【正文】 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán) 使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 ：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。隨著近些年無線定位技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文提出了一個(gè)有效的定位方法來處理存在于基于眾包的系統(tǒng)的三個(gè)主要技術(shù)問題。 關(guān)鍵詞： 無線定位技術(shù)；室內(nèi)定位；眾包； WiFi 指紋定位 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 IV Indoor localization method based on the WiFi signal Abstract Nowadays, people live in an era of mobile Inter, mobile phone has increasingly bee the indispensable tool in People39。Crowdsourcing。近年來，隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的快速蓬勃發(fā)展， GPS 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的 AGPS(Assisted Global Positioning System)定位方式在緊急救援和各種基于位置的服務(wù) (LBS,LocationBased Services)中逐漸得到了應(yīng)用。其中基于 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)由于部署廣泛且低成本較低等原因而備受關(guān)注。 全球定位服務(wù)其主要發(fā)展的區(qū)域包括了亞太、北美以及歐洲這三個(gè)大市場(chǎng)，其中以亞太市場(chǎng)發(fā)展最為快速和較早，尤其是日本和韓國(guó)這兩個(gè)國(guó)家。然而在 20xx 年后，隨著北美業(yè)者因應(yīng) E911(緊急救援服務(wù) )政策系統(tǒng)設(shè)備更新的逐步完成， VefizonWireless、 SprintNextel 等運(yùn)營(yíng)商也陸續(xù)開始基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 2 推廣 LBS 應(yīng)用。在 法律層面上，個(gè)人位置服務(wù)的發(fā)展還涉及到保護(hù)用戶隱私的問題。由于相關(guān)的創(chuàng)新涉及到了許多跨領(lǐng)域的合作，目前我國(guó)的 LBS 創(chuàng)新還較為匱乏。該模型提供了一個(gè)穩(wěn)定并且精確的無線電地圖，但是它陳本高昂，因?yàn)樵撃Ｐ托枰乃泄ぷ?，從最初的無線電地圖構(gòu)建任務(wù)到后來的零星的維護(hù)任務(wù)，都必須由訓(xùn)練有素的專家來完成。第一個(gè)問題是，不采用專門的測(cè)量人員。用戶攜帶著不同的設(shè)備，這就導(dǎo)致了一個(gè)無線電地圖的建立是在來自不同設(shè)備的 RSS 值的基礎(chǔ)上的。由于無線電地圖的更新是通過未經(jīng)訓(xùn)練過的無集中控制的自由用戶所更新的，不同的用戶可以上傳自己的指紋數(shù)據(jù)，這些被采集的數(shù)據(jù)采集于不同的位置然而卻有著同樣的位置標(biāo)簽。 （ 2） 我們提出了一種新型的室內(nèi)定位方法，該方法適用于異構(gòu)設(shè)備并且不需要其他復(fù)雜過程的校準(zhǔn)。 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與場(chǎng)景的不同，定位技術(shù)大致可以分為室內(nèi)定位技術(shù)和室外定位技術(shù)兩種。在政府的相關(guān)要求和市場(chǎng)巨額利潤(rùn)的驅(qū)動(dòng)之下，基于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，其他的國(guó)家也陸續(xù)研究開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定位系統(tǒng)，其中包括中國(guó)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的 Glonass 定位系統(tǒng)和歐盟的 Galileo 定位系統(tǒng)。首先，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜因素較多，信號(hào)在室內(nèi)傳播的情況要復(fù)雜于室外傳播的情況。