基于wifi信号的室内定位方法毕业设计(编辑修改稿)

基于wifi信号的室内定位方法毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

..................................................................37 结 论 ...................................................................................................................................39 参 考 文 献 .............................................................................................................................40 致 谢 ...................................................................................................................................42 基于 WiFi信号的室内定位方法 1 引 言 位置信息在人们的日常生活和工作当中扮演着重要的作用。 无论是在郊外、展览馆还是公园等陌生的环境中，使用定位导航信息可以为观众游览提供更加便捷的服务；在仓储物流过程当中，对物品进行实时的定位跟踪将大大提高工作的效率；在监狱等特殊环境中，及时而准确地掌握相关人员的位置信息，有助于提高安全管理水平，简化监狱的管理工作。 目前全球定位系统 (GPS,Global Positioning System)[13]是获取室外环境位置信息的最常见和最常用的方式。 近年来，随着无线移动通信技术的快速蓬勃发展， GPS 和蜂窝网络相结合的 AGPS(Assisted Global Positioning System)定位方式在紧急救援和各种基于位置的服务 (LBS,LocationBased Services)中逐渐得到了应用。 但由于卫星信号较为容易受到各种障碍物的遮挡， GPS/APGS 等卫星定位技术并不适用于室内或高楼林立的场合，目前 无线室内定位技术正在迅速发展，且已成为 GPS 的有力补充。 如今一般来讲，使用无线信号强度来获取目标位置信息的过程，其实就是建立无线信号强度和位置信息稳定映射关系的一个过程。 现有的室内无线定位系统主要采用的是红外、超声波、蓝牙、 WiFi(Wireless Fidelity)、 RFID(Radio Frequency Identification)等短距离无线技术。 其中基于 WiFi 网络的无线定位技术由于部署广泛且低成本较低等原因而备受关注。 目前来看，其中由微软公司开发的雷达系统是基于 WiFi 无线网络的最早的定 位系统。 它采用的是射频指纹匹配的方法，从指纹数据库中查找最为接近的几个邻居，取它们坐标的平均来作为估计坐标。 室内定位系统 [5]介绍的则是基于 RSSI 信号的统计特性，它采用的是贝叶斯公式，通过计算待定位位置的后验概率分布来进行定位。 全球定位服务其主要发展的区域包括了亚太、北美以及欧洲这三个大市场，其中以亚太市场发展最为快速和较早，尤其是日本和韩国这两个国家。 在日本市场中，由于移动数据服务市场竞争较为激烈，为了能够提供更多的和更好地增值服务，日本一些运营商早在 20xx 年就已经开始推出了移动定位服务。 通过和平台 供应商以及增值服务商合作，日本的 LBS 服务内容变得愈加丰富。 目前，韩国已经制定了隐私权保护的法令，同时也成立了一些定位服务的产业协会，这些举措驱动了其定位服务的快速发展，而主要的 LBS 运营商，例如 KTF、 SKT、 LGT 等都推出了相关的 LBS 应用，其内容丰富，包括了商业 (广告、出租车呼叫、移动付款、移动商务 )和个人 (紧急救援、老人、儿童追踪 )市场，促进 LBS 产业快速发展。 然而在 20xx 年后，随着北美业者因应 E911(紧急救援服务 )政策系统设备更新的逐步完成， VefizonWireless、 SprintNextel 等运营商也陆续开始基于 WiFi信号的室内定位方法 2 推广 LBS 应用。 