基于WIFI的室内定位技术

无线定无线定位技术位技术 课程报告课程报告 基于基于 WIFI 的室内定位技术的室内定位技术 学院学院 学号学号 姓名姓名 20152015 年年 1111 月月 1 目录 1背景 1 2室内定位技术相关理论 3 2 1定位技术简介 3 2 2定位测距原理 4 2 3WiFi 基础知识 6 3基于 RSSI 的室内定位技术 8 3 1RSSI 定位技术分类 8 3 2典型的室内传播模型 9 3 2 1 线性距离路径损耗模型 9 3 2 2 对数距离路径损耗模型 9 3 2 3 衰减因子模型 10 3 2 4 MK 模型 11 3 3基于模型的定位算法 11 3 3 1 三边测量法 11 3 3 2 双曲线定位法 12 3 3 3 最小二乘法 13 4总结 15 参考文献 16 1 基于基于 WIFI 的室内定位技术研究的室内定位技术研究 1背景背景 时间和空间是人们生活 生产的基本要素 人们的一切活动都离不开时间 和空间 随着无线通信技术的发展和人们生活水平的提高 基于位置的服务 Location Based Service LBS 需求量不断增长 发展迅速 受到大家的广泛 关注 并且在社交网络 广告服务 旅游 购物 公共安全服务等诸多领域得 到广泛应用 1 根据定位环境的不同 无线定位技术大致可分为室外定位和室内定位两大 类 以美国的全球定位系统 Global Positioning System GPS 为代表的全球导 航卫星系统 Global Navigation Satellite System GNSS 室外定位技术已经相 当成熟 可靠性好 精度高 给室外定位带来了极大的便利 并且在军事 交 通 测绘 环境监测等领域得到广泛应用 然而人们日常生活的大部分时间都 在室内活动 人们已经不再满足于只能在室外享有基于位置的信息服务 室内 定位的需求变得日益强烈 卫星信号不能穿透建筑物 并且在障碍物遮挡较为 严重的情况下 卫星定位系统无法给出可靠的定位结果甚至无法定位 因此 全球导航卫星系统不能满足人们室内定位的需求 于是室内定位技术应运而生 目前室内定位技术主要有光跟踪定位技术 A GPS 定位技术 超声波定位 技术 蓝牙技术和 WiFi 技术等 光跟踪定位技术要求探测器和跟踪目标之间可 视 这使得光跟踪技术的应用受到很多限制 A GPS 定位技术通过延长每个码 的延迟时间来提高信号的灵敏度 需要通过相关机搜索延迟码 需要在手机内 集成 GPS 接收机 这就决定了 A GPS 定位技术使用范围的局限性 2 超声波定 位目前大多数采用反射式测距法 定位精度可达厘米级 精度较高 但容易受 到反射 透射 绕射等多径效应的影响 且成本较高 3 蓝牙技术所需的设备 体积小 易于集成在 PDA PC 以及手机中 但它在复杂的环境中稳定性差 2 覆盖范围小 WiFi 技术是一种新型的信息获取技术 具有覆盖范围广 传输速 度快 成本较低 易于安装 稳定性高等特点 各大媒体争先报道 有的甚至 称 WiFi 将是室内定位的最佳选择 4 5 现在的笔记本电脑 PDA 和智能手机等移动设备都支持 WiFi 介入技术 而且 WiFi 网络的接入点分布于餐厅 宾馆 机场 学校 医院和个人家庭等各 种不同的场所 在日常生活中 可以说 WiFi 无处不在 因此 将 WiFi 技术应 用于定位领域 具有很好的发展前景 3 2室内定位技术相关理论室内定位技术相关理论 2 1定位技术简介定位技术简介 定位技术是指在某环境下确定某一时刻待定位移动终端在某种参考坐标系 的中的具体位置 6 目前最流行的就是 GNSS 但其需要在相对地域较为空旷 高层的建筑不多的地方才能精准定位 室内定位目前无法使用 室内定位技术 就是指在室内环境下确定某一时刻移动终端在某种参考坐标系中的具体位置 在室内环境下 大多都采用无线局域网 WLAN 来估计接收终端的位置 无 线局域网中的接入点 Access Point AP 类似无线通信网络中的基站 在定位 中发挥主要作用 