其中，使用現(xiàn)存的 WiFi網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)已經(jīng)引起了人們?cè)絹碓蕉嗟奶貏e的關(guān)注，由于如今室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中的無線接入點(diǎn)的普及，這樣的技術(shù)更加引起了研究人員們的關(guān)注。其中 Active Badge是開發(fā)最早的位置感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用紅外線信號(hào)進(jìn)行定位。T 的研究人員將無線電和超聲波兩種信號(hào)結(jié)合起來，根據(jù)超聲波的傳輸時(shí)間計(jì)算出待定位用戶和各接收器之間的距離。所以此系統(tǒng)雖然定位精度高，但系統(tǒng)的布置難度大，成本較高。后來的系統(tǒng)使用現(xiàn)有的在建筑中的基礎(chǔ)設(shè)施，并且依賴于無線電頻率信號(hào)測(cè)量。當(dāng) Radio Map 構(gòu)建完成之后，在實(shí)時(shí)定位階段，由待定位終端收集周圍可見 AP 接入點(diǎn)的 RSSI 值，形成一組相關(guān)聯(lián)的信號(hào)觀察值。 一般來說，對(duì)于定位，使用信號(hào)強(qiáng)度值的技術(shù)要 么是基于三角測(cè)量的方法 [11]或者是基于預(yù)先存儲(chǔ)的 WiFi 指紋并進(jìn)行對(duì)位置的估測(cè)。在這些系統(tǒng)當(dāng)中，“訓(xùn)練”階段也就是“離線采集階段”，需要在系統(tǒng)中使用一組標(biāo)記的數(shù)據(jù)集來建立其內(nèi)部的定位模型，也就是說建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。在第一類當(dāng)中，離線采集階段的數(shù)據(jù)集是由有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量人員采集的。該技術(shù)的關(guān)鍵的想法是使用通過參與系統(tǒng)的用戶可以在不同地點(diǎn)貢獻(xiàn) WiFi 指紋。他們把世界建模成樹狀層次的命名空間，并且提供了一個(gè)算法，對(duì)于在信號(hào)空間的暫時(shí)的變化明確了賬號(hào) [18]。主要使用的參數(shù)是信號(hào)強(qiáng)度值和接入點(diǎn)的檢測(cè)。離線采集階段，通俗地講，其目標(biāo)是為了構(gòu)建一個(gè)關(guān)于信號(hào)強(qiáng)度與采樣點(diǎn)位置之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)或無線電地圖。 開發(fā)環(huán)境 的安裝和 Java 環(huán)境變量的設(shè)置 首先要完成 JDK(Java Development Kit)的安裝， JDK 可以說是整個(gè) Java 的核心，包括了一系列 Java 開發(fā)的東西，安裝完畢后要進(jìn)行環(huán)境變量的配置。最后配置 CLASSPATH，其值為： .。 Eclipse 不需要安裝，把解壓包解壓后，剪切 eclipse 文件夾到你想安裝的地方，打開時(shí)設(shè)置你的工作目錄即可。一般情況下，當(dāng)?shù)桨惭b目錄運(yùn)行 SDK Manager 時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)什么平臺(tái)和工具也沒有，需要下載回來。搭建成功后，電腦 PC端就可以進(jìn)行 Android 程序的開發(fā)了。有關(guān)室內(nèi) 定位的許多技術(shù) [47]已經(jīng)在過去的十年當(dāng)中被提了出來。這種方法通過比較觀察到的接收信號(hào)強(qiáng)度（ RSS）值和“離線采集階段”建立的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋數(shù)據(jù)來估計(jì)位置，至于優(yōu)勢(shì)，就在于它有效避免了專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的部 署，減少了成本。 其他需求 （ 1） 經(jīng)濟(jì)可行性 由于在“離線數(shù)據(jù)采集階段”沒有使用專業(yè)的測(cè)量人員和專業(yè)基礎(chǔ) 設(shè)施的部署和使用，只是依靠同學(xué)們和他們自己的手機(jī)設(shè)備分別作為測(cè)量者和數(shù)據(jù)采集裝置，因此避免了能夠預(yù)想到的人力、財(cái)力、物力的耗費(fèi)，這在經(jīng)濟(jì)上是十分可行和可取的。 