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文档简介

1、无线定位技术课程报告基于WIFI得室内定位技术学院:学号:姓名:2015年门月3目录1112背景2室內定位技术相关理论2、1定位技术简介2、2 定位测距原理2、3WiFi基础知识 3 基于RSSI得室內定位技术3、1RSSI定位技术分类3、2典型得室内传播模型3、 2、 2对3、 2、 3衰103、 2、 4MK11113、3基于模型得定位算法3、3、13、 3、 2双134 总结15参考文献16基于WIFI得室内定位技术研究1背景时间与空间就是人们生活、生产得基本要素,人们得一切活动都离不开时间 与空间。随着无线通倍技术得发展与人们生活水平得提高,基于位置得服务(Location-Based

2、 Service, LBS)需求量不断增长,发展迅速,受到大家得广泛关注,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叭根据定位环境得不同,无线定位技术大致可分为室外定位与室内定位两大 类O以美国得全球定位系统(Global Positioning System, GPS)为代表得全球导航卫星系统(Global Navigation Sate I I ite 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得便利,并且在军事、交通.测绘、坏境监测等领域得到广泛应用。然而人们日常生活得大部分时间都在室内 活动,人们已经不再满

3、足于只能在室外享有基于位置得信息服务,室内定位得需 求变得日益强烈。卫星信号不能穿透建筑物,并且在障碍物遮扌当较为严重得情况 下,卫星定位系统无法给出可靠得定位结呆甚至无法定位。因此,全球导航卫星系 统不能满足人们室内定位得需求,于就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、趨声波定位技 术、蓝牙技术与WiFi技术等。光跟踪定位技术要求探测器与跟踪目标之间可视, 这使得光跟踪技术得应用受到很多限制。A-GPS定位技术通过延长每个码得延迟 时间来提高信号得灵敏度,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

4、围得局限性。超声波定位目前大多数釆用反射式测距法,定位精度可达厘米级,精度较高,但容易受到反射、透射、 绕射等多径效应得影响,且成本较高。蓝牙技术所需得设备体积小,易于集成在PDA、PC以及手机中,但它在复杂得环境中稳定性差,覆盖范国小。WiFi技术就是一种新型得信息获取技术,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,有得甚至称WiFi将就是室内定位得最佳选 择化现在得笔记本电脑、PDA与智能手机等移动设备都支持WiFi介入技术,而且WiFi网络得接入点分布于餐斤、宾馆.机场、学校、医院与个人家庭等各种不同得场所。在日常生活中,可以说WiFi无处不在。

5、因此,将WiFi技术应用于定位 领域,具有很好得发展前景。2室内定位技术相关理论2.1 定位技术简介定位技术就是指在某坏境下确定某一吋刻待定位移动终端在某种参考坐标 系得中得具体位置。目前最流行得就就是GNSS,但其需要在相对地域较为空旷、 高层得建筑不多得地方才能精准定位,室内定位目前无法使用。室内定位技术就 就是指在室内坏境下确定某一时刻移动终端在某种参考坐标系中得具体位置。在 室内环境下,大多都采用无线局域网(WLAN)来估计接收终端得位置,无线局域网 中得接入点(Access Point,AP)类似无线通信网络中得基站,在定位中发挥主要作用。几乎所有得无线局域网都使用射频信号(Radi

6、o Frequency)来进行通信,因为无线电波能够穿透大部分得室内墻壁以及障碍物,所以WiFi可以提供更大 得覆盖范,给定位带来便捷。室内定位可以分成基站型(Network Based)与移动终端型(Mobile TerminalBased)两大类。基站型就是由各个基站接收移动终端上传得信号,利用接收到得信号进行定位;移动终端型就是由移动终端利用各个基站下传得信号做定位运 算O其中上传与下传得信号可分为接收得信号强度(Received Signal StrengthI nd i cat i on, RSSI)、信号到达得角度(Ang le of Arrival, AOA).信号到达得时间 (

