基于WiFi信号的无线室内定位

论文题目：基于WiFi信号的无线室内定位作者姓名：专业名称：指导教师：堇重：瞳拯堂庭薹臣论文提交日期：论文答辩日期：授予学位日期：2Q!三生垒旦2Q曼圣生墨旦入学时间：研究方向：职称：呈Q!Q生皇旦避鲤副麴一援WIFIBASEDINDOORWIRELESSLOCALIZATIONADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTEROFMANAGEMENTfromShandongUniversityofScienceandTechnologyFanXiaoSupervisor：ProfessorPangShanchenCollegeofInformationScienceandEngineeringApr2013声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日期：AFFIRMATIONSignature：Date：矗旺“们m裟心叫嘶吣岍i言淼耄一一删dg舱l!|删哪胁溅谳油：三一|删胁嚣寒|l竺蕊卿蚰：吾憾n墩龆伯汀墒t(rl黼一叫伯钯m小怒=毗们唧砌d瞳h诅炒_：暑wmn绷毗蛐山东科技大学工程硕二I：学位论文摘要摘要随着无线定位技术的迅速发展，基于定位的服务(LBS)也逐渐普及到各个领域，例如航海导航车载定位以及人员跟踪等。尽管基于GPS技术的室外定位已经达到了很高的定位精度，但是由于GPS信号无法达到室内的特性，在GPS不适用于室内环境的条件下，室内定位面临着各种技术难题和挑战，所以它也成为当前研究和关注的热点。现有的室内定位技术主要有红外线定位、超声波定位、RFID射频识别定位以及WIFI定位等。其中，基于WIFI的定位近几年来倍受人们的关注，因为WIFI网络广泛存在于室内环境中，信息的传输比较快，而且硬件成本低耗能也较少，有利于在现有普及WIFI热点的室内环境中实现，极大地弥补了GPS在建筑密集或者室内应用的限制，扩大了定位服务的应用行业和范围。本文在介绍了WIFI技术的基本原理等与定位密切相关的重要技术的前提下，又分别对室内接受信号的采集处理，基于室内定位算法相关内容进行了详细的研究和分析。并在上述知识的基础上，根据室内WIFI环境，设计了基于WIFI信号的定位演示，通过实地数据测量和定位算法，实现了定位并测试了定位精度。信号的采集处理部分主要分为静态信号处理和动态信号处理，本文基于实验数据测量研究了室内RSS的分布并根据分布采用了相关处理方法；对几种基于室内传播模型的算法进行了分析，又重点分析了指纹定位算法定位方法，针对基于传播模型的定位方法受限于模型参数的准确性以及指纹算法需建立指纹数据库的复杂性，本文又详细研究和论述了指纹算法的主要流程，并基于指纹算法和传播模型的方法自己设计了一种将前两种方法结合的定位新算法并将其与指纹定位作了对比。最后设计了基于室内WIFI的定位演示系统，并且在安卓平板电脑端开发T*N关软件，能够实现定位位置以及精度的显示，从而验证了室内WIFI定位所能达到的精度和可行性。关键词：WiFi，信号处理，算法，定位服务，定位演示ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofwirelesspositioningtechnology,locationbasedservices(LBS)areincreasinglyusedtomanyfieldssuchasnavigation，vehiclepositioningandpersonneltrackingAlthoughoutdoorlocalizationusingGPStechnologyhasachievedahighaccuracy，itsnotsuitableforindoorenvironmentbecauseGPSsignalsarenotavailableinindoorsurroundingsThenindoorpositioningisfacingvariousdifficultiesandchallenges，itisstillaattractiveresearchtopicatthismomentHowever，indoorlocalizationtechnologiesincludeinfraredpositioning，ultrasonic，RFIDbasedpositioningandWiFilocalization，etcTheWiFi。