吳　幫，花向紅，邱衛(wèi)寧，馮　健，許　利

(1. 武漢大學測繪學院,湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學災害監(jiān)測與

防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 慈利縣國土資源局國土測繪隊，湖南 張家界 427200)

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同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差對WiFi定位的影響及修正研究

吳幫1,2，花向紅1,2，邱衛(wèi)寧1,2，馮健1,2，許利3

(1. 武漢大學測繪學院,湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學災害監(jiān)測與

防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 慈利縣國土資源局國土測繪隊，湖南 張家界 427200)

Effect of Isomorphic Devices’ RSSI System Deviation to WiFi Positioning and Modification Research

WU Bang，HUA Xianghong，QIU Weining，F(xiàn)ENG Jian，XU Li

摘要：對同構設備之間的RSSI系統(tǒng)偏差進行了研究。通過對室內外環(huán)境下同構設備RSSI采集試驗的分析，說明了同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小。在此基礎上，給出了指紋點均值修正同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差對WiFi定位影響的方法。試驗表明，本文的RSSI系統(tǒng)偏差修正方法是可行的，能夠改善和提高WiFi定位精度。

關鍵詞：WiFi定位；同構設備；RSSI系統(tǒng)偏差；偏差修正

目前以GPS為主的GNSS的室外定位技術應用已很成熟，但GNSS在室內和室外復雜環(huán)境下的定位效果卻很不佳。隨著室內定位技術研究的不斷推進，室內定位技術得到快速的發(fā)展。目前室內定位技術有很多種，包括基于超聲定位、紅外定位、UWB、RFID、ZigBee、BlueTooth、WiFi等。WiFi以其覆蓋范圍廣、傳輸速度快、無需布線等優(yōu)勢成為當前室內定位技術的主流[1-9]。

不少學者研究了異構設備對基于RSSI指紋定位技術的影響[10]，而考慮到設備生產廠商的集成芯片制作工藝，可能導致同構設備也會存在RSSI系統(tǒng)偏差。為了說明同構設備RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小，分別在室內和室外環(huán)境下進行了同構設備的RSSI數(shù)據(jù)采集試驗；最后又利用同構設備進行WiFi定位試驗，對同構設備間的RSSI系統(tǒng)偏差進行修正，以改善WiFi定位的精度。

一、同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差及試驗分析

1. RSSI系統(tǒng)偏差

同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差是指同種結構設備在同一個物理位置接收到的同一AP的RSSI值的差異[11-15]。假設同構手機g、h在同一位置接收的同一AP信號強度特征值分別為RSSIg和RSSIh，則同構設備之間單個AP的RSSI系統(tǒng)偏差數(shù)學表達為

ΔRSSIgh=RSSIh-RSSIg

(1)

若在某一位置，接收到M個AP的信號值，則RSSI系統(tǒng)偏差為

(2)

2. 試驗及數(shù)據(jù)分析

為了說明同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小，分別在室外和室內進行了多組RSSI采集試驗。試驗設備見表1。

表1　設備參數(shù)

室外試驗：選用3部同構紅米手機，1部MI2S手機，1個FWR310無線路由器，1個TL-MR13U無線路由器。試驗地點在武漢大學測繪學院院樓頂，環(huán)境空曠，無遮擋物。試驗時將4部手機同時放在與路由器距離分別為0.3、0.5、0.8、1、1.5、2、2.5、5、10、15、20 m的位置點上采集并排放置的2個路由器發(fā)射的RSSI數(shù)據(jù)。采樣率設置為1 s,采樣時間為5 min。

室內試驗：選用5部同構紅米手機，1個FWR310無線路由器，2個TL-MR13U無線路由器，1個AC930無線路由器，1個TL-WR710N無線路由器。試驗地點在武漢大學測繪學院實驗室內，考慮到室內的寬度，試驗時任意選取了不在同一直線上的5個位置，5部手機同時在5個位置上逐一采集，路由器位置分布在試驗室四周。采樣率和采樣時間與室外保持一致。

考慮到多組試驗結果相近，限于篇幅，圖1和圖2給出了室外其中一組與室內其中一組試驗的結果。

圖1　室外RSSI采集結果

圖2　室內RSSI采集結果

由圖1可以看出，異構手機(MI2S與紅米手機)之間RSSI值差異很明顯，這符合異構設備之間系統(tǒng)誤差的一般規(guī)律。同構手機之間的RSSI值發(fā)現(xiàn)在距離值為5、15、20 m處RSSI值差異較大，達到5 dB以上。從圖2可以看出，同構手機在接收路由器2、4、5的信號時，它們之間RSSI的值差異非常明顯，達到10 dB以上。即試驗結果表明同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差確實存在，且在室內復雜場景中能達到10 dB以上。

