【正文】 ......................................................................................................19 定位算法 ....................................................................................................................21 相對(duì) RSS 比較 ................................................................................................21 異構(gòu)設(shè)備 ........................................................................................................26 多個(gè)測(cè)量人員 ................................................................................................28 6 測(cè)試與評(píng)估 ............................................................................................................................29 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試 ............................................................................................................29 成對(duì)裝置測(cè)試與評(píng)估 ................................................................................................29 設(shè)備異構(gòu)性測(cè)試與評(píng)估 ............................................................................................31 對(duì)于多個(gè)測(cè)量人員的影響的評(píng)估 ............................................................................35 7 探討與展望 ............................................................................................................................37 探討 ............................................................................................................................37 展望 ............................................................................................................................37 結(jié) 論 ...................................................................................................................................39 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................................................................................40 致 謝 ...................................................................................................................................42 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 1 引 言 位置信息在人們的日常生活和工作當(dāng)中扮演著重要的作用。但由于衛(wèi)星信號(hào)較為容易受到各種障礙物的遮擋， GPS/APGS 等衛(wèi)星定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)或高樓林立的場(chǎng)合，目前 無(wú)線室內(nèi)定位技術(shù)正在迅速發(fā)展，且已成為 GPS 的有力補(bǔ)充。 目前來(lái)看，其中由微軟公司開發(fā)的雷達(dá)系統(tǒng)是基于 WiFi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最早的定 位系統(tǒng)。在日本市場(chǎng)中，由于移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，為了能夠提供更多的和更好地增值服務(wù)，日本一些運(yùn)營(yíng)商早在 20xx 年就已經(jīng)開始推出了移動(dòng)定位服務(wù)。在歐洲，不少類似美國(guó) E911 的緊急救援法令也被頒布了出來(lái)，不過(guò)出于對(duì)技術(shù)的更新或者是投資回報(bào)率的考慮，都采取了較為保守的策略，對(duì)比于亞太與美國(guó)業(yè)者，其基于 WiFi 技術(shù)的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的發(fā)展程度是相對(duì)落后的。在《民法》中，我國(guó)法律對(duì)公民的名譽(yù)權(quán)進(jìn)行了保護(hù)，然而對(duì)于用戶位置的隱私卻是沒(méi)有進(jìn)行明確規(guī)定的。但是國(guó)內(nèi)已有一些公司開發(fā)出基于 WiFi 技術(shù)的實(shí)時(shí)的定位解決方案。由于成本隨著測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)尺寸的增加而增加，最近一些研究人員已經(jīng)開始研發(fā)新的系統(tǒng)，使得普通的用戶可以參與到離線采集階段。不同于專家級(jí)別的測(cè)量師，可以為了建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)而花費(fèi)足夠長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，在一個(gè)眾包系統(tǒng)當(dāng)中測(cè)量人員都是志愿者，他們不應(yīng)該被迫的去犧牲掉自己的時(shí)間和設(shè)備資源來(lái)進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的采集。由于不同的設(shè)備可能會(huì)有著不同的芯片和天線設(shè)計(jì)，通過(guò)不同設(shè)備采集到的 RSS 測(cè)量數(shù)據(jù)就或多或少的會(huì)有所不同，甚至當(dāng)他們被放在完全相同的位置時(shí)也是一樣。多個(gè)指紋數(shù)據(jù)卻表明基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 3 同一個(gè)特定的位置，這不僅僅會(huì)導(dǎo)致估計(jì)位置時(shí)間變長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致在無(wú)線電地圖服務(wù)器上存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。 （ 3） 我們還證明，該方法解決了多個(gè)測(cè)量人員的問(wèn)題且無(wú)需任何校準(zhǔn)。室外定位系統(tǒng)主要有蜂窩定位和全球定位系統(tǒng) GPS。 美國(guó)的 GPS 系統(tǒng)是目前使用最為廣泛、用戶人數(shù)量最多的全球性定位系統(tǒng)。 但是在城市環(huán)境中，由于 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號(hào)太過(guò)微弱，樓宇等建筑物阻礙了衛(wèi)星信號(hào)的傳播，所以導(dǎo)致了所謂的“都市峽谷”（ Urban Canyon）效應(yīng)，使得 GPS 系統(tǒng)無(wú)法正 確和準(zhǔn)確的定位。其次，室外定位應(yīng)用大都是開闊的環(huán)境，幾十米的定位誤差并不會(huì)影響用戶的真實(shí)使用感受；但對(duì)于室內(nèi)定位應(yīng)用而言，需要將定位的精度控制在若干米以內(nèi)，才能為用戶提供可具使用性的室內(nèi)定位系統(tǒng)。此次的工作建立于一個(gè)基于眾包（也被稱為“ Organic”）的方法，并處理對(duì)于存在于一個(gè)特定的位置的設(shè)備異構(gòu)性和多個(gè) 測(cè)量人員的問(wèn)題。待定位用戶攜帶一個(gè)紅外線發(fā)射終端，該設(shè)備每隔 10 秒鐘向外發(fā)出一個(gè)全局標(biāo)識(shí)號(hào)，當(dāng)固定在室內(nèi)的紅外線接受設(shè)備收集到此類信