陳金龍 劉忞劼

（桂林電子科技大學(xué) 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

1 緒論

1.1 研究背景

Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的廣泛應(yīng)用，以及智能移動(dòng)終端的大范圍普及，使得基于Wi-Fi 的內(nèi)部定位技術(shù)受到了多方關(guān)注。GPS 無法處理是室內(nèi)定位的相關(guān)問題，而且Wi-Fi 在絕大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境中都能搜索到。所以如果沒有額外硬件的話，最省錢的辦法就是利用Wi-Fi 完成定位工作。以往的基于角度、時(shí)間的定位方法，與Wi-Fi并不相符。在過去10年里，都習(xí)慣于使用位置指紋識(shí)別，而且在定位室內(nèi)Wi-Fi 場景中可以發(fā)揮出色表現(xiàn)。目前的室內(nèi)定位方法有超寬帶信號(hào)、超聲波和藍(lán)牙等，這些短距離的無線信號(hào)可以結(jié)合對(duì)應(yīng)的算法完成定位任務(wù)。但是，這些定位方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，可實(shí)施起來卻沒那么簡單，并且需要投入大量的資金，只能應(yīng)用于小范圍區(qū)域?，F(xiàn)階段，Wi-Fi 接入點(diǎn)在公共場所中比較常見，比如地鐵站、醫(yī)院等，采取Wi-Fi 技術(shù)定位的方法，除了能降低定位設(shè)備的資金投入以外，其精度水平也比較強(qiáng)大。

1.2 研究的意義與價(jià)值

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人民群眾對(duì)于定位的準(zhǔn)確性需求不斷提高，例如在大型商業(yè)廣廣場以及醫(yī)院當(dāng)中，人們不能快速的找到門店和科室。這樣就拉動(dòng)了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，人們利用室內(nèi)定位導(dǎo)航可以根號(hào)的到達(dá)目的地，在當(dāng)下的社會(huì)發(fā)展過程當(dāng)中室內(nèi)定位的需求不斷增加。詳細(xì)介紹了基于位置指紋在Wi-Fi 室內(nèi)定位的原理，對(duì)于Wi-Fi 的信號(hào)進(jìn)行了建模使用，根據(jù)Wi-Fi 信號(hào)的特點(diǎn)，分析研究在室內(nèi)定位當(dāng)中影響精確度的原因，根據(jù)室內(nèi)的實(shí)際情況構(gòu)建柵格地圖，對(duì)于采集的信號(hào)進(jìn)行建模，針對(duì)建模當(dāng)中存在的問題，建立指紋庫提供信號(hào)的選擇。對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析，實(shí)現(xiàn)了指紋庫區(qū)域的劃分，使用rssi 信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行聚類處理，編寫仿真程序，隨機(jī)采集數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析提高精確度。設(shè)計(jì)以安卓系統(tǒng)為根本的樣本APP，進(jìn)行實(shí)際的測定并做好成果的整理工作。

1.3 研究方法

1.3.1 文獻(xiàn)研究法

本次研究主要在研究的初期階段對(duì)于研究的內(nèi)容進(jìn)行了大量的整理，在進(jìn)行整理的過程當(dāng)中出現(xiàn)了較多的問題，但是本人充分利用互聯(lián)網(wǎng)資料以及學(xué)校的圖書資源，對(duì)于Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了全面的分析研究，搜集了大量的Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位的資料，分析相關(guān)的技術(shù)，希望在對(duì)于這些資料進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出研究的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下研究的進(jìn)展情況，全面提高研究的真實(shí)性和實(shí)踐性。

1.3.2 信息研究法

信息研究法其實(shí)通俗來說就是利用信息資源去實(shí)現(xiàn)資料的查詢和借鑒，美國著名學(xué)者維納認(rèn)為在客觀世界所有的事物都存在一種較為普遍的聯(lián)系，就是信息聯(lián)系，目前我國信息科技高速發(fā)展，電腦和手機(jī)的普及大幅度提高，有大量的信息資源可以開發(fā)利用。通過互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)的Wi-Fi 指紋的室內(nèi)定位技術(shù)的資料收集，整理大量的資料，進(jìn)行資料匯總，并且經(jīng)過篩選分析之后，運(yùn)用本次研究。

2 研究關(guān)鍵概念界定

2.1 基于Wi-Fi的室內(nèi)定位技術(shù)

無線保真屬于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的范疇，比如藍(lán)牙就是最成功的一款產(chǎn)品。通過對(duì)Wi-Fi 的應(yīng)用，即便是沒有電纜通信，終端設(shè)備與設(shè)備的通信也能通過單播、廣播的模式得以實(shí)現(xiàn)。Wi-Fi 使用ISM通信頻段，所有人都可以通過無線方式來訪問Internet 與LAN，并且具有Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置權(quán)限。用戶通過部署Wi-Fi 接入點(diǎn)，從而連接到Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，再通過支持Wi-Fi 的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線Internet 訪問的效果。憑借著發(fā)射功率低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優(yōu)勢，我們在學(xué)校、家庭、機(jī)場等公共場所都能搜索和使用Wi-Fi。

