薛衛(wèi)星，邱衛(wèi)寧，花向紅，張曉章，蔣勝華

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

WiFi信號(hào)強(qiáng)度空間分辨率的研究分析

薛衛(wèi)星1,2,3，邱衛(wèi)寧1,2，花向紅1,2，張曉章3，蔣勝華3

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

基于RSSI技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航定位近些年得到了快速發(fā)展，對(duì)WiFi信號(hào)強(qiáng)度定位算法的研究是目前研究的熱點(diǎn)。本文首先從理論上研究分析了WiFi信號(hào)強(qiáng)度用于導(dǎo)航定位服務(wù)的空間分辨率，說明該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和挖掘潛力；然后在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)，研究分析了WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間和二維空間的實(shí)際空間分辨率；最后在理論和實(shí)踐兩方面分析的基礎(chǔ)上，初步分析說明了基于RSSI技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航定位的研究方向和重點(diǎn)，為未來的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

室內(nèi)導(dǎo)航定位；WiFi信號(hào)強(qiáng)度；空間分辨率

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)得到快速發(fā)展。在各種室內(nèi)定位技術(shù)中，基于接收信號(hào)強(qiáng)度定位技術(shù)(RSSI)[1]的定位方法因成本低廉、覆蓋面廣泛和無(wú)需添加任何硬件設(shè)備[2]等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主流室內(nèi)定位方法?；赗SSI的定位方法一般分為三邊定位法和位置指紋定位法兩種方式[3-4]。其中，三邊定位法是基于距離交會(huì)的原理[5]，位置指紋定位法則是在指紋點(diǎn)位置基礎(chǔ)上采用具體的幾何或概率算法計(jì)算定位點(diǎn)位置[6]。而無(wú)論采用哪種定位算法，對(duì)WiFi信號(hào)強(qiáng)度的空間分辨率的研究和分析都是前提和基礎(chǔ)。本文從理論和試驗(yàn)兩方面分別分析比較了WiFi信號(hào)強(qiáng)度的空間分辨率，并對(duì)其應(yīng)用前景和改善潛力作了初步的分析說明。

一、WiFi信號(hào)強(qiáng)度的理論空間分辨率

根據(jù)無(wú)線信號(hào)衰減模型[7]，WiFi信號(hào)強(qiáng)度的衰減模型如下

(1)

式中，d和Pr(d)分別為接收點(diǎn)距AP源的距離和信號(hào)強(qiáng)度值；d0和Pr(d0)分別為參考點(diǎn)距AP源的距離和信號(hào)強(qiáng)度值；η為環(huán)境損耗因子。

由式(1)反算得距離的信號(hào)強(qiáng)度為

(2)

由式(2)進(jìn)一步推算得距離差與信號(hào)強(qiáng)度差值的關(guān)系表達(dá)式為

(3)

然后，根據(jù)式(4)計(jì)算k不同個(gè)數(shù)AP的信號(hào)強(qiáng)度空間分辨率為

(4)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值[8-9]，硬分割辦公室和走廊的環(huán)境損耗因子η為3，d0一般取值1 m處，Pr(d0)取值為-20 dB。

1. 基于目前接收設(shè)備的WiFi信號(hào)強(qiáng)度空間分辨率

目前的WiFi信號(hào)強(qiáng)度接收器一般是手機(jī)或筆記本等移動(dòng)終端，這些設(shè)備都是以dB為最小單位來劃分無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度[10]。因此首先要分析當(dāng)Pr(di)-Pr(dj)=1 dB時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與其距離區(qū)分度Δdij之前的關(guān)系(見表1)。

從表1中可以看出，在理想狀態(tài)下，整數(shù)dB的WiFi信號(hào)強(qiáng)度理論上的空間分辨率最好才能達(dá)到分米級(jí)(RSSI為-30 dB時(shí)距離信號(hào)源2.1 m)；而在一般情況下，手機(jī)接收的WiFi信號(hào)強(qiáng)度一般在-80～-30 dB之間，再考慮到手機(jī)接收到的AP信號(hào)源的分布情況(不太可能所有AP源都在2 m以內(nèi)，較好時(shí)平均距離為3～5 m，對(duì)應(yīng)RSSI為-35～-41 dB)，因此整數(shù)dB的WiFi信號(hào)強(qiáng)度理論上的空間分辨率較好時(shí)能基本達(dá)到0.2 m級(jí)的精度。而根據(jù)大量試驗(yàn)可知，基于RSSI的WiFi定位技術(shù)一般只能達(dá)到3～5 m的精度。這是由于WiFi信號(hào)強(qiáng)度的不穩(wěn)定性和易受干擾性及室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性造成的，由此可見，基于RSSI的WiFi定位技術(shù)的精度還有很大的挖掘潛力。

表1 理論上空間分辨率對(duì)RSSI值的要求 dB

2. WiFi信號(hào)強(qiáng)度細(xì)化分割后的空間分辨率

表2 理論上空間分辨率對(duì)細(xì)化RSSI值的要求 dB

從表2中可以看出，細(xì)化后的RSSI值空間分辨度大幅提高，-80.0～-30.0 dB范圍內(nèi)基本可以達(dá)到分米級(jí)的精度。另外，整數(shù)dB的WiFi信號(hào)強(qiáng)度理論上的空間分辨率理想狀態(tài)下最好才能達(dá)到分米級(jí)，RSSI相差1～2 dB就能對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生較大的影響；而表2中以0.1 dB為刻度的WiFi信號(hào)強(qiáng)度理論上的空間分辨率一般可以達(dá)到分米級(jí)甚至厘米級(jí)，RSSI相差0.1～0.2 dB對(duì)定位結(jié)果影響不大。因此，在選擇WiFi信號(hào)強(qiáng)度過濾算法時(shí)需要采用含有取平均值思想的過濾算法，以提高算法的定位精度，增強(qiáng)算法的魯棒性。