二、RSSI系統(tǒng)偏差對WiFi定位影響的修正及試驗分析

1. 修正方法

本文采用指紋點均值修正方法對WiFi定位影響進行修正[16-18]。其修正的思想是指以某一個設備g為參考，將其與另一個同構設備h在各個指紋點上接收到的某個AP的RSSI系統(tǒng)偏差的均值作為修正標準值,然后利用此修正標準值對同構設備h在定位點處接收到的對應AP的RSSI值進行修正，再進行定位計算[5-10]。

根據(jù)式(1)—式(2)可得，同構手機g、h在第i個指紋點處接收的第j個AP之間的RSSI系統(tǒng)偏差為

(3)

取同構手機g、h的第j個AP在M個指紋點處的RSSI系統(tǒng)偏差均值作為修正標準值，則修正標準值的表達式為

(4)

利用式(4)中修正標準值對同構設備h的定位信號進行糾正，得

(5)

然后利用K加權近鄰(WKNN)指紋定位算法，計算出定位點的位置坐標[19-20]，即

(6)

式中，(x,y)是定位點的坐標；(xi,yi)是第i個指紋點的坐標。

為便于分析比較，采用點位誤差ds作為本文的定位精度分析指標，即

(7)

式中，(xi,yi)是定位點的定位坐標；(xi0,yi0)是定位點的真實坐標。

2. 試驗及數(shù)據(jù)分析

為了驗證RSSI系統(tǒng)偏差修正對WiFi定位精度的提高和改善，在室內環(huán)境中進行了多組同構手機指紋點位試驗。試驗的點位設計、網格大小，以及定位點和指紋點的實際位置數(shù)據(jù)如圖3所示。指紋點數(shù)量為4個，用正方形標記，定位點數(shù)量為4個，用小圓點標記。利用兩個同構手機同時采集5個AP的RSSI值，采樣頻率為1 s，各個點上的采樣時間為2 min。

圖3　指紋點與定位點分布

試驗時兩個同構手機在各個指紋點和定位點上(各手機位置保持一致)進行同步采集。圖4為某組試驗中同構手機在各點上RSSI信號空間分布，從圖4可以看出， 由于同構手機RSSI系統(tǒng)偏差的存在，導致同構手機之間信號分布互有差異，影響著WiFi定位的精度。

圖4　同構手機RSSI信號空間分布

為此，本試驗采用指紋點均值修正方法對同構手機的RSSI偏差進行修正。任選1部試驗手機作為參考，將2部手機在4個指紋點上每個對應AP的RSSI偏差的均值作為修正標準值，并對另1部試驗手機的定位數(shù)據(jù)進行修正。位置解算時將非參考手機的修正定位數(shù)據(jù)和未修正定位數(shù)據(jù)分別進行定位解算，并用定位誤差指標進行對比分析。多組試驗的結果相近，選取的某一組試驗結果見表2。

由表2可以看出，經過對RSSI系統(tǒng)偏差進行修正后其定位精度比修正前的定位精度有不同程度的提高和改善，在定位點1位置處，精度提高達69.1%；在定位點2位置處，精度提高達71.4%；在定位點3位置處，精度提高達76.2%；在定位點4位置處，精度提高達40.4%；這說明同構設備之間的RSSI系統(tǒng)偏差修正能夠改善和提高WiFi定位精度。

三、結束語

通過同構設備間室內和室外環(huán)境下進行RSSI采集試驗，結果表明同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差確實存在，且在室內復雜場景中能達到10 dB以上。為了對這種系統(tǒng)偏差進行修正以改善WiFi定位的精度，本文給出了指紋點均值修正同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差對WiFi定位影響的方法。試驗結果表明，采用指紋點均值修正方法是可行的，經過對RSSI系統(tǒng)偏差進行修正，其定位精度比修正前的定位精度有明顯的提高和改善。

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中圖分類號：P228

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0069-03

作者簡介：吳幫(1991—),男，碩士，研究方向為多傳感器信息融合無縫導航定位技術。E-mail：278622917@qq.com

基金項目：國家自然科學基金(41374011；41174010)；精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(PF2013-9)

收稿日期：2015-01-26； 修回日期： 2015-12-04

引文格式： 吳幫，花向紅，邱衛(wèi)寧,等. 同構設備之間RSSI系統(tǒng)偏差對WiFi定位的影響及修正研究[J].測繪通報，2016(2)：69-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0051.