basedpositioningismoreandmoreattractiveinrecentyearssinceWiFiwidelyexistsinindoorenvironmentwithhi曲transmissionspeed，lowpowerconsumptionanddevicecostThatcontributestotheimplementinsuchkindofubiquitousWIFIcase，andmakesupforGPSintheconstructionintensiveorindoorapplication，restrictionsandexpandtheapplicationoflocationbasedservicesindustriesandrangeAfterintroducingthebasicprincipleaboutWiFiandsomekeytechnologiesrelatedwithindoorlocalizationthispapermainlyfocusesontheresearchandanalysisonsamplingandprocessingofreceivedindoorsignalandassociatedpositioningalgorithmsrespectivelyOnthebasisofknowledgeabove，aWiFisignalbasedlocalizationdemoisdesigneddependingonindoorWiFienvironmentwhichisimplementedandtestedutilizingfieldmeasurementandpositioningalgorithmThesignalcollectionandprocessingismainlydividedintotwocatagories：staticprocessinganddynamicprocessingThispaperexplorestheRSSdistributionandusetherelatedmethodtodoRSSprocessdependingonexperimentmeasurementForthefollowingsectionconcerningpositioningalgorithms，indoorpropagationmodelbasedalgorithmsareanalyzed，thenthefingerprintingalgorithmsaremainlyfocusedonIntermsofthelimitationofmodelparameteraccuracyformodelbasedmethodsandthecomplexitycausedbydatabaseestablishmentforfingerprinting，Dependingonthetwomethodsabove，theauthorproposesanovelalgorithmwhichcombinesthemtogetherandiscomparedwithfingerprintingFinallyaWiFibasedindoorlocalizationdemoisdesignedandimplemented山东科技大学工程硕上学位论文摘要Meanwhile，thesoftwareworkingonandroidplatformisdevelopedwhichisusedtodisplaytheestimatedpositionandaccuracyThroughexperimentandthelocalizationresults，theaccuracyofWiFibasedindoorlocalizationisshowedanditsfeasibilityisalsovalidatedKeywords：WiFi；Signalprocessing，Algorithm，Localizationdemo山东科技大学工程硕士学位论文目录目录1绪论。111论文的研究背景和意义112发展研究现状213本文的主要工作414论文的组织结构52定位相关理论621室内定位技术简介622WiFi通信技术原理ll23室内信号传播模型1724典型的定位技术方法2025本章小结263室内信号分析和处理2731室内信号的统计特性及分析2732静态RSSI信号处理3233动态RSSI信号处理3533本章小结404室内定位算法研究。4141基于传播模型的定位算法4l42位置指纹定位算法4343一种将两种算法结合的新算法4644本章小结535基于WiFi的室内定位演示设计5451定位整体框架设计5452定位软件框架设计5553定位演示的实现56山东科技大学工程顶二L学位论文目录54定位演示和精度测试5855本章小结596总结与展望6061总结6062展望60致谢61参考文献。