2.2 位置指紋中的Wi-Fi室內(nèi)定位

當(dāng)信號(hào)在無線空間進(jìn)行傳播的過程中，功率、距離之間存在反比的關(guān)系，造成一點(diǎn)處信號(hào)能量反映信號(hào)，即為傳輸終端的實(shí)時(shí)位置。現(xiàn)階段對(duì)于RSSI 方法我們需要確定相關(guān)位置，方法主要如下所示，分別是指紋定位和信號(hào)傳播的定位模式，根據(jù)信號(hào)的傳播方法可以使用計(jì)算相關(guān)的無線信號(hào)，并且AP 的位置已經(jīng)明確的對(duì)于檢測信號(hào)強(qiáng)度模型的AP 和目標(biāo)的距離，使用相關(guān)的定位方法，對(duì)于相關(guān)的目標(biāo)進(jìn)行定位評(píng)估，這樣的方法是在傳播模型進(jìn)行分析?，F(xiàn)實(shí)當(dāng)中室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性較大，導(dǎo)致房間當(dāng)中描述無線信號(hào)的模型不足，精確度較低，定位的精確度不能得到兩哈偶讀提升。其次還有一種在定位的區(qū)域當(dāng)中限定相關(guān)的參考點(diǎn)以及信號(hào)的強(qiáng)度，得出信號(hào)強(qiáng)度和物理位置當(dāng)中存在的聯(lián)系，使用定位算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)端的定位。

只有當(dāng)指紋數(shù)據(jù)庫處于位置區(qū)域中，才能發(fā)揮指紋位置定位法的作用。一般來說，要分成兩個(gè)步驟進(jìn)行，第一，離線指紋數(shù)據(jù)當(dāng)中進(jìn)行構(gòu)建分析，其次需要進(jìn)行在線定位階段分析，對(duì)比算法需要更加使用與勘測的RSSI 體系當(dāng)中，做到構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫，對(duì)于估計(jì)位置的角度來說，在在線模式下，移動(dòng)終端當(dāng)中需要使用信號(hào)接收的模式提出相應(yīng)的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)于指紋庫的在線配對(duì)，選擇最恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)體系。

2.3 室內(nèi)定位問題分析

現(xiàn)目前，隨著城市的快速發(fā)展，各種大型商業(yè)建筑，地下停車場，高層建筑數(shù)量不斷增加，面積和高度不斷上升，人們的出行以及購物集中在這些繁瑣復(fù)雜的大型空間當(dāng)中，這些室內(nèi)空間當(dāng)中很容易迷失方向，顧客需要了解自己所在的位置，規(guī)劃相應(yīng)的路線。但是因?yàn)镚PS 技術(shù)現(xiàn)階段不夠完善，會(huì)受到墻壁等障礙物的遮擋，不能對(duì)于室內(nèi)進(jìn)行良好的定位。國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者也開始研究和發(fā)展室內(nèi)定位技術(shù)，傳統(tǒng)模式的室內(nèi)定位技術(shù)當(dāng)中存在較多缺陷，基于指紋Wi-Fi 定位指紋庫的研究可以良好的解決這些問題，全面提高室內(nèi)定位的精確度。通過在定位過程當(dāng)中對(duì)于定位精確度的影響因素進(jìn)行分析，對(duì)于實(shí)際的影響進(jìn)行研究，構(gòu)建相應(yīng)的聚類算法指紋庫，完成仿真分析，首先需要構(gòu)建相應(yīng)的指紋數(shù)據(jù)庫，其次需要進(jìn)行在線定位，基于比較算法在勘測的RSSI 當(dāng)中非常適用，構(gòu)建相應(yīng)的指紋庫，在位置當(dāng)中的應(yīng)用，在線模式當(dāng)中接收信號(hào)和離線的指紋庫進(jìn)行比對(duì)，選擇出相似度最高的坐標(biāo)，就可以進(jìn)行路線的規(guī)劃。

3 基于Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)的研究

本文主要以Wi-Fi 信號(hào)的MAC 物理地址以及rssI 信號(hào)強(qiáng)度作為實(shí)際的研究對(duì)象，我們使用Wi-Fi 信號(hào)的物理地址和信號(hào)強(qiáng)度包含的衰竭進(jìn)行室內(nèi)定位，針對(duì)傳統(tǒng)基于位置指紋的Wi-Fi 定位存在一定偏差的問題，我們通過改變定位之文庫提高精確度，分析導(dǎo)致室內(nèi)定位過程當(dāng)中的實(shí)際影響因素作為最終的切入點(diǎn)，通過聚類算法構(gòu)建指紋庫進(jìn)行仿真分析研究。本文主要的研究內(nèi)容如下：

首先根據(jù)Wi-Fi 信號(hào)的特點(diǎn)，制定基于Wi-Fi 信號(hào)的基本模式方案，通過不同定位的方法確定切入，使用貝葉斯高斯改了模型和信號(hào)衰竭模型，使用不同的定位方法，尋找優(yōu)缺點(diǎn)，全面完善定位方法，提供相應(yīng)的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。不同信號(hào)強(qiáng)度下Wi-Fi 信號(hào)特點(diǎn)如表1所示。

