基于WIFI的室内定位技术

《无线定位技术》课程报告基于WIFI的室内定位技术学院：学号：姓名：2015年11月1目录1背景..............................................................................................................12室内定位技术相关理论..............................................................................32.1定位技术简介....................................................................................32.2定位测距原理....................................................................................42.3WiFi基础知识......................................................................................63基于RSSI的室内定位技术........................................................................83.1RSSI定位技术分类..............................................................................83.2典型的室内传播模型........................................................................93.2.1线性距离路径损耗模型.............................................................93.2.2对数距离路径损耗模型.............................................................93.2.3衰减因子模型...........................................................................103.2.4MK模型.....................................................................................113.3基于模型的定位算法......................................................................113.3.1三边测量法...............................................................................113.3.2双曲线定位法...........................................................................123.3.3最小二乘法...............................................................................134总结............................................................................................................15参考文献..............................................................................................................161基于WIFI的室内定位技术研究1背景时间和空间是人们生活、生产的基本要素，人们的一切活动都离不开时间和空间。随着无线通信技术的发展和人们生活水平的提高，基于位置的服务（Location-BasedService，LBS）需求量不断增长，发展迅速，受到大家的广泛关注，并且在社交网络、广告服务、旅游、购物、公共安全服务等诸多领域得到广泛应用[1]。根据定位环境的不同，无线定位技术大致可分为室外定位和室内定位两大类。以美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem,GPS）为代表的全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），室外定位技术已经相当成熟，可靠性好、精度高，给室外定位带来了极大的便利，并且在军事、交通、测绘、环境监测等领域得到广泛应用。然而人们日常生活的大部分时间都在室内活动，人们已经不再满足于只能在室外享有基于位置的信息服务，室内定位的需求变得日益强烈。卫星信号不能穿透建筑物，并且在障碍物遮挡较为严重的情况下，卫星定位系统无法给出可靠的定位结果甚至无法定位。因此，全球导航卫星系统不能满足人们室内定位的需求，于是室内定位技术应运而生。目前室内定位技术主要有光跟踪定位技术、A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术和WiFi技术等。光跟踪定位技术要求探测器和跟踪目标之间可视，这使得光跟踪技术的应用受到很多限制。A-GPS定位技术通过延长每个码的延迟时间来提高信号的灵敏度，需要通过相关机搜索延迟码，需要在手机内集成GPS接收机，这就决定了A-GPS定位技术使用范围的局限性[2]。超声波定位目前大多数采用反射式测距法，定位精度可达厘米级，精度较高，但容易受到反射、透射、绕射等多径效应的影响，且成本较高[3]。蓝牙技术所需的设备体积小，易于集成在PDA、PC以及手机中，但它在复杂的环境中稳定性差，覆盖范围小。