几乎所有的无线局域网都使用射频信号 Radio Frequency 来进行通信 因为无线电波能够穿透大部分的室内墙壁以及障碍物 所以 WiFi 可以提供更大的覆盖范围 给定位带来便捷 室内定位可以分成基站型 Network Based 和移动终端型 Mobile Terminal Based 两大类 基站型是由各个基站接收移动终端上传的信号 利用 接收到的信号进行定位 移动终端型是由移动终端利用各个基站下传的信号做 定位运算 其中上传和下传的信号可分为接收的信号强度 Received Signal Strength Indication RSSI 信号到达的角度 Angle of Arrival AOA 信号到 达的时间 Time of Arrival TOA 以及不同信号到达的时间差 Time Difference of Arrival TDOA 等 整个定位的流程 Error Reference source not found 所示 接收机 接收机 定位算法位置显示 RF信号 TOA AOA TDOA RSSI 位置坐标 x y z 4 图 2 1 室内定位流程图 2 2定位测距原理定位测距原理 定位技术根据定位过程中采取方法的不同分为基于传播过程的定位方法和 基于其他辅助终端的定位方法 7 这里主要介绍基于传播过程的定位方法 1 基于信号传播时间 Time of Arrival TOA TOA 方法 8 主要测量无线信号在 AP 和移动终端之间的单程传播时间或者 收发一次的来回传播时间 1 前种方法要求 AP 或移动终端能够记录信号发出的 准确时间 并且对收终端的钟有着十分高的要求 这样才能保证记录时间的准 确性 而后者不要求两个终端时间同步 是一种十分常见的测量传播时间的方 法 但同样对时钟的精确度有着十分高的要求 设无线电波从 AP1 传播到移动终端所需时间为 其传播速度为 那么移tc 动终端必位于以 AP1 位置为圆心 为半径的圆上 同理在 AP2 AP3 上进 t c 行相同的计算 在理想情况下 三个圆交汇于一点 这个点就是移动终端所在 位置 如 Error Reference source not found 所示 图 2 2 TOA 方法示意图 2 基于信号传播的时间差 Time Difference of Arrival TDOA TDOA 方法 1 是通过检测无线信号到达两个 AP 的时间差来确定移动终端的 位置 非常有效的降低了 TOA 测量时对发射终端和接收终端时钟同步的性能要 5 求 采用三个不同的 AP 就可以得到两个 TDOA 值 移动终端就位于两个 TDOA 决定的双曲线的交点上 如果有三个以上的 AP 则可以得到多个双曲线 方程 如果传播过程以及测量等都为理想情况 理论上这些双曲线方程都会交 于一点 而这点就是移动终端的位置 图 2 3 TDOA 方法示意图 3 基于信号到达角度 Angle of Arrival AOA 在基于信号到达角度 AOA 5 的定位机制中 AP 节点通过天线阵列或多个 超声波接收机感知来自待定节点信号的到达方向 计算接收节点和发射节点之 间的相对角度或方向 再通过集合法则计算出节点的位置 AOA 定位不仅能确 定节点的坐标 还能同时得知未知终端的方位信息 但是测量到达角度通常需 要定向天线 由于这个原因 它的应用会带来额外的成本和系统复杂度 且易 受外界环境的影响 4 基于接收信号强度 Received Signal Strength Indication RSSI 实验表明 无线信号在传播过程中遵循以下规律 9 在 AP 发射功率一定的 情况下 接收到的信号强度与收发双方的距离成反比关系 距离越近 接收方 收到的信号强度越强 反之则接收到的信号强度越弱 信号强度与发射端到接 收端距离满足以下公式 MERGEFORMAT 2 1 10lgpd 式 MERGEFORMAT 2 1 中 为接收到的信号强度 取决于发射功率 p 6 额外损耗和其他系统常数 为路径损耗指数 