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖 基于 Android 開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的“基于 WiFi 信號(hào)的室內(nèi)定位系統(tǒng)”主要有信息采集功能、定位功能和查看信息的功能，系統(tǒng)冊(cè)次結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)用例圖 圖 用例圖 Android 開發(fā)平臺(tái) 基于 WiFi 信號(hào)的室內(nèi)定位 采集信息 定位 查看位置信息 采集信息 定位 查看位 置信息 位置信息 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 11 3 系統(tǒng)概述和挑戰(zhàn) 概述 在本節(jié)中，我們簡(jiǎn)要地描述了一下我們的目標(biāo)體系的一個(gè)高層次的使用場(chǎng)景，其中包括兩個(gè)主要實(shí)體：“貢獻(xiàn)者”或“測(cè)量師”使用位置標(biāo)簽在特定的位置記錄和上傳指紋數(shù)據(jù)，“用戶”通過查詢無線電地圖服務(wù) 器查詢當(dāng)前位置。這一“單測(cè)量師 多用戶”的模型很方便在小范圍內(nèi)建立一個(gè)初步的無線電地圖，因?yàn)樗恍枰?zhǔn)每個(gè)掃描到的指紋。圖 簡(jiǎn)要描述了本系統(tǒng)的概述。當(dāng)用戶 C 查詢他自己的當(dāng)前位置信息時(shí)，如果用戶 CA C D 指紋數(shù)據(jù)庫(kù) B 101 102 帶有“ 101 位置 ”標(biāo)簽的指紋數(shù)據(jù) 測(cè)量到的RSS 數(shù)據(jù) 帶有“ 102 位置 ”標(biāo)簽的指紋數(shù)據(jù) 估計(jì)的位置101 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 12 的 RSS 測(cè)量值與用戶 A 或者用戶 B 其中的一個(gè)相匹配的話那么服務(wù)器向其返回“位置101”。然而，以往的研究似乎忽略了這一點(diǎn)。本論文的突出貢獻(xiàn)就是提出了一個(gè)集成的解決方案，覆蓋了某些導(dǎo)致不準(zhǔn)確的無線電地圖指紋數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的問題。然而，在一個(gè)有 普通用戶參與的眾包系統(tǒng)中這幾乎是不可能的，因?yàn)樗麄兪遣粫?huì)連續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間收集 RSS 數(shù)據(jù)的。由于沒有使用專門設(shè)計(jì)的硬件的專業(yè)測(cè)量人員，極有可能的是，即使是在相同的位置收集的，每個(gè)用戶聚集的 RSS 數(shù)據(jù)也有所不同。 一個(gè)位置多個(gè)測(cè)量值 眾包系統(tǒng)的另一個(gè)問題是多個(gè)測(cè)量人員可以上傳自己的指紋數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有著相同的位置標(biāo)簽，然而它們卻是在不同的測(cè)量點(diǎn)得到的。這個(gè)導(dǎo)致了一個(gè)位置多個(gè)指紋數(shù)據(jù) 集。然而，以往的研究沒有考慮到這個(gè)。 總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)階段詳細(xì)的描述了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊以及他們彼此之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，這樣方便用戶更清晰的了解各功能的使用方法。 （ 3） 定位模塊 定位模塊在用戶請(qǐng)求位置信息時(shí)的“在線定位階段”中是主要角色。 界面設(shè)計(jì) 下圖主要顯示了“基于 WiFi 信號(hào)的室內(nèi)定位系統(tǒng)”的整體界面的布局。本文 的實(shí)證數(shù)據(jù)對(duì)于無線電地圖指紋數(shù)據(jù)的構(gòu)建的階段和定位階段可以被用來發(fā)展我們的實(shí)際性和彈性的方法。雷德利等人 [18]利用這個(gè)響應(yīng)速率作為指紋信息并與 RSS 組合在一起，因?yàn)樗?們發(fā)現(xiàn) AP 響應(yīng)速率和 RSS 之間的相關(guān)性是很弱的。由于我們的定位方法很自然的給較小的 RSS 值以較低的權(quán)重值， AP 的響應(yīng)速率對(duì)于指紋信息大打了折扣。然而，這在我們的系統(tǒng)模型中是不合適的。 我們找來了兩個(gè)例子如圖 5 所示，來說明概率方法提供了不準(zhǔn)確的指紋值。 RSS 是記錄在所有情況下的最短時(shí)間間隔內(nèi)記錄的，以能夠在有限的測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得盡可能多的 RSS 值。使用平均值指紋在圖 的情況下能夠工作得很好。圖 給出了一個(gè)反例說明了平均值不能很好地工作。我們?cè)噲D找出 RSS 指紋的最佳指標(biāo)，我們?cè)诜治鲇涗浀?RSS 數(shù)據(jù)集時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。 