WiFi技术是一种新型的信息获取技术，具有覆盖范围广、传输速度快、成本较2低、易于安装、稳定性高等特点，各大媒体争先报道，有的甚至称WiFi将是室内定位的最佳选择[4,5]。现在的笔记本电脑、PDA和智能手机等移动设备都支持WiFi介入技术，而且WiFi网络的接入点分布于餐厅、宾馆、机场、学校、医院和个人家庭等各种不同的场所。在日常生活中，可以说WiFi无处不在。因此，将WiFi技术应用于定位领域，具有很好的发展前景。32室内定位技术相关理论2.1定位技术简介定位技术是指在某环境下确定某一时刻待定位移动终端在某种参考坐标系的中的具体位置[6]。目前最流行的就是GNSS，但其需要在相对地域较为空旷、高层的建筑不多的地方才能精准定位，室内定位目前无法使用。室内定位技术就是指在室内环境下确定某一时刻移动终端在某种参考坐标系中的具体位置。在室内环境下，大多都采用无线局域网（WLAN）来估计接收终端的位置，无线局域网中的接入点（AccessPoint，AP）类似无线通信网络中的基站，在定位中发挥主要作用。几乎所有的无线局域网都使用射频信号（RadioFrequency）来进行通信，因为无线电波能够穿透大部分的室内墙壁以及障碍物，所以WiFi可以提供更大的覆盖范围，给定位带来便捷。室内定位可以分成基站型（NetworkBased）和移动终端型（MobileTerminalBased）两大类。基站型是由各个基站接收移动终端上传的信号，利用接收到的信号进行定位；移动终端型是由移动终端利用各个基站下传的信号做定位运算。其中上传和下传的信号可分为接收的信号强度（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）、信号到达的角度（AngleofArrival，AOA）、信号到达的时间（TimeofArrival，TOA）以及不同信号到达的时间差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）等。整个定位的流程图2-1所示。接收机接收机定位算法位置显示RF信号TOA\AOA\TDOA\RSSI…位置坐标（x,y,z）图2-1室内定位流程图42.2定位测距原理定位技术根据定位过程中采取方法的不同分为基于传播过程的定位方法和基于其他辅助终端的定位方法[7]，这里主要介绍基于传播过程的定位方法。1）基于信号传播时间（TimeofArrival，TOA）TOA方法[8]主要测量无线信号在AP和移动终端之间的单程传播时间或者收发一次的来回传播时间[1]。前种方法要求AP或移动终端能够记录信号发出的准确时间，并且对收终端的钟有着十分高的要求，这样才能保证记录时间的准确性；而后者不要求两个终端时间同步，是一种十分常见的测量传播时间的方法，但同样对时钟的精确度有着十分高的要求。设无线电波从AP1传播到移动终端所需时间为t，其传播速度为c，那么移动终端必位于以AP1位置为圆心，*tc为半径的圆上。同理在AP2、AP3上进行相同的计算，在理想情况下，三个圆交汇于一点，这个点就是移动终端所在位置，如图2-2所示。图2-2TOA方法示意图2）基于信号传播的时间差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）TDOA方法[1]是通过检测无线信号到达两个AP的时间差来确定移动终端的位置，非常有效的降低了TOA测量时对发射终端和接收终端时钟同步的性能要求。采用三个不同的AP就可以得到两个TDOA值，移动终端就位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。如果有三个以上的AP，则可以得到多个双曲线方程，5如果传播过程以及测量等都为理想情况，理论上这些双曲线方程都会交于一点，而这点就是移动终端的位置。图2-3TDOA方法示意图3）基于信号到达角度（AngleofArrival，AOA）在基于信号到达角度AOA[5]的定位机制中，AP节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知来自待定节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对角度或方向，再通过集合法则计算出节点的位置。AOA定位不仅能确定节点的坐标，还能同时得知未知终端的方位信息。但是测量到达角度通常需要定向天线，由于这个原因，它的应用会带来额外的成本和系统复杂度，且易受外界环境的影响。4）基于接收信号强度（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）实验表明，无线信号在传播过程中遵循以下规律[9]：在AP发射功率一定的情况下，接收到的信号强度与收发双方的距离成反比关系，距离越近，接收方收到的信号强度越强，反之则接收到的信号强度越弱。信号强度与发射端到接收端距离满足以下公式：10lgpd(2.1)式(2.1)中，p为接收到的信号强度；取决于发射功率、额外损耗和其他系统常数；为路径损耗指数；d为通信链路物理路径长度，即发射端到接收端的距离。RSSI方法根据已知的电波传播模型，由移动终端测量来自几个AP的信号6强度值，利用三个或三个以上信号强度值转化成移动终端到已知基站的距离，来对移动终端进行定位，一般通过3个AP就可以确定移动终端的位置。这种方法相对比较简单，不需要额外的设备，但影响信号强度的因素较多，所以定位精度不甚理想，在定位精度要求不高的情况下可以使用。2.3WiFi基础知识WiFi是WirelessFidelity（无线保真）的简称，俗称无线带宽，是一种能够将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，其有效范围可以达到数百英尺，该技术使用IEEE802.11系列协议。图2-4WLAN的组成元件IEEE802.11所定义的无线网络硬体架构，主要由工作站、基站、无线介质和传输系统等元件组成，如图2-4所示[10]。1）工作站（Station，STA）任何设备只要拥有IEEE802.11的MAC层和PHY层的接口，就可以称为一个工作站。常见的工作站包括笔记本电脑、PDA和智能手机等，它们使用无线网络的目的很简单，即在没有网线布置的条件下使用有线网络的资