62山东科技大学工程硕二b学位论文目录CONTENTS1Introduction111Researchbackgroundandsignificanceofthispaper112Thestatusofdevelopmentandresearch213Themainworkofthispaper414Thestructureofthispaper52Localizationtheory621Briefintroductionofindoorlocalization622TheprincipleofWiFitechnology1123Thepropagationmodelofindoorsignals1724Typicallocalizationmethods一2025Summary263Indoorsignalprocessandanalysis2731Thestatisticalpropertyandanalysisofindoorsignals2732ThestaticRSSprocess3233ThedynamicRSSprocess3533Summary404Researchonindoorlocalizationalgorithm4141Propagationbasedlocalizationalgorithm4142Fingerprintingalgorithm4343Anovelcombinedalgorithm4644Summary535WiFibasedindoorlocalizationdemodesign5451Thetotalframeworkdesign5452Thesoftwareframeworkdesign5553Theimplementofdemo5654Localizationdemoandaccuracytest5855Summary59山东科技大学工程硕士学位论文目录6SummaryandOutlook6061Summary60620utlook60Acknowledgment61Reference62山东科技大学T程硕二j学位论文绪论111研究背景第1章绪论11论文的研究背景和意义随着当前移动通信技术的发展以及无线网络的逐渐普及，对于基于定位的服务(LBS)的需求也日益迅速增加，例如，出行路线导航和实时位置跟踪：商场购物车定位和顾客消费习惯收集；医院重病人跟踪监护和产房婴儿防盗等。因此，基于定位的计算和服务在入们的日程生活中发挥的作用越来越重要。无线定位系统根据定位的环境分为室外定位和室内定位。对于室外定位，目前主要有全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)1-2以及蜂窝网无线定位系统1。GPS主要是利用卫星导航根据已知位置的卫星到用户接收机的距离采用三边测量法来确定接收机的具体位置，GPS的最高精度可达5m。但是，这种定位方式需要在相对空旷及高层建筑稀少的地方才能保证定位的精确性，室内用户无法使用而且耗电量很高，尤其是GPS接受机在建筑物之内或者楼群密集区域的时候，由于建筑物对信号强度极大削减，导致定位精度很低甚至无法完成定位。虽然目前存在一种能够运用于室内定位的AGPS定位技术，但是利用AGPS的定位需要增加网络传输的次数，这对通信运营商来说无疑增加了额外的成本。在蜂窝网无线定位中，比较常用的是基于移动台的定位系统，它的定位原理与GPS类似。由于建筑物对信号的极大衰减，室外定位技术是无法实现对于室内目标的定位和跟踪。当前，室内定位技术主要有光跟踪定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术以及WiFi技术等，其中基于WiFi的定位技术是当前人们关注和研究的热点。IEEE8021l发展至今已日趋完善，随着WiFi的应用普及，基于WiFi的WLAN广泛分稚于学校、工厂、办公环境和公共娱乐场所等，智能手机、笔记本、Pad等内置了无线网卡的手持设备也都可以接收附近的WiFi信号。因此，通过WiFi信号强度指示来对目标进行定位已经成为了可能。WiFi技术覆盖范围广泛，易于安装，传输速度快并且成本较低。鉴于WiFi技术的上述优点，基于WiFi的定位在无线定位领域中引起了广泛重视，也成为了学术界研究的热点。山东科技大学工程硕士学位论文绪论112研究意义在无线通讯中，用户的位置信息是极其重要的，尤其是在繁华的市区以及高层建筑之内，用户大部分时间都是在室内环境下进行工作学习、日程生活等。所以对于室内定位的需求和重要性都在日益倍增。除了对人员的定位外，实现对设备以及商品的位置信息追踪也会带来更多的便利和商业价值。例如，对儿童出行进行安全定位监控，医院中对便携设备进行实时定位以及工厂里面对自动化机器的位置跟踪和操作等，所以能实现低成本且高精度的室内定位系统是极具现实意义的。