为通信链路物理路径长度 d 即发射端到接收端的距离 RSSI 方法根据已知的电波传播模型 由移动终端测量来自几个 AP 的信号 强度值 利用三个或三个以上信号强度值转化成移动终端到已知基站的距离 来对移动终端进行定位 一般通过 3 个 AP 就可以确定移动终端的位置 这种方法相对比较简单 不需要额外的设备 但影响信号强度的因素较多 所以定位精度不甚理想 在定位精度要求不高的情况下可以使用 2 3WiFi 基础知识基础知识 WiFi 是 Wireless Fidelity 无线保真 的简称 俗称无线带宽 是一种能够 将个人电脑 手持设备 如 PDA 手机 等终端以无线方式互相连接的技术 其有效范围可以达到数百英尺 该技术使用 IEEE802 11 系列协议 图 2 4 WLAN 的组成元件 IEEE802 11 所定义的无线网络硬体架构 主要由工作站 基站 无线介质 和传输系统等元件组成 如 Error Reference source not found 所示 10 1 工作站 Station STA 任何设备只要拥有 IEEE802 11 的 MAC 层和 PHY 层的接口 就可以称为 一个工作站 常见的工作站包括笔记本电脑 PDA 和智能手机等 它们使用无 线网络的目的很简单 即在没有网线布置的条件下使用有线网络的资源 2 基站 Access Point AP 基站 AP 又称为接入点 是具有无线至有线之间桥接功能的设备 其不仅 具有工作站的功能 还提供工作站接入分布式系统的能力 除桥接外 还包括 7 一些控制和管理的功能 3 无线介质 Wireless Medium WM IEEE802 11 标准所使用的帧是以无线介质的形式在工作站之间进行传递的 无线介质就是无线局域网物理层使用到的传输媒介 4 传输系统 Distribution System DS 若要准确定位移动设备的当前位置 基站之间必须协调通信 因此为了扩 大无线的有效覆盖范围 就需要多个基站共同完成 基站间传送帧的骨干网络 称为传输系统 它属于 802 11 的逻辑组件 与传统有线网络相比 WiFi 无需布线 安装和设置相当简单 非常适合移 动办公的应用场景和家庭网络的使用 由于其使用的 2 4GHz ISM 频段尚属无需 许可证即可使用的无线频段 极大了节约了使用成本 此外 WiFi 还有覆盖范 围广 传输速度较高 稳定性好和健康安全等优点 作为目前主流的无线接入技术 WiFi 已经被广泛用于城市公共接入热点 家庭网络和办公网络等场景 也将有越来越多的先进技术融入其中 因此 WiFi 也将具有更广阔的发展前景 8 3基于基于 RSSI 的室内定位技术的室内定位技术 基于信号强度 RSSI 的测距是一项低成本和低复杂度的距离测量技术 被广泛应用于无线传感器网络基于距离的定位技术中 11 3 1RSSI 定位技术分类定位技术分类 基于 RSSI 测量技术的定位系统主要有两类定位方法 即位置指纹法和传 播模型法 图 3 1 位置指纹法定位过程示意图 基于位置指纹的定位算法一般分为两个阶段 离线阶段和在线阶段 定位 过程如 Error Reference source not found 所示 12 离线阶段主要建立位置指纹 数据库 在定位区域内选取参考点 然后通过信号收集设备收集这些位置点上 的射频 Radio Frequency RF 指纹 在线阶段用户通过移动终端采集 AP 的 RSSI 通过位置指纹定位算法与位置指纹数据库中的 RF 指纹进行比对 经处 理最后得到定位用户的位置 传播模型法是指在已知环境中 通过接收到的信号强度结合该环境下信号 传播衰减模型 计算出移动设备到基站的距离 然后利用三边测量法 双曲线 定位法 最小二乘法等定位算法 估计定位用户的位置 与位置指纹法相比 9 该方法减少了对经验数据的依赖 减少了建立位置指纹数据库的工作量 虽然 该方法精度较低 但是容易部署 3 2典型的室内传播模型典型的室内传播模型 在自由空间中 距离发射机 处的接收功率可以用著名的 