基于RSSI的室内定位算法研究

基于RSSI的室内定位算法研究摘要:近年来，随着无线网络的迅速发展，室内定位技术在诸多领域中得到了广泛应用，成为重要的研究对象之一。室内定位技术的核心要素是定位算法。优秀的定位算法，可以有效地降低无线信道的影响，并利用较少的网络资源获取较高的定位精度。论文在研究了基于RSSI测距的无线定位算法后，重点研究了基于泰勒级数展开的RSSI测距定位算法，针对传统算法的缺点提出了改进方案。关键词：室内定位RSSI泰勒级数1.引言现代社会，基于信息技术的发展，导航、定位等信息在人们纷繁庞杂的信息要求中，占据了越来越大的比重。比如航海、军事、智能公交、煤矿等领域均要求室外或者室内导航定位技术。进入二十一世纪以来，由于传统局域网己经不能满足人们的需求，加上无线网络的组网成本大幅下降，无线网络呈现出蓬勃发展的趋势，而人们在使用的同时也越来越不满足于现状，开始对其有了更多更深层次的要求。目前,世界上正在运行的卫星导航定位系统主要是美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystemGPS)，但GPS这种定位方法是在室外使用得较多的定位方法，它不适用于室内。针对GPS的室内定位精确度偏低、成本较高等缺点，具备低成本、较高定位精度的诸多室内定位技术便应运而生，并在诸多领域正越来越发挥着重要的作用。例如:煤矿企业要实现对井下作业人员的实时跟踪与定位、方便企业对员工的管理与调度，要用到室内定位技术，营救被困人员，室内定位技术可以提供被困人员位置信息，为营救节省大量的时间;在超市等购物中心，室内定位技术可以实现对商品定位、消费者定位、广告发布、地图导航等功能。所以若能实现低成本且高精度的室内定位系统，具有非常重要的现实意义。未来的发展趋势是室内定位技术与卫星导航技术和通信技术有机结合，发挥各项技术自身的优点，不仅可以提供较高的定位精度和响应速度，还可以覆盖较广的范围，真正实现无缝的、精确的定位。2室内定位方法简介所谓室内定位技术是指在室内环境下确定某一时刻接收终端在某种参考系中的位置。在室内环境下，大多采用无线局域网来估计接收终端的位置。一般典型的无线局域网架构中接入点（AP,AcessPoint）类似于无线通信网络中的基站，大部分无线局域网都使用RF（RadioFrequency）射频信号来进行通信，因为无线电波可穿越大部分的室内墙壁或其它障碍物，已提供更大的覆盖范围。常见的室内定位方法有：(1)ZigBee定位技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本及网络扩展性强的无线网络技术，它的信号传播距离介于射频识别和蓝牙之间，工作频段有三个——2.4GHz(ISM国际免费频段)和858/91SMHz，除了可以应用于室内定位，还可以应用于智能家居、环境监测等诸多领域。它有自己的无线电标准IEEE802.15.4，定位主要是通过在数千个节点之间进行相互协调通信实现的。这些节点以接力的方式通过无线电信号将数据从一个节点传到另一个节点，通信效率非常高，同时，这些节点只需要很小的功率。低功耗与低成本是ZigBee定位技术最显著的优点。(2)室内GPS定位技术当GPS接收机在室内工作时，卫星发送的GPS信号由于受到建筑物的遮蔽会大大衰减，而且不可能像室外一样直接从卫星广播中提取时间信息与导航数据，因此，定位精度会很低。但是，延长在每个码延迟上的停留时间可以有效提高室内信号灵敏度，利用这个特性的室内GPS定位技术则可以解决上述GPS定位的缺陷。室内GPS定位技术利用数十个相关器并行地搜索可能的延迟码提高卫星信号质量以提高定位精度，同时也可以提高定位速度。GPS定位导航信号免费、有效覆盖范围大是室内GPS定位技术的优势，但卫星信号在长距离的传播过程中受到的噪声干扰相对较大，导致信号到达地面时较弱，从而不能穿透障碍物，还有较高定位器终端成本等则构成了它的劣势。