而目前逐渐普及的WIFI技术具有扩展性强、应用范围广泛、传输不易受非视距误差多径衰落因素影响等优点，基于WiFi的定位具有更强的稳定性。这种定位可以利用位置指纹信息识别通过WiFi网络中可以随意获得的接入点AP对移动终端进行定位，避免了对无线蜂窝网络基站的依赖，同时也弥补了GPS定位在建筑密集以及室内应用的限制，提高定位精度，降低配置成本，提高了设备的利用率，对实现低成本且高精度的室内定位系统具有重要的意义。121定位技术的发展12发展研究现状当前，全球定位服务的发展主要集中在欧美和亚太两大市场，早在上个世纪60年代，就出现了自动定位系统，但是该技术的应用很有限。80年代后，GPS和蜂窝网通信系统的出现迎来了无线定位技术新的时代。1996年美国FFC颁布E911安全条款3，该条款明确指出通信网络运营商必须提供定位服务，之后，其他国家和地区也做了类似的规定，例如欧洲国家和日韩两国。日本运营商在2000年就开始推出移动基于定位的服务(LBS)，并且LBSN务内容非常丰富。之后韩国也通过成立相关定位服务产业协会促进韩国市场的定位服务迅速发展，主要的LBS运营商包括SKT、LGT、KTF等。2006年之后，随着E911政策的系统设备更新逐步完成，北美通信运营商也开始积极推广LBS应用。由于技术更新以及推动策略等因素，相对于亚太和北美，欧洲定位服务的发展相对落后。就定位技术的发展而言，GPS技术是定位技术发展的一大里程碑。它是起步最早也是发展最成熟的无线定位技术。现在大部分航海和飞行以及车载定位都离不开GPS，并且它也在向其他领域延伸。GPS技术是从早期的美国军用导航系统发展起来的，定位原理是利，山东科技人学工程硕士学位论文绪论用三边测量的方法，用三个位置已知的卫星确定接收机的位置。因为在估测GPS至I接收机的距离时是采用时间度量非常准确的原子钟来计算射频信号传输时间，所以GPS定位能够拥有非常高的精度。另外，伴随着无线蜂窝移动通信技术的发展，由于蜂窝网无线移动用户的剧增，使得对移动用户的定位需求越来越迫切，基于蜂窝网的各种定位技术也逐渐提出并迅速发展。定位的方法主要有以基于到达时间(TOA)的方法、基于到达时问差(TDOA)的方法)基于到达角度的方法(AOA)以及混合定位方法等，定位精度大概在150m左右I-4。上个世纪90年代末，越来越多的研究工作者开始从事无线定位技术的研究，为此成立了专门的组织和联盟并掀起了对无线定位研究的热潮，包括更多的无线定位技术发明专利的出现、国外大型通信公司对定位的研究开发和性能测试评估以及各大科研院校从事定位理论和方法的研究。相比以GPS技术和蜂窝网定位技术为主的室外定位技术，室内定位技术的发展起步比较晚，而且室内环境的诸多因素使得室内无线定位面临着很多技术难题。当前室内的定位技术主要有红外线定位技术超声波定位技术、RFID射频识别定位技术、超宽带定位技术、Zigbee技术和WiFi定位技术等4。122WiFi定位国内外研究现状对于国外的基于WiFi的定位研究，早在2000年，微软公司就开发了一套基于指纹定位的试验系统，这套系统通过离线阶段对指纹数据库的建立实现在线阶段的定位匹配，使用的方法也主要是最近邻法以及K近邻法。另外，Ekahau公司也曾开发了一套基于WiFi网络的实时定位系统，能够在所有支持WiFi的无线网络上对目标进行定位，精度能够具体到房问号、楼层数。该实时定位系统主要通过保存在数据库中某些特定位置的信号强度对比当前移动终端收到的信号强度，并以条件概率作为参考来确定移动终端的位置。同时能够保存冗余定位信息到数据库中。当移动终端位于真实环境进行定位的时候，定位服务器把环境内的障碍物等因素考虑进去之后，再结合之前建立的指纹数据库中的信息估算出移动终端的定位位置，同时利用数据库中冗余信息实现对移动终端定位位置的修正从而得到比较精确的定位结果。基于WiFi信号的定位可以用于车载定位系统当中，文献5就对一种基于WiFi终端的地下停车场定位系统进行了设计。它能够实现对指纹数据库的实时更新，来保证定位的些垄至!垫查兰三堡堡主兰笪笙；!|!；一些笙准确性。现今，随着智能手机平板电脑等支持WiFi功能的移动终端的推出，基于这些终端的WiFi定位系统的研究也成为了定位的热点，文献6设计了一种基于安卓智能手机的定位系统，离线阶段选取几个信号较强的AP进行指纹数据的采样后，在线定位阶段时可以选用贝叶斯概率算法或者K近邻算法对安卓手机用户进行定位。从国内来看，WiFi网络建设起步比较晚，但是最近几年发展迅速。上海市计划在2010年前建立起覆盖全市的高速无线网络：北京市预计在2011年底以前完成五环以内的城区普及无线宽带高速上网：其他许多城市也相继开始大规模建设无线网络。个人位置服务的发展在法律层面，还牵涉到用户隐私的保护问题。我国法律在民法中确定了了对公民名誉权的保护，但对于用户位置的隐私性质没有详细的阐述或明确规定。