表1：不同信號(hào)強(qiáng)度下Wi-Fi 信號(hào)特點(diǎn)

針對(duì)室內(nèi)定位當(dāng)中存在的影響因素進(jìn)行分析研究，根據(jù)Wi-Fi信號(hào)傳播的實(shí)際特點(diǎn)，提出減輕誤差的方法模式，對(duì)比不同信號(hào)強(qiáng)度下的Wi-Fi 特點(diǎn)，了解了Wi-Fi 信號(hào)存在強(qiáng)度偏移的問題，針對(duì)這一問題提出了聚類算法降低室內(nèi)定位當(dāng)中的影響因素。信號(hào)離散度對(duì)比如表2所示。

表2：信號(hào)離散度對(duì)比

（1）區(qū)域指紋庫劃分。基于安卓系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)時(shí)定位，測試聚類指紋庫在最終環(huán)境當(dāng)中的定位效果，顯示在界面，選取測試點(diǎn)，分析定位穩(wěn)定性，達(dá)到最終的目標(biāo)。

（2）通過測量值以及指紋庫進(jìn)行位置計(jì)算。在位置指紋的當(dāng)中主要研究都集中在定位的兩個(gè)模式當(dāng)中，分別是離線和在線，離線模式當(dāng)中構(gòu)建相應(yīng)的資源數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)任何時(shí)間手機(jī)相應(yīng)的指紋，這需要對(duì)于一個(gè)區(qū)域進(jìn)行反復(fù)多次的研究，取得的數(shù)據(jù)構(gòu)建為訓(xùn)練集，系統(tǒng)本身需要不斷濃度尋找設(shè)備的位置，本文就主要對(duì)于這兩個(gè)階段進(jìn)行全面地名小時(shí)，構(gòu)建環(huán)境坐標(biāo)當(dāng)中的具體坐標(biāo)。

（3）離線階段。調(diào)整指紋的位置一般需要在離線階段進(jìn)行，例如以下的場景，地理的區(qū)域可以劃分為32 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)和兩個(gè)接入點(diǎn)，在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)當(dāng)中，這些平均RSS 在數(shù)據(jù)的獲取周期當(dāng)中進(jìn)行確定，移動(dòng)移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備可以在數(shù)據(jù)的獲取器件，提供不同的方面和角度。

雖然對(duì)于RSS 樣本坐標(biāo)點(diǎn)是存在實(shí)際空間當(dāng)中的，以網(wǎng)格點(diǎn)的形式出現(xiàn)，這就導(dǎo)致信號(hào)空間當(dāng)中的地點(diǎn)足跡不是太規(guī)則，一部分的信號(hào)矢量在物理空間的間隔可以進(jìn)入信號(hào)空間，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤率全面上升，甚至還會(huì)直接干擾定位。

（4）在線階段。進(jìn)行在線測試的過程當(dāng)中，這過程當(dāng)中設(shè)備也處在這個(gè)位置當(dāng)中，但是是在不知道其特定位置的模式下，假設(shè)當(dāng)前設(shè)備的測量地點(diǎn)是來自于一個(gè)接入點(diǎn)的RSSI，我們測量的設(shè)備也是單個(gè)樣本，經(jīng)過AP 之后測量的RSS，數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)劃。

4 總結(jié)

無線保真屬于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的范疇，比如藍(lán)牙就是最成功的一款產(chǎn)品。通過對(duì)Wi-Fi 的應(yīng)用，即便是沒有電纜通信，終端設(shè)備也能以單播、廣播的模式與設(shè)備進(jìn)行通信。由于Wi-Fi 使用的是ISM通信頻段，所有人都能以無線方式對(duì)Internet、LAN 實(shí)現(xiàn)訪問，并且具有Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置權(quán)限。用戶可以對(duì)Wi-Fi 接入點(diǎn)進(jìn)行部署，與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)完成連接，再通過支持Wi-Fi 的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線Internet訪問的效果。憑借著發(fā)射功率低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優(yōu)勢，我們在學(xué)校、家庭、機(jī)場等公共場所都能搜索和使用Wi-Fi。本文主要對(duì)于室內(nèi)定位的需求和最終的發(fā)展情況進(jìn)行了大量的研究，分析對(duì)比了國內(nèi)外定位技術(shù)當(dāng)中存在的問題，通過對(duì)于傳統(tǒng)定位技術(shù)的分析，驗(yàn)證傳統(tǒng)定位技術(shù)當(dāng)中存在的問題，針對(duì)Wi-Fi 在空間當(dāng)中衰減的規(guī)律，使用物理地址進(jìn)行濾波分類，使用領(lǐng)域均值的錄播方法排除聚類指紋庫當(dāng)中存在的差異和影響，以安卓系統(tǒng)為平臺(tái)構(gòu)建了相應(yīng)的app，進(jìn)行實(shí)地檢驗(yàn)。