根據(jù)觀察，我們提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法，對(duì)于高 耐受特定 AP 提取單指紋值，通過觀察 RSS 持續(xù)短時(shí)間測(cè)量的變化。 RSS 分布趨于左偏 [22,23]，這意味著，對(duì)于指紋更有意義的 RSS 值位于右側(cè)的分布當(dāng)中（即，出現(xiàn)的頻率多的 RSS 值是更重要的）。然而，在現(xiàn)實(shí)中，很難調(diào)整這兩個(gè)寬度值來輸出相同的 fpValue。通過最大化 w 的值，我們可以減小每次測(cè)量得到的 fpValue 值的不同到最低程度。以前的基于指紋的定位技術(shù)建立無線電地圖指紋數(shù)據(jù)庫(kù)并且使用絕對(duì) RSS 值估計(jì)位置。得益于 WiFi 技術(shù)的擴(kuò)散，建筑物內(nèi)任何地方的肉眼可見的 AP 的數(shù)量通常都超過了 10 個(gè)。 室內(nèi)環(huán)境中如此大量的可見的 AP 的存在和廣泛的 RSS 分布，對(duì)于一個(gè)特定位 置的指紋數(shù)據(jù)我們可以利用 RSS值之間的關(guān)系信息。在這個(gè)例子當(dāng)中，用戶 A 和用戶 D 是測(cè)量者而用戶 B和 C 想知道自己的位置。 無線電地圖指紋數(shù)據(jù)庫(kù)包括如下數(shù)據(jù)集： )}, . . . ,1,1,0,0(,{ V A L U E nK E Y nV A L U EK E YV A L U EK E Ylxfp lx ???? 其中 VALUEi? 是一個(gè)包括 BSSID 和 ? 的矢量， delta 是核心參數(shù)，使得我們的方法對(duì)異構(gòu)設(shè)備免去校準(zhǔn)也能夠運(yùn)行良好。表 展示了基于用戶指紋值和 ? 值而創(chuàng)建的指紋數(shù)據(jù)。 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 22 fplx 代表在未知 lx 采集的指紋數(shù)據(jù)。每個(gè) AP 的指紋值如表。讓我們先從基本的情況開始，其中的一個(gè)用戶為一個(gè)特定的位置上傳指紋數(shù)據(jù)，而其他用戶則請(qǐng)求他們的位置。除了 AP 的數(shù)量，我們還可以充分利用分布廣泛的 RSS 值。然而，當(dāng)將它們應(yīng)用到一個(gè)眾包系統(tǒng)時(shí)他們往往是不適合的。實(shí) 驗(yàn)結(jié)果基于 50 次的測(cè)量得到的平均值，并且每次測(cè)量都有超過 10 個(gè) AP 被記錄。從短期和長(zhǎng)期情況下提取得到的 RSS 值之間的差異達(dá) 到了 3dBm，這導(dǎo)致平均值的方法沒有了優(yōu)勢(shì)。 該方法通過忽略那些遠(yuǎn)離最大頻率的 RSS 值分布的 RSS 記錄來提取 RSS 指紋值，并且給那些在 RSS 柱狀圖中具有峰值的 RSS 值以最大權(quán)重值。 1 )()(fp 1 1?? ????? ? ?? ?w R Tw L T mR S Sp e a kR S Sp e a knR S Sp e a kV a l u ew L Tnw R Tm （ 1） 其中 fpValue 是一個(gè) AP 的指紋值， RSSpeak 測(cè)量過程中的峰值。在圖 5 中，比方說，在所有情況下， RSS 出現(xiàn)的最高的頻率在畫有虛線的很小的范圍內(nèi)變化。 RSS 的變化范圍幾乎是 3dBm，這就很有可能會(huì)降低定位的精度。長(zhǎng)的和短的測(cè)量時(shí)間之間的變化范圍是在 1dBm，這是可以接受的。左偏態(tài)分布的 RSS[22]是一個(gè)常見的現(xiàn)象在人們四處走動(dòng)的現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中。中間和底部的圖解是一分鐘持續(xù)時(shí)間的測(cè)量值。基于高斯分布的概率方法在理想的環(huán)境下能夠很好的工作。這種不穩(wěn)定性會(huì)降低定位的精度。實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果表明， RSS 值大于 70dBm 的 AP 有著超過 90%的反應(yīng)速率， RSS 值介于 70dBm 和 85dBm 之間的 AP 有著超過 50%的反應(yīng)速率。 AP 響應(yīng)速率 當(dāng)從初步的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果分析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，在整個(gè) WiFi 掃描期間的某些時(shí)間段一些 AP 并沒有被記錄下來。緊接著下方是該系統(tǒng)的子功能模塊的按鈕分布。如果匹配到了數(shù)據(jù)庫(kù)中的值那么說明用戶所在 位置時(shí)存在的，并返回給用戶其當(dāng)