这一立法上的相对滞后，可能影响LBS产业的发展。如何促进用户认识各种深入的增值应用服务，并形成有效需求和使用习惯，成为LBS市场的关键。目前我国的LBS还属于相对匾乏的阶段。但国内己有一些公司开发出可以能够基于WiFi技术的实时定位解决方案。2009年，Ekahau公司宣布将其开发的WiFi实时定位系统正式应用于北京地坛医院。该定位系统主要用于医院追踪资产、设备和病人，及时了解和掌握关键工作人员、资产和医疗设备的实时位置信息等，这套系统的应用减少了医疗保健的成本、提高工作效率和改善了工作流程。13本文的主要工作本论文的主要工作包括：1介绍和学习了定位的相关基础理论和方法以及WiFi工作原理。2对室内典型的传播模型以及定位方法进行了详细阐述。3基于室内测量和实验室仿真对室内WiFi信号的分布特性进行了研究，并分析了RSSI信号的处理方法。4针对室内定位，对室内定位算法中基于模型的算法以及指纹定位算法分别进行了详细的研究探讨，并基于两类算法，提出了一种将两种算法进行结合的新算法且通过对比对该算法进行了分析。5基于以上理论研究，设计了基于WiFi信号的室内定位演示，包括定位方法的选择设计以及软件系统的设计。并亲自参与整个演示系统的开发测试和实施。4山东科技大学工程硕二l：学位论文绪论14论文的组织结构第l章，绪论。介绍了本文的研究课题背景、研究意义、相关定位技术发展以及国内外WiFi定位研究现状，概括了论文的主要组织结构。第2章，定位相关理论。首先介绍了现有的室内定位技术，并分析了影响定位的因素以及衡量定位性能的标准。其次对WiFi通信技术包括网络拓扑和基本服务进行了详细的阐述。最后在几种室内传播模型进行分析的基础上，对几类典型的定位方法进行了概述介绍。第3章，室内信号分析和处理。首先基于实验WiFi信号的测量，对信号的统计特性通过MATLAB仿真进行了详细分析，然后又分别对静态的RSS信号处理以及动态的RSS信号处理分别作了分析，并提出对数正态的处理方法，通过仿真对比验证了方法的有效性。第4章，室内定位算法研究。先是对基于模型的定位算法以及指纹定位算法进行了研究和阐述，并在此基础上提出了一种将两类算法进行结合的新算法，通过仿真对比说明了算法的有效性和优点。第5章，基于WiFi的室内定位演示设计。基于室内定位理论，通过现场实验对基于WiFi的室内定位的演示进行了设计，包括总体架构，场地设备的选择搭建，软件架构的设计和开发以及最后的测试。第6章，总结与展望。对本文的工作进行总结，指出不足和需要改进的地方，并根据课题当前研究成果对今后工作的展望。山东科技大学工程硕：E学位论文定位相关理论第2章定位相关理论室内定位技术越来越受到人们的关注，精确的室内定位已成为商业、公共安全和军事等应用的迫切要求。本章首先介绍室内定位技术和WiFi技术原理，然后着重介绍室内定位用到的主要方法。112室内定位主要技术21室内定位技术简介室内定位技术是指在室内环境下确定某一时刻接收终端在某种参考坐标系中的位置。在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如下图21所示，有A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术(如伪卫星等)，无线定位技术(无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等)，其它定位技术(计算机视觉、航位推算等)，以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或A-GNSS)4。下面对主要的几种技术进行简单介绍。室内定位技术A-GPS计算机视觉红外线射频识别超声波Zigbee蓝牙WiFi超宽带光跟踪图21室内定位技术Fi921Indoorpositioningtechniques6山东科技大学工程颂一【j学位论文定位相关理论红外线室内定位技术：红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性7。超声波定位技术：超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高7。蓝牙技术：蓝牙技术通过测量信号强度进行定位，这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大8。射频识别技术：射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播7些查型塾奎兰三堡堡=!；=兰竺笙苎室篁塑茎墨笙模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中9-10。