Friis 公式来表d 示 MERGEFORMAT 3 1 2 2 2 Pr 4 ttr PGG d d L 式中 代表基站发射功率 是发射端天线增益 是接收端天线增益 t P t G r G 是传输波的波长 是接收端与发射端的距离 是系统损耗系数 随环境 dL 障碍物的材质改变而改变 等式中 距离未知外 其他参数都已知或可以测d 量得到 故可根据式 MERGEFORMAT 3 1 求出距离 d 3 2 1线性距离路径损耗模型线性距离路径损耗模型 线性模型是一种常见模型 其假设在室内环境下路径损耗 path loss 与传 输距离成线性分布 13 其表达式为 MERGEFORMAT 3 2 0 L ddl 式中 为信道的衰减常数 单位 为常数 为距离 AP 为的 dB m 0 l L d 信号强度 单位是 dBm 3 2 2对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型 理论和实验研究表明 信道的大尺度衰落特性是服从对数正态分布的 无 论是室内还是室外环境 接收信号强度与信号传播距离之间的关系可以用对数 路径损耗模型 14 表示 表达式为 MERGEFORMAT 0 0 10 log d PL dPL dnX d 3 3 10 式中 是路径损耗指数 与建筑物和周围环境有关 是近地参考距离 一n 0 d 般取 是参考距离处的路径损耗值 是满足的正态随1m 0 PL d 0 dX 2 N 机变量 是接收端与发射端的距离 Error Reference source not found 给出d 了不同建筑物的 错误错误 未定义书签 未定义书签 n 表 3 1 不同建筑物的路径损耗系数 n 建筑物n 零售店 2 2 蔬菜店 1 8 办公室 硬分隔 3 办公室 软分隔 2 4 办公室 软分割 2 6 室内走廊 3 3 2 3衰减因子模型衰减因子模型 衰减因子模型 15 具有较强的灵活性 适用于同层或多层环境 又被称为楼 层衰减因子模型 模型公式为 0 0 10log SF d PL dPL dnFAFX d MERGEFORMAT 3 4 式中 表示同层的路径衰减系数 如果同层路径损耗指数较精准 则可通过 SF n 加上衰减因子 FAF floor attenuation factor 来获得不同楼层的路径损耗 FAF 与环境和工作频率有关 Error Reference source not found 给出了楼层衰减因 子的经验值 16 表 3 2 楼层衰减损耗值 穿透楼层数 123 FAF dB 1621 223 4 dB 3 44 02 3 11 对于多层的建筑物 其室内路径损耗还可以表示为自由空间损耗附加上损 耗因子 并随距离增长成指数变化关系 0 0 20log d PL dPL ddFAF d MERGEFORMAT 3 5 3 2 4MK 模型模型 MK 模型考虑了信号在室内传播过程中遇到墙壁和地板产生衰减的情况 衰减模型可以表示为 0 10 log wwff PL dPL dndN LN L MERGEFORMAT 3 6 式中 表示距离发射节点处的传播损耗值 和表示发射节点 0 PL d1m w N f N 与接收节点之间墙壁和地板的个数 和表示墙壁和地板的损耗指数 w L f L 3 3基于模型的定位算法基于模型的定位算法 基于传播模型的定位算法有很多 多数都是针对平面定位系统的设计 最 基本的定位算法有三边定位法 双曲线定位法和最小二乘法等 3 3 1三边测量法三边测量法 假设 Error Reference source not found 中 点 1 2 和 3 分别为 AP1 AP2 和 AP3 对应的坐标分别为 和 黑色点为用户测量信号 11 x y 22 xy 33 xy 的位置 即 测量到各个 AP 的距离为 和 根据几何关系可知 x y 1 d 2 d 3 d MERGEFORMAT 3 7 22 2 111 22 2 222 22 2 