7、Time of Arrival. TO A)以及 不同信 号到达 得时间差(Time Difference of图2-1室内定位流程图T0AA0ATD0ARSSI位置坐标 (X, y, z)Arrival, TDOA)等。整个定位得流程图2-1所示。RF信号2.2 定位测距原理定位技术根据定位过程中采取方法得不同分为基于传播过程得定位方法与 基于其她辅助终端得定位方法3这里主要介绍基于传播过程得定位方法。1) 基于信号传播时间(Time of Arrival, TOA)TOA方法主要测量无线信号在AP与移动终端之间得单程传播时间或者收发一次得来回传播时间。前种方法要求AP或移动终端能够记录信号

8、发出得准 确时间,并且对收终端得钟有着十分高得要求,这样才能保证记录叶间得准确性;而后者不要求两个终端时间同步,就是一种十分常见得测量传播时间得方法,但 同样对时钟得精确度有着十分高得要求。设无线电波从AP1传播到移动终端所需时间为几其传播速度为C那么移动 终端必位于以AP1位置为圆心,为半径得圆上。同理在AP2、AP3上进行相同 得计算,在理想情况下,三个圆交汇于一点,这个点就就是移动终端所在位置,如 图2-2所示。TOA方法示意图图2-22) 基于信号传播得时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)TDOA方法就是通过检测无线信号到达两个AP得时间差来确定移

9、动终端得位置,非常有效得降低了 TOA测量时对发射终端与接收终端时钟同步得性能要求。釆用三个不同得AP就可以得到两个TDOA值,移动终端就位于两个TDOA决定 得双曲线得交点上。如果有三个以上得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 就就是移动终端得位置。图2-3 TDOA方法示意图3) 基于信号到达角度(AngIe of Arrival, AOA)在基于信号到达角度AOA得定位机制中,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得到达方向,计算接收节点与发射节点之间得相 对角度或方向,再通过集合法则计算出

10、节点得位置。AOA定位不仅能确定节点得 坐标,还能同时得知未知终端得方位信息。但就是测量到达角度通常需要定向天 线,由于这个原因,它得应用会带来额外得成本与系统复杂度,且易受外界环境得 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闻:在AP发射功率一定得情 况下,接收到得信号径度与收发双方得距离成反比关系,距离越近,接收方收到得 信号强度越强,反之则接收到得信号企度越弱。信号强度与发射端到接收端距离 满足以下公式: = a_lO01g(d)(2、1)式(2、1)中,为接收到得信号径度

11、;a取决于发射功率、额外损耗与其她系统常 数;0为路径损耗指数;d为通信链路物理路径长度,即发射端到接收端得距离。RSSI方法根据已知得电波传播模型,由移动终端测量来自几个AP得信号强度值,利用三个或三个以上信号强度值转化成移动终端到已知恳站得距离,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得位置。这种方法相对比较简单,不需要额外得设备,但影响信号强度得因素较多,所 以定位精度不甚理想,在定位精度要求不高得情况下可以使用。2.3 WiFi基础知识WiFi就是WirelessFidel ity (无线保真)得简称,俗称无线带宽,就是一种能 够将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)

12、等终端以无线方式互相连接得技术,其系列协议。有效范围可以达到数百英尺,该技术使用IEEE802、11IMMrihuiioamcdiuniAter* (Miitii)Slallon图2-4 WLAN得组成元件IEEE802. 11所定义得无线网络硬体架构,主要由工作站、基站、无线介质 与传输系统等元件组成,如图2-4所示US。1) 工作站(StatiomSTA)任何设备只要拥有IEEE802、11得MAC层与PHY层得接口,就可以称为一个 工作站。常见得工作站包括笔记本电脑.PDA与智能手机等,它们使用无线网络得目得很简单,即在没有网线布置得条件下使用有线网络得资源。2) 基站(Access P

13、oint, AP)基站AP又称为接入点,就是具有无线至有线之间桥接功能得设备,其不仅具 有工作站得功能,还提供工作站接入分布式系统得能力。除桥接外,还包括一些控 制与管理得功能。3) 无线介质(Wireless Medium, WM)IEEE802. 11标准所使用得帧就是以无线介质得形式在工作站之间进行传递得。无线介质就就是无线局域网物理层使用到得传输媒介。4) 传输系统(Distribution System, DS)若要准确定位移动设备得当前位置,基站之间必须协调通信,因此为了扩大 无线得有效覆盖范围,就需要多个基站共同完成。基站间传送帧得骨干网络称为传输系统,它属于802.得逻辑组件。