(3)红外线室内定位技术通过安装在室内的光学传感器接收经过红外线标识调制和发射的红外线进行定位是红外线室内定位技术的基本思想。虽然红外线室内定位技术在理论上具有相对较高的定位精度，但是红外线仅能视距传播、易被灯光或者荧光灯干扰且传输距离较短则是这项技术最为明显的缺点。受这些缺点的制约，它的实际应用前景并不乐观，而且这项技术的应用需要在每个走廊、房间安装接收天线，造价也较高。因此，红外线室内定位技术在具体应用上有非常大的局限性。(4)超声波定位技术超声波定位采用基于时间到达(TimeOfArrival,TOA)进行测距，然后选择合适的定位算法利用测得的一组距离值来确定物体的位置。超声波定位系统由若干个参考节点和定位节点组成，定位节点向位置固定的参考节点发射频率相同的超声波信号，参考节点在接收到超声波信号后向定位节点做出回应，由此得到定位节点与各个参考节点之间的距离。当得到三个或者三个以上不同参考节点与定位节点之间的距离测量值时，就可以利用这组距离测量值根据相关定位算法确定出定位节点的位置。虽然超声波定位系统整体结构也比较简单，定位精度比较高，但是，它需要大量的底层硬体设施投资，成本要求非常大，而且超声波受多径效应和非视距传播影响也很大，对定位精度的进一步提高形成了一定的技术瓶颈。(5)蓝牙室内定位技术蓝牙是一种短距离、低功耗的无线传输技术，基于它的室内定位技术是基于接收信号强度指示测距的。通过在室内安装适当数量的蓝牙局域网接入点，再把基础网络的链接模式配置成基于多用户、主设备为蓝牙局域网接入点，就可以计算出定位节点的位置坐标。目前，蓝牙定位技术受到蓝牙信号传播距离短的制约主要应用于小范围定位。由于蓝牙室内定位系统具有设备体积小、易于集成在其它系统中等优点，因此比较容易推广普及。而且，当采用该技术进行室内小范围定位时，蓝牙信号传输不受视距的影响，并且设备很容易就能够被系统发现。其缺点为蓝牙设备的成本比较大，在复杂的空间环境中，蓝牙定位系统受噪声信号干扰大，且稳定性较差。(6)射频识别技术射频识别技术进行定位是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据达到的。此技术成本低，作用距离一般为几十米，可以在非常短的时间内得到厘米级的定位精度信息。目前，理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题是射频识别研究的热点和难点。虽然射频标识技术有自身的优点，但相比于蓝牙定位技术，它不容易被整合到其它系统中。(6)Wi-Fi定位技术基于网络节点能够实现自身定位的前提，无线局域网(WLAN)是一种全新的定位技术，它可以在诸多的应用领域内实现复杂的大范围监测、定位和跟踪任务。现在比较流行的Wi-Fi定位是基于IEEE802.11标准、采用经验测试和信号传播模型相结合的一种定位解决方案。该定位系统需要的基站数量比较少，比较容易安装，具有相同的底层无线网路结构，系统定位精度较高。但是，如果定位的测算不是依赖于合成的信号强度图，而是仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近，那么在楼层定位上很容易出错。目前，受到Wi-Fi收发器的覆盖范围一般只能达到半径90m以内的区域这一缺点的制约，该系统主要应用于小范围的室内定位。并且，无论是应用于室内定位还是室外定位，太系统对干扰信号的反应都很灵敏，从而影响其定位精度，定位节点的能耗也较高。除了以上提及的定位技术，还有基于光跟踪定位、基于图像分析、电脑视觉、信标定位等室内定位技术。3.无线定位基本方法要实现定位，首先要把移动终端到基站间的距离计算出来。在基于测距的定位方法中，常用的测量两个无线设备间距离的技术大致有以下四种：3.1基于电波传播时间（TOA）若电波从移动终端到基站的传播时间为t，电波传输速度为c，则移动终端位于以基站位置为圆心，以tc为半径的圆上。如果同时有三个以上的基站收到移动终端的无线信号，则移动终端的二维位置的坐标可由以基站为圆心的三个圆的交点确定。