齊思凱 童學衡 王高杰 李岸宸 吉曉峰 吉林大學軟件學院

WIFI室內(nèi)精確定位的研究

齊思凱 童學衡 王高杰 李岸宸 吉曉峰 吉林大學軟件學院

定位技術自出現(xiàn)以來在人們的工作生活中起著不可或缺的作用。目前常見的定位技術有GPS定位，基站定位，WiFi定位等。GPS由于信號穿透力較弱，當用戶處于室內(nèi)信號被遮擋時，定位不準確?；径ㄎ换谶\營商的網(wǎng)絡，通過測量附近多個基站的信號得到用戶的位置，但是精度較低。目前主流的WiFi定位技術是通過設備掃描并收集周圍的AP信息然后發(fā)送至位置服務商，服務器檢索這些AP的物理地址并通過信號強度計算出設備的位置，這種技術要求位置服務商不斷采集AP最新數(shù)據(jù)并更新自己的數(shù)據(jù)庫以保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性，而如何以較低成本達到方便準確的室內(nèi)WiFi定位是人們?nèi)找嬷匾暤膯栴}。

WiFI室內(nèi)定位 單源點定位

1 概述

目前，國內(nèi)外主要通過無線信號的強度或者對應的傳輸時間來實現(xiàn)WiFi定位。

通常WiFi信號強度是隨著便攜設備同路由器之間的距離增大而減少的，因此可以將如何測量距離轉(zhuǎn)換為如何測量信號強度，與此類似的是電磁波在傳播過程中，速度是固定數(shù)值，因此可以根據(jù)速度時間公式，將便攜設備同路由器之間的距離轉(zhuǎn)換WiFi信號傳輸速度與傳輸時間的乘積，基于上述兩種思想，產(chǎn)生出RSSI定位算法，TDOA定位算法等來實現(xiàn)定位。

2 理論基礎

2.1 RSSI定位算法介紹

RSSI定位算法是根據(jù)路由器端發(fā)射信號強度以及便攜設備根據(jù)收到的信號強度進而計算出信號在傳播過程中的衰減，根據(jù)損耗模型以及公式得到傳輸衰減，計算出便攜設備同路由器之間的距離，從而計算出節(jié)點坐標。式(1.1)為距離損耗模型的一般形式：

其中P0為便攜設備同路由器之間的距離為d0時的接收到的WiFi信號強度，d為便攜設備同路由器之間的實際距離，n為傳播衰減因子，為信號遮蔽相關因子。

RSSI定位算法能夠非常方便的在室內(nèi)實現(xiàn)分米級的定位，然而實際使用過程中也是存在不同程度的問題的，隨著便攜設備指紋數(shù)量逐漸變多，定位算法的時間復雜度會隨之增大，進而引起定位算法的效率以及定位速度會變低，導致定位效果變差，尤其是對目標進行跟蹤時，弊端更加明顯。

2.2 TDOA算法介紹

TDOA的定位算法是利用距離的相關程度來實現(xiàn)精準的定位的，它實現(xiàn)起來比較容易，對設備的要求比較低、而且定位準確度，實時性比較高，被廣泛應用于各種場合。利用TDOA算法實現(xiàn)定位首先需要動態(tài)測量出便攜設備與周邊至少3個路由器之間的距離，在通過三角法以及極大似然估計法等得到便攜設置的相對坐標，并且可以利用其它算法來修正結(jié)果，減小測量誤差。

2.3 新型的定位算法

目前，國際上新興了一種新型，高效，低成本的方式來實現(xiàn)定位:根據(jù)信號到達角度+調(diào)頻來實現(xiàn)定位，這種算法將在本文的下一部分詳細介紹。

3 新型的定位算法原理

定義：TOP：空氣中傳輸時間(Time of Propagation)

（1）先假定WiFi信號傳播過程中為理想環(huán)境，即不存在多條路徑，同時也不存在偵測延遲和信號相位差，理想情況下，路由器擁有足夠?qū)挼膸挿秶?，那么計算TOP將變得十分容易。然而，現(xiàn)如今的路由器設備的帶寬并不足以支持我們計算TOP，于是我們又有了一個新的思路：現(xiàn)在的新型路由器設備都具有2.4GHz和5.0GHz兩個頻段，這兩個頻段帶寬之和足夠我們收集信息以計算TOP。我們通過不斷改用不同的發(fā)射頻率，收集在不同工作頻率下的信息，從而實現(xiàn)獲取TOP。計算模型如下：

Distance=Time of Light x TOP

（2）通過電磁學的基礎知識，我們注意到一個信號傳播時會產(chǎn)生一個相應的相位。建立關系如下：φ=2πft mod 2π

其中φ是路由器設備接收到來自便攜設備的WiFi信號的相位，f是發(fā)射端的當前的頻率，t是我們想要得到的TOP，由于這種方法中WIFI頻段分布是離散的，因此我們可以建立TOP與無線信道相關屬性之間的關系方程組。

圖1 關系方程組

（4）利用中國剩余定理，并使用適當?shù)目茖W方法就可以得到這個變量t即TOP這個變量的數(shù)值部分。

（5）考慮實際情況中的偵探延遲的這樣的現(xiàn)象，實際真實的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)是這樣的：

圖2 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

故我們所需要計算的TOP是t以及t’兩者之和。

（6）減弱t’對t的影響是至關重要的，對變量t的影響是至關重要的，需要值得深思的是，路由器使用OFDM技術，因此路由器的數(shù)據(jù)包的很大一部分的每一位都是在一個單獨的OFDM子載波中快速傳輸。而且我們可以利用OFDM子載波的的特殊性質(zhì)：0號子載波沒有偵探延遲，給出簡單的證明如下：

顯然我們可以得到我們想要的結(jié)論：0號子載波傳輸過程中是沒有偵探延遲的。然而僅僅這些是不夠的，0號子載波雖看起來很有用，但是0號子載波并不能用來傳輸數(shù)據(jù)。幸運的是，我們可以通過利用其它子載波來間接實現(xiàn)對其它的測量。具體來說，它充分利用了室內(nèi)無線信道是基于強大物理規(guī)律的這一事實。因此，在一個小數(shù)量范圍內(nèi)的OFDM子載波中，他們是不間斷的。這也就是意味著我們可以在所有的子載波插值測量的信道相在零子載波來估計丟失的相位。

最后，我們可以使用線性插值，就可以根據(jù)0號子載波附近的子載波計算得到0到子載波的信息。如下圖所示：

圖3 線性插值

最終計算得到TOP，實際實驗發(fā)現(xiàn)此算法計算得到的定位坐標誤差非常的小，但是容易受到環(huán)境影響，比如在環(huán)境復雜時，可能會出現(xiàn)多徑現(xiàn)象。

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