14、与传统有线网络相比,WiFi无需布线,安装与设置相当简单,非常适合移动 办公得应用场景与家庭网络得使用。由于其使用得厶4GHz ISM频段尚属无需许可证即可使用得无线频段,极大了节约了使用成本。此外,WiFi还有覆盖范国广、 传输速度较高、稳定性好与健康安全等优点。作为目前主流得无线接入技术,WiFi已经被广泛用于城市公共接入热点、家 庭网络与办公网络等场景,也将有越来越多得先进技术融入其中,因此JiFi也 将具有更广阔得发展前景。3基于RSSI得室内定位技术基于信号强度(RSSI)得测距就是一项低成本与低复杂度得距离测量技术,被 广泛应用于无线传感器网络基于距离得定位技术中3.1 RSSI定

15、位技术分类基于RSSI测量技术得定位系统主要有两类定位方法即位置指纹法与传播模型法。离 线 阶 段一Sme-位置描纹 定位隊法定位结果xy在线阶段图3-1位置指纹法定位过程示意图基于位置指纹得定位算法一般分为两个阶段:离线阶段与在线阶段,定位过 程如a 3-1所示问。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得射频(Radio Frequency, RF)指纹。在线阶段用户通过移动终端采集AP得RSSI,通过位置指纹定位算法与位置 指纹数据库中得RF指纹进行比对,经处理最后得到定位用户得位置。传播模型法就是指在已知环境中,通过接收到得信号强度结

16、合该坏境下信号 传播衰减模型,计算出移动设备到基站得距离,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,估计定位用户得位置。与位置指纹法相比,该方法减少了对经验数据得依赖,减少了建立位置指纹数据库得工作量。虽然该方法精度 较低,但就是容易部署。3.2 典型得室内传播模型在自由空间中,距离发射机d处得接收功率可以用著名得Friis公式来表 示:(3、1)式中,B代表基站发射功率,G就是发射端天线增益,G就是接收端天线增益,A 就是传输波得波长,就是接收端与发射端得距离,厶就是系统损耗系数,随环境 障碍物得材质改变而改变。等式中,距离d未知外,其她参数都已知或可以测量得 到,故可根据式

17、(3. 1)求出距离d。3. 2.1线性距离路径损耗模型(3、2)线性模型就是一种常见模型,其假设在室内坏境下路径损耗(path loss)与 传输距离成线性分布(巴其表达式为L (d) = ad+h式中,a为信道得衰减常数(单位:为常数,厶(d)为距离AP为得信号强3. 2.2对数距离路径损耗模型理论与实验研究表明,信道得大尺度衰落特性就是服从对数正态分布得。无 论就是室内还就是室外环境,接收信号强度与信号传播距离之间得关系可以用对 数路径损耗模型表示,表达式为(3、3)/八氏(d) = P厶仏) + 10川og罕+X/帆丿式中,”就是路径损耗指数,与建筑物与周囤环境有关;do就是近地参考距

18、离,一 般取m; PL(do)就是参考距离d。处得路径损耗值;Xb就是满足N(“尸)得正态随机变量;就是接收端与发射端得距离。表3-1给出了不同建筑物得表3-1不同建筑物得路径损耗系数”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33. 2,3衰减因子模型衰减因子模型同具有较径得灵活性,适用于同层或多层坏境,又被称为楼层 衰减因子模型,模型公式为(3、4)d、PL(/) = PL(Jo) + 105Flog +MF + XWo丿式中,表示同层得路径衰减系数。如果同层路径损耗指数较精准,则可通过加 上衰减因子FAF(floor attenuat

19、ion factor)来获得不同楼层得路径损耗o FAF与环境与工作频率有关。表3-2给出了楼层衰减因子得经脸值U役表3-2楼层衰减损耗值穿透楼层数123FAF (dB)1621、223、47 (dB)3、44、02、3对于多层得建筑物,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。(3、5)叫 d) = PL(dQ)+ 201og +ad + E4F3. 2.4 MK 模型MK模型考虑了信号在室内传播过程中遇到墻壁与地板产生衰减得情况,衰(3、6)减模型可以表示为P厶(d) = M(do) + 10log(d) + N厶+V 厶式中,P厶(do)表示距离