二、試驗(yàn)分析

為了考察WiFi信號(hào)強(qiáng)度在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中的空間分辨率，在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院101機(jī)房和408機(jī)房分別進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖1所示。機(jī)房101中，共用4個(gè)手機(jī)分別采集4個(gè)AP信號(hào)強(qiáng)度，△代表AP，○代表采集信號(hào)的網(wǎng)格點(diǎn)(相鄰點(diǎn)間隔1.3 m)。機(jī)房408中，用1個(gè)手機(jī)按方格網(wǎng)分布方式采集1個(gè)AP信號(hào)強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)，采用1 s的采樣率，每個(gè)時(shí)段采集數(shù)據(jù)5種。需要說明的是，由于不同手機(jī)接收AP信號(hào)強(qiáng)度具有差異性，故試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的采集由不同手機(jī)進(jìn)行，以增強(qiáng)試驗(yàn)的代表性。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)位分布示意圖

1. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中所用的基礎(chǔ)算法介紹

為了量化分析信號(hào)強(qiáng)度突變點(diǎn)對(duì)WiFi信號(hào)強(qiáng)度空間分辨率(即定位結(jié)果精度)的影響，本文采用最小二乘曲線擬合后的WiFi信號(hào)強(qiáng)度殘差來進(jìn)行實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中WiFi信號(hào)強(qiáng)度空間分辨率的分析。最小二乘算法是通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，即

VTPV=min

(5)

2. WiFi信號(hào)強(qiáng)度的一維空間分辨率分析

試驗(yàn)采集的每個(gè)時(shí)段的WiFi信號(hào)強(qiáng)度值的數(shù)據(jù)過濾采用卡爾曼濾波算法，過濾后的信號(hào)分布如圖2所示。按照信號(hào)強(qiáng)度衰減原理，采樣點(diǎn)距離AP信號(hào)源越遠(yuǎn)，該點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度越弱，而且其信號(hào)強(qiáng)度衰減與距離長(zhǎng)短的關(guān)系模型應(yīng)符合指數(shù)分布。

圖2 一維空間的信號(hào)強(qiáng)度分布

從圖2可以看出，WiFi信號(hào)強(qiáng)度分布曲線的衰減過程中出現(xiàn)了突變點(diǎn)。室內(nèi)環(huán)境通常是復(fù)雜而多變的，這樣就造成了室內(nèi)人和物體對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的吸收、折射、反射、衍射等。為了進(jìn)一步分析WiFi信號(hào)強(qiáng)度在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境下的空間分辨率，用最小二乘原理按式(1)擬合WiFi信號(hào)強(qiáng)度分布曲線，表3則具體給出了不同AP信號(hào)強(qiáng)度衰減曲線擬合后殘差對(duì)應(yīng)的空間分辨率誤差，更加量化地說明了WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間的實(shí)際空間分辨率。

表3 WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間的實(shí)際空間分辨率

從表3中可以看出，WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間的實(shí)際空間分辨率基本可以達(dá)到5 m(91.7%)，一半以上(58.3%)達(dá)到3 m以內(nèi)。這種精度的定位服務(wù)可以用作大型商場(chǎng)、工廠等的具體房間導(dǎo)航。通過與表1對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間的實(shí)際空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論上的空間分辨率，還有很大的改善和挖掘的潛力。因此，信號(hào)衰減模型的完善和RSSI過濾算法的改善是非常必要的。

3. WiFi信號(hào)強(qiáng)度的平面空間分辨率分析

理想狀態(tài)下，WiFi信號(hào)強(qiáng)度在平面空間的信號(hào)分布圖形應(yīng)該是類似于單峰谷堆。因此，如果信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)分布圖形中出現(xiàn)了突變點(diǎn)，則表示W(wǎng)iFi信號(hào)受到了干擾。本文以408房中的某個(gè)AP為例，其信號(hào)分布如圖3所示，表4則具體分析了WiFi信號(hào)強(qiáng)度在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境的平面空間分辨率。

圖3 WiFi信號(hào)在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境的信號(hào)分布(卡爾曼濾波算法)

空間分辨率/m0.30.512345比例/(%)12.5025.0029.1745.8356.2577.0889.58

從表4中可以看出，WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間的實(shí)際空間分辨率基本可以達(dá)到5 m，大部分可以達(dá)到3 m以內(nèi)。同樣，通過與表1對(duì)比，WiFi信號(hào)強(qiáng)度在平面空間的實(shí)際空間分辨率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論上的空間分辨率。因此可將以后的研究重點(diǎn)放在對(duì)信號(hào)衰減模型的完善和對(duì)RSSI過濾算法的改善。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上推導(dǎo)了WiFi信號(hào)強(qiáng)度的空間分辨率及其未來細(xì)化后的空間分辨率，對(duì)基于RSSI的室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析，并對(duì)其應(yīng)用前景作出了理論上的分析預(yù)測(cè)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析研究了WiFi信號(hào)強(qiáng)度在一維空間和二維空間的實(shí)際空間分辨率，表明WiFi信號(hào)強(qiáng)度用于導(dǎo)航定位還有很大的挖掘和改善的潛力，并為以后的研究重點(diǎn)作出了初步的分析和說明。

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P22

B

0494-0911(2016)09-0043-04

2015-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374011；41174010)

薛衛(wèi)星(1990—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)槎鄠鞲衅餍畔⑷诤蠠o(wú)縫導(dǎo)航定位和精密工程測(cè)量等。E-mail：1304402787@qq.com