超宽带技术：超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度11。ZigBee技术：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本12。WiFi技术：当前比较流行的WiFi定位是无线局域网络系列标准之IEEE8021l的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少AP，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，WiFi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度1316。112影响定位的因素在无线定位网络中，为了提高定位精度，我们除了研究提高定位准确度的方法算法外，还需要对影响定位精度的误差进行研究，寻找对策以最大程度地消除误差。由于现实中的无线传输并不是理想状态下的，终端与AP之间会存在非视距传播。在无线传输中，多径干扰的问题也是无法避免的，另外还有一些设备人为上的因素等等。以上各种因素都会影响到信号的传播，从而最终影响定位准确度。采取适当措施降低或者消除这些因素，是提高定位精度的关键。定位误差的来源主要包括：(1)多径传播。多径传播是指无线电波沿着两个或多个不同的路径到达另一个天线的传播现象。在山东科技大学工程硕士学位论文定位相关理笙利用TDOA和TOA定位技术来进行定位时，即使在MS和BS之间电波可以LOS(LineOfSight，视距)传播，多径传播也会对时间的测量产生影响17。(2)非视距传播问题。NLOS(NonLineofsight)传播是信号在发射端与接收端之间传播过程中，被障碍物阻挡，而导致不能在接收端与发射端之间直接进行信号传播。而是经过反射、折射及衍射传播。所以利用接收端接收到的信号强度计算出的发射端与接收端之间的距离会远大于视距传播直接距离18。反射当传播中电磁波遇到一个大小远大于本身波长的平坦物体时，会有反射现象发生。通常发生在地面、大型建筑物和墙壁。反射物体通常会吸收部分发射信号一部分的能量，这样就导致到达接收端的信号变弱。衍射绕射发生在发射机与接收机之间的传播过程中被远大于本身波长的障碍物阻挡时，在障碍物顶端二次波成分能够经过障碍物到达接收端。所以绕射是在发射机和接收机之间没有直接路径时，电磁波的传播现象。其中障碍物大小与到达接收端的二次波能量成反比。当传播路径被不可穿透的障碍物遮蔽时，衍射可以到达接收端。散射当电磁波遇到障碍物的大小与传播的电磁波波长差不多或小于波长时，对于电磁波来说障碍物如同多面的反射体，使得电磁波的能量散射到各个方向，会产生散射现象。散射一般发生在有粗糙表面的障碍物上。在实际的传播环境中，如果是LOS传播，则可以对目标进行准确地定位。但是在现实的实际传播环境中，在发送端和接受端之间实现LOS传播通常是不可能的。因此，降低NLOS对传播路径的影响并提高目标定位精度，是现在无线定位技术研究的关键。目前，降低NLOS传播的影响通常采用以下几种方法：1)利用测距误差统计将NLOS测量值调节到接近LOS的测量值，因为i，0S传播的测距标准差要比NLOS传播的低得多：2)根据NLOS传播条件K实际距离总是小于距离测量值这一特点，在非线性最4,-乘算法中增加约束项，对测量算法进行改进，从而提高定位精度；3)最后一种方法是降低非线性最小二乘算法中NLOS测量值的权重来降低NLOS。(3)频率干扰以及室内障碍物材质。室内环境由于存在各种使用不同信号频率的设备，例如蓝牙设备、RFID设备、WiFi9山东科技入学工程颀二I学位论文定位相关理论设备等，这些设备之间会存在一定的频率干扰进而会影响各自的信号传输稳定性，使用这些信号频率的定位装置就也会受到其他设备频率的干扰而影响定位的精度。另外，当发射端和接收端设置在不同房间内时，会因障碍物材质的不同例如不同材质的墙以及玻璃等而影响信号的传播。因为不同障碍物的材质有不同的衰减系数，而这些衰减系数导致信号强度的衰减程度也不同。尤其在室内环境下的厚木板、水泥墙都会引起信号强度大幅度的衰减，这样直接造成接收端的信号强度不稳定。213定位性能评价指标由于各种影响定位精度的误差因素的存在，定位中所用到测量数据始终会存在误差进而导致使用定位方法估计的目标位置与实际位置产生偏差，这种估计目标的位置与实际目标的位置的偏差距离被定义为定位误差。在定位中，常用的定位性能评价指标有均方误差(MSE)、均方根误差(RMSE)、累积分布数(CDF)、平均定位误差等。下面对这几种评价指标分别进行分析：(1)MSEMSE是比较常用的衡量定位准确率的一种指标。在二维定位估计中，定义均方误差为定义为以下表达式：MSE=E(x。