333 xxyyd xxyyd xxyyd 12 由式 MERGEFORMAT 3 7 得到用户坐标为 1 222222 1313131313 222222 2323 232323 1 2 xxyyxxyyddx yxxyy xxyydd MERGEFORMAT 3 8 图 3 2 三边测量法示意图 3 3 2双曲线定位法双曲线定位法 在基于信号传播时间差 TDOA 的测距方法中提到 两组双曲线可以 确定一个点 如 Error Reference source not found 所示 假设用户坐标为 三个信标节点 A B 和 C 的位置坐标是已知 P x y 的 分别为 和 用户位置到各个信标节点的距离分 11 x y 22 xy 33 xy 别为 和 根据几何关系可知 1 d 2 d 3 d MERGEFORMAT 22 1 2 3 iii dxxyyi 3 9 且 MERGEFORMAT 3 10 22 1232 dddd 由以上公式 MERGEFORMAT 3 9 和 MERGEFORMAT 3 10 可以得 到两个解 即双曲线的两个交点 其中一个为点 P 的坐标 另一个需要结 13 合先验知识来排除 图 3 3 双曲线定位法示意图 3 3 3最小二乘法最小二乘法 当室内环境下设置 3 个或 3 个以上 AP 时 设用户测量信号的位置为点 各个 AP 的坐标分别为 点 P 到各个 00 P xy 1112223 nn P x yP xyP xy AP 的距离分别为 则可建立方程组 1 d 2 d n d MERGEFORMAT 3 11 22 2 01011 22 2 02022 22 2 00nnn xxyyd xxyyd xxyyd 分别用第 1 到 n 1 个方程减去第 n 个方程 可得 222222 1111010 222222 2222020 222222 1111010 22 22 22 nnnnn nnnnn nnnnnnnnnn ddxyxyxxxyyy ddxyxyxxxyyy ddxyxyxxxyyy MERGEFORMAT 3 12 记上式为 MERGEFORMAT 3 13 Axb 14 其中 11 22 11 22 22 22 nn nn nnnn xxyy xxyy A xxyy 0 0 x x y 222222 111 222222 222 222222 111 nnn nnn nnnnnn xxyydd xxyydd b xxyydd 根据最小二乘原理 如果非奇异 解 x 得 T AA MERGEFORMAT 3 14 1 TT xA AA b 15 4总结总结 报告简要介绍了室内定位技术的发展背景和相关理论 包括定位技术简介 定位测距原理和 WiFi 基础知识 重点介绍了基于 RSSI 的 WiFi 室内定位技术 并给出了其典型的室内传播模型和常见的基于模型的定位算法 16 参考文献参考文献 潘立波 基于 WIFI 技术的无线定位算法研究与实现 D 浙江大学 2013 2 姜莉 基于 WiFi 室内定位关键技术的研究 D 大连理工大学 2010 3 汪苑 林锦国 几种常用室内定位技术的探讨 J 中国仪器仪表 2011 02 期 54 57 4 潘立波 基于 WIFI 技术的无线定位算法研究与实现 D 浙江大学 2013 5 颜俊杰 基于 WIFI 的室内定位技术研究 D 华南理工大学 2013 6 Noh A S I Lee W J Ye J Y Comparison of the mechanisms of the ZigBee s indoor localization algorithm C Software Engineering Artificial Intelligence Networking and Parallel Distributed Computing 2008 SNPD 08 Ninth ACIS International Conference on IEEE 20