中心位置時(shí)，誤差越小，平均誤差≤1 m；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)越靠近已知的三個(gè)RSSI值最大的節(jié)點(diǎn)中某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，誤差越大，平均誤差≤2 m?；緷M足于室內(nèi)定位對(duì)于精度的要求。

試驗(yàn)表明，本算法對(duì)于定位精度小于或等于2m的室內(nèi)定位，基本能滿足要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但是，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)部署的位置、未知節(jié)點(diǎn)偏向于某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，都會(huì)影響定位的精度，還需要在后續(xù)的研究中解決。