基于TOA的无线定位，时间上1s的误差将导致定位结果在空间上产生300m左右的误差，因此要求基站拥有非常精确的时钟，收发信号的双方能够精确同步。3.2基于电波传播时间差（TDOA）通过测量无线信号到达基站的时间而不是无线信号到达基站的绝对时间来对移动终端进行定位，从而降低对时间同步的要求。根据信号到达两个基站的时间差，则可以确定移动终端位于以这两个基站为焦点的双曲线上。如果有三个以上的基站,则可以建立起多个双曲线方程，这些双曲线方程的交点就是移动终端的二维坐标位置。3.3基于电波入射角（AOA）在这种方法中基站通过接收机天线阵列测出移动终端发送电波的入射角，并确定一条从基站到移动终端的焦径线。通过多个基站对移动终端无线信号的测量，能够得到多条焦径线，这些直线的交点就是移动终端的位置。由于无线信号具有多径衰落等特性，采用此种方法在障碍物较少的地区可以得到较高的精确度，并且设备复杂价格昂贵。3.4基于信号强度(RSSI)无线信号的信号强度随着传播距离的增加而衰减，接收方与发送方离得越近，则接收方的信号强度就越强；接收方离发送方越远，则接收到的信号强度就越弱。根据移动终端测量接收到的信号强度和已知的无线信号衰落模型，可以估算出收发方之间的距离，根据多个估算的距离值，可以计算出移动终端的位置。这一种方法相对简单，不需要对网络添加额外的硬件设备，但是由于影响无线信号强度因素较多，定位精度不是很理想。由于室内定位范围一般相对较小，且现在室内定位一般是利用的高频率的无线电，传播速度为光速，时间上只要稍微出现一点误差，基于时间的测距方法便会产生非常大的误差，而基于RSSI的测距方法则没有这个缺点，且其信号模型在小范围内比较接近理论值，所以室内定位技术一般均是采用基于RSSI的定位方法。本文档主要探讨的就是基于基于信号强度进行的无线定位。4.经典的定位算法基于传播模型的定位算法很多，其中最基本的定位算法有三边测量法、双曲线测量法、最小二乘法。4.1三边测量法假设图4.1中三个圆的圆心A、B、C是对应的三个AP的位置。其对应的坐标分别为),(),,(),,(332211yxyxyx。三个圆的交点D即为待定位的移动终端位置，坐标为(x,y)。对应测量点与各个无线接入点的距离为1d,2d,3d。根据几何关系可知:232323222222212121)()()()()()(dyyxxdyyxxdyyxx（4.1）将式(4.1)最后式减去前两式，可得：22232322232232322123232123213131)(2)(2)(2)(2ddyyxxyyyxxxddyyxxyyyxxx（4.2）由式（4.2）得到终端的位置坐标：2223232223222123232123211323231312ddyyxxddyyxxyyxxyyxxyx（4.3）图4.1三边测量法4.2双曲线测量法两组双曲线可以确定一个点。如图4.2所示，1AP，2AP，3AP分别为三个已知位置的基站，他们的坐标为),(),,(),,(332211yxyxyx，M点为待定位终端，他的坐标为(x,y)。经过测量，M点到各AP的距离分别为1d，2d，3d。根据双曲线的几何关系得到以下关系式：3,2,1)()(22iyyxxdiii（4.4）而M到1AP和到各其他AP的距离差为:3,2))()()()(()(22121222112iyyxxyyxxdddiiii，(4.5)求解上述二元方程组就可以得到两个解，即双曲线的两个交点，其中一个为M点的坐标，而另一个则需要通过一定的先验知识来进行排除。图4.2双曲线测量法4.3最小二乘法当整个网络中包含3个或3个以上的已知位置的AP时,就可以得到多组方程组。设各已知位置AP节点的坐标为),(),,(),,(332211yxyxyx...),(kkyx，而未知待定位终端M坐标为(x,y)，M到各已知位置AP的距离分别为1d，2d，3d...kd，则可建立以下方程组:222212121)()(...)()(kkk