在欧洲，不少类似美国 E911 的紧急救援法令也被颁布了出来，不过出于对技术的更新或者是投资回报率的考虑，都采取了较为保守的策略，对比于亚太与美国业者，其基于 WiFi 技术的定位系统的设计与实现的发展程度是相对落后的。 相比一些西方国家来说，国内的 WiFi 网络建设还是相对起步较晚的，但是最近几年发展比较迅速。 例如，上海就在 20xx 年前建立起了能够覆盖全市的无线网络；北京也在 20xx 年底以前在五环范围内普及无线宽带高速上网；其他许多的城市也相继开始了较大规模的无线网络的建设。 在 法律层面上，个人位置服务的发展还涉及到保护用户隐私的问题。 在《民法》中，我国法律对公民的名誉权进行了保护，然而对于用户位置的隐私却是没有进行明确规定的。 这一立法上的相对滞后，可能会影响到整个 LBS 产业的发展。 如何促进用户认识各种增值应用服务，并且产生有效的需求和使用的习惯，已然成为了 LBS 市场的关键性问题。 由于相关的创新涉及到了许多跨领域的合作，目前我国的 LBS 创新还较为匮乏。 但是国内已有一些公司开发出基于 WiFi 技术的实时的定位解决方案。 “离线采集阶段”一般可以分为两类，这取决于到底是谁收集到的指纹数据。 基本的“ Expert Surveyor”模型是被首次研究的。 该模型提供了一个稳定并且精确的无线电地图，但是它陈本高昂，因为该模型需要的所有工作，从最初的无线电地图构建任务到后来的零星的维护任务，都必须由训练有素的专家来完成。 由于成本随着测量现场尺寸的增加而增加，最近一些研究人员已经开始研发新的系统，使得普通的用户可以参与到离线采集阶段。 这种基于“众包”的模式能明显降低地图的构建和维护所需要的成本，但是随之而来的它也产生了一系列问题，带来了新的挑战。 本文详细研究了存在于一个众包的室内定位系统当中的三个主要 技术问题。 第一个问题是，不采用专门的测量人员。 不同于专家级别的测量师，可以为了建立指纹数据库而花费足够长的测量时间，在一个众包系统当中测量人员都是志愿者，他们不应该被迫的去牺牲掉自己的时间和设备资源来进行指纹数据的采集。 无线电地图应该提供可靠和准确的指纹数据，并且它的建立应基于短时间的 RSS 测量。 其次，由于数据采集过程当中对于设备的类型和数量没有约束。 用户携带着不同的设备，这就导致了一个无线电地图的建立是在来自不同设备的 RSS 值的基础上的。 由于不同的设备可能会有着不同的芯片和天线设计，通过不同设备采集到的 RSS 测量数据就或多或少的会有所不同，甚至当他们被放在完全相同的位置时也是一样。 因此，能允许设备的多样性的这样一种技术是必要的。 最后，没有指定的指纹采集点也可能产生问题。 由于无线电地图的更新是通过未经训练过的无集中控制的自由用户所更新的，不同的用户可以上传自己的指纹数据，这些被采集的数据采集于不同的位置然而却有着同样的位置标签。 多个指纹数据却表明基于 WiFi信号的室内定位方法 3 同一个特定的位置，这不仅仅会导致估计位置时间变长也会导致在无线电地图服务器上存储空间的浪费。 考虑到这三个问题本文提出了以下观点： （ 1） 我们分析了 RSS 的特点，它的测量过程 可以不需一分钟时间。 在已有研究的基础之上，我们提出了一个可以在每个 AP 提取到可靠的单个指纹值的方法，而该方法是能够保证在短时间内测量 RSS 的。 （ 2） 我们提出了一种新型的室内定位方法，该方法适用于异构设备并且不需要其他复杂过程的校准。 （ 3） 我们还证明，该方法解决了多个测量人员的问题且无需任何校准。 （ 4） 通过使用多个手机在不同情景下的真实实验，我们对我们的定位技术的性能进行了评估。 基于 WiFi信号的室内定位方法 4 1 相关技术研究现状及开发环境 室外定位 近些年来，随着无线通信技术与网络技术的不断发展和全面 的普及，各种新业务与新需求更是层出不穷，其中位置感知计算 (Locationaware Computing)和基于位置的服务 LBS 在人们的生产和生活当中起到了至关重要的作用，如何确定用户位置是实施前述应用的首要的问题，因此定位技术是位置感知计算和基于位置的服务的核心问题。 根据应用环境与场景的不同，定位技术大致可以分为室内定位技术和室外定位技术两种。 室外定位系统主要有蜂窝定位和全球定位系统 GPS。 蜂窝无线定位即手机定位，是基于移动蜂窝网的基站定位，其定位精度依赖于基站的分布和基站信号的覆盖范围的大小。 