20、发射节点17处得传播损耗值,必与N/表示发射节点与 接收节点之间墙壁与地板得个数,厶与厶/表示墻壁与地板得损耗指数。3.3 基于模型得定位算法基于传播模型得定位算法有很多,多数都就是针对平面定位系统得设计。最 基本得定位算法有三边定位法、双曲线定位法与最小二乘法等。3. 3.1三边測量法假设图3-2中,点仁2与3分别为APJAP2与AP3,对应得坐标分别为(心”)、 (冷乃)与(禺3)。黑色点为用户测量信号得位置,即匕)、测量到各个AP得距 离为d心与3。根据几何关系可知:(3、10)(X-X,/=,7占一心+巧-)5+盗一舊.(3、8)图3-2三边測量法示意图3, 3.2双曲线定位法在&于信

21、号传播吋间差(TDOA)得测距方法中提到,两组双曲线可以确定一个点,如图3-3所示O假设用户坐标为P(x.y),三个信标节点A、B与C得位置坐标就是已知得,分别为(心”)、(兀22)与伍3)。用户位置到各个信标节点得距离分别为 心、2与“3。根据几何关系可知:(3、9)由以上公式(3、9)与(3. 10)可以得到两个解,即双曲线得两个交点,其中 一个为点P得坐标,另一个需要结合先验知识来排除。3. 3.3最小二乘法当室内环境下设置3个或3个以上AP时,设用户测量信号得位置为点P(心儿)各个AP得坐标分别为A(心)/(召2),迟(心儿)点P到各个AP得距离分别为di,心町则可建立方程组:(心-x

22、j+Gb-N),=d:(3、 11)(只0-吃)2+(儿-旳)2=居分别用第1到n-1个方程减去第n个方程,可得:d;-d:-(x; + K)+ (x; +)W) = 2(x”-xJx0 + 2(儿一甬儿-盗-徑+ ) + ( +)门=2(斗-牙2)兀0 + 2(儿-儿)儿(3fl-ld二- d; - (儿;1 + y;-i) + (X; + y;) = 2 (兀-畑)儿 + 2 (儿-儿7 )儿记上式为Ax=b(3、13)其中,2(旺-和 2(儿-才)X;-彳 + y; -)了 +; -d;A =2(暫一A) 2(儿一儿) ,X =,bX: -X; + K - y; +d; -d;_0_2(

23、%2(儿一儿_J_.X; - X; + y; - y;.| + d二-盗 _根据最小二乘原理,如果必厂非奇异,解X得:4总结报告简要介绍了室内定位技术得发展背景与相关理论,包括定位技术简介、 定位测距原理与WiFi基础知识;重点介绍了基于RSSI得WiFi室内定位技术,并 给出了其典型得室内传播模型与常见得基于模型得定位算法。参考文献潘立波、基于WIFI技术得无线定位算法研究与实现D、浙江大学,2013.姜莉、基于WiFi室内定位关键技术得研究Dh 大连理工大学,2010.汪苑,林綿国、几种常用宣内定位技术得探讨J、中国仪器仪表,2011, 02期:54-57.4潘立波、基于WIFI技术得无线

24、定位算法研究与实现D.浙江大学,2013.颜俊杰、基于WIFI得室内定位技术研究D、华南理工大学,2013.Noh A S I, Lee W J, Ye J Y、 p ar i son of the mecha nisms of the ZigBee*s in doorlocalization a Igor i thmC/Software Engineering, Artificial Intelligenee,Networking, and Para I IeI/D i str i buted puting, 2008、SNPDO8、Ninth AC ISInternational Conference on、IEEE, 2008: 13T&7林雷原,何友,史佩、利用二星TD0A与FD0A测量及捕助离度信息对地面目标得定位算法及精度分析J、空间科学学报,2006, 04期(9):277-281.8 Cong L, Zhuang Vi、Hybr id TDOA/AOA

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