一Xreal)2+(y。一Yreal)2(21)在式(2一1)中，(X|caI，y删)为MS的实际位置，(x吲，Y。)为MS的估-；-I-位N。(2)RMSE在均方误差的基础上，更多的使用均方根误差来评价定位准确率。RMSE=E(x。一Xreal)2+(y。一y。1)2】(22)(3)CDF除了对单次定位性能进行分析外，还可以对累积整体定位误差进行分析，分析定位的CDF，一般是对用一种方法对不同位置的目标点进行定位，然后计算出定位误差小于一定误差门限值的概率，即CDF=P(rrnseQ7其中，是距离分隔点，11l和T1。分别是距离小于dbp和距离大于时的路径损耗系数。山东科技大学-丁程硕二L学位论文定位相关理论floqlloglo(d，印)+101。l0910(矗d。助)+义0；d，助PL(d)=PL(do)+1011Iloglo(Z印)+lo”2loglo(Z曲P酗)(28)l+lOB。loglo(ddw劬)+天0；dbpIACl时，B=(A+C)12。(b)当两个连续的测量值B和C和两边相邻的测量值A和D相差较大时，认为B和c都为异常信号，并取A和D的等差值作为B和C的修正值。mlABlIADl且lACl卜一Dl时，B=(2A+D)3，c。(A+2D)3。(c)当一个测量值B处于信号增减性的临界点，且与相邻两点的变化B较剧烈，则认为该点也为异常信号值。并取AD与cE连线的交点值作为B的修正值或者取相邻两点的值。即当(BA)(AD)0且(DA)(cE)(0时，B=A。1啊一一，=，J：，一0，一k；j一一，；，?：I：i，Im东科技人学T捏碗l岸位论文室内俯世分折和*月-F：j：-、l*：miR(a)333多次方加权滤波C。0：。Bc!(b)忙)圈310三种处理方法的距离误差比较F19310DistanceeiTorcomparingofthreemethods为了使异常信号修正后的数据更准确，本文提出了一种多次方加权滤波的方法对修正后的动态变化的信号进行处理。这晕选取的滤波范围不能过大，因为是动态实时定位数据。在目标移动时信号的测量在相邻点出具有相当高的相关性，所以这里定义测量点与其相邻点的相关程度为=l(rs$一rssM)(i-l，2n)(320)其中，d是测量点相邻的第i个点的权重值，rss，是那一点的信号强度大小trSSM是测量点的信号强度值，K是一个多次方系数，取值为大于等于l的整数。由于采样频率是10IIz，即一秒内可以采10次数据，由于定位目标移动速度不是特别快，1秒内不会移动太大距离所以相邻点的相关性不会太受环境韵影响。所以只考虑测量点的的前10个相邻点。由一F面的式子可以对测量点的值进行多次方加权滤波rssM=叩ssa(32t)1010，刁一j，和一。咯*一一，F。r，_一一1f、叶：j磷*，!_Im东科技大学I程硕学位论文室自信分析和处理通过多次方加权，就得到了处理后的测量点强度值怎M，由于已经经过了异常信号值修止Hs。也是比较准确的，所以可以将璐s。和叠M加和取平均得到最后的处理强度值ms。323实验仿真在仿真中，我们根据信号在室内按照对数衰减模型进行传播，选取PL(以)为-35dBm，路径损耗系数n为24o在这基础上加入标准方差为5dBm的高斯随机噪声作为室内信号的干扰，然后用卡尔曼滤波，提出的多次方加权滤波对加入噪声的信号就行处理，处理后的结果如图311所示。口鼍_愿意i_銎銎辇莹剿5繁簿豸赫奠图3Il数据处理方法的性能比较Fl妒11Perfomancecomparingofdataprocess在上图311中，红色的表示没有加入任何噪声的信号数据，呈对数规律衰减。蓝色是在其基础上加入了高斯l噪声，每一个点的信号都出现了偏差，黄色是卡尔曼滤波的方法对噪声信号进行处理，可以看到处理后的信号有所改善。绿色的是利用上文提出的多次方加权滤波的方法，从图中很明显看出多次方加权滤波后的信号更接近于原始信号，优于卡尔曼滤波。另外，比较了K=1和K=3两种多次方加权方法，很明显，三次方的加权滤波效果要优于一次方的。实际上用更高次方的加权滤波信号会更加接近于原始信号。不过计算量也会相应增加，且K增加到一定值后再增加性能增加效果也会不明山东科技大学工程颂上学位论文室内信号分析和处理显。34本章小结本章节通过实验采点，对室内信号的传播特性进行了研究，并分别从均值、方差以及偏度特性分别进行分析，得出室内信号呈现左偏态而且分布是对数正态分布，并且得出室内稳定传输的距离为15m。之后又用对数正态法对采集的数据进行处理，并将其与均值法和高斯法进行比较，得出采用对数正态法是最优的方法。然后又对动态信号的处理进行了分析，在进行异常信号值修正的基础上提出了一种多次方加权滤波方法，并通过仿真将其与卡尔曼滤波进行对比，验证了这种方法的有效性。山东科技大学工程