1996 年，美国 FCC 颁布了 E911(Emergency call ‘ 911’ )条例提出了相关的技术要求，要求移动通信提供商必须为用户提供能够达到定位准确度在 125m 以内的室外定位服务，自 20xx 年以后，美国 FCC 提出了更严格的准确度和三维空间定位的需求。 在政府的相关要求和市场巨额利润的驱动之下，基于蜂窝移动网的定位技术得到了广泛的应用。 美国的 GPS 系统是目前使用最为广泛、用户人数量最多的全球性定位系统。 GPS 系统由 24 颗卫星组成，在任何时间、任何地点地面接收终端都可以同时接受到 4 颗以上的卫星发 出的信号。 根据电磁波的传播原理，通过卫星信号的到达时间差来计算出搜索到的卫星和终端用户之间的距离，采用三边定位法 [6]计算出终端用户的具体的位置，其民用定位精度可以达到 15m 以内。 同时，其他的国家也陆续研究开发出了具有自主知识产权的定位系统，其中包括中国的北斗卫星定位系统、俄罗斯的 Glonass 定位系统和欧盟的 Galileo 定位系统。 但是在城市环境中，由于 GPS 卫星发射的电磁信号太过微弱，楼宇等建筑物阻碍了卫星信号的传播，所以导致了所谓的“都市峡谷”（ Urban Canyon）效应，使得 GPS 系统无法正 确和准确的定位。 因此，虽然 GPS 系统在室外环境能够有效地进行定位，但是在室内环境中却无法进行有效的定位。 以上所述的两种定位系统是应用较为广泛的室外定位系统，但应用于室内的时候，这两种定位系统并不能够提供很好的定位服务。 首先，由于室内环境复杂因素较多，信号在室内传播的情况要复杂于室外传播的情况。 其次，室外定位应用大都是开阔的环境，几十米的定位误差并不会影响用户的真实使用感受；但对于室内定位应用而言，需要将定位的精度控制在若干米以内，才能为用户提供可具使用性的室内定位系统。 针对室内定位的难点，即克服信号受到环 境噪声的干扰，对移动用户的快速定位，对定位精度的基于 WiFi信号的室内定位方法 5 高要求，国内外许多的研究人员都进行了有针对性的研究和探索，这些研究涉及到无线网络、传感器技术、随机信号处理等众多交叉领域。 室内定位 在过去的十几年当中，许多的室内定位技术已经被提了出来。 其中，使用现存的 WiFi网络基础设施的技术已经引起了人们越来越多的特别的关注，由于如今室内环境当中的无线接入点的普及，这样的技术更加引起了研究人员们的关注。 此次的工作建立于一个基于众包（也被称为“ Organic”）的方法，并处理对于存在于一个特定的位置的设备异构性和多个 测量人员的问题。 早期的室内定位技术要求用专业的硬件来确定设备的位置。 系统 Active Badge[8]和 Active Bat[9]，使用带有标签的发射的红外线和超声波脉冲的方法。 其中 Active Badge是开发最早的位置感知系统，该系统使用红外线信号进行定位。 待定位用户携带一个红外线发射终端，该设备每隔 10 秒钟向外发出一个全局标识号，当固定在室内的红外线接受设备收集到此类信号时，即可估计出用户所在房间，因此系统的定位精度只能达到房间大小。 该系统有如下几个缺点，首先，系统的作用范围受限于红外线的传播距 离，其次，由于需要额外安装红外线发射接收装置，将产生高昂的安装和维护成本。 在 Active Badge 的基础上， ATamp。 T 的研究人员将无线电和超声波两种信号结合起来，根据超声波的传输时间计算出待定位用户和各接收器之间的距离。 由服务器使用三边定位法计算出定位用户的估计位置。 此系统的准确度高，定位精度在 95%的情况可以控制在 9cm 以下。 但是，这种超声波测距系统需要布置很多接收器，而且必须在可视范围内，因此接收器的位置也对定位结果有很大影响。 所以此系统虽然定位精度高，但系统的布置难度大，成本较高。 这些都是 基于通过放置在建筑物中固定的传感器的检测的。 Cricket[10]和 Cricket Compass[24]，使用的是射频和超声波组合的技术。 采用 RFID 的技术 [25,26]也被提出了。 后来的系统使用现有的在建筑中的基础设施，并且依赖于无线电频率信号测量。 射频信号首先被用于 RADAR[12]用于室内定位的目的。 RADAR是由微软于 20xx 年提出的室内定位系统，也是最早的使用 WLAN 信号作为定位依据的定位系统。 该系统在 WLAN 信号覆盖范围内，在一些物理位置点采集各个 AP 的 RSSI 值，把物理坐标 和各个 RSSI 值组成一个指纹，最终把多个指纹存入到数据库形成 Radio Map。 当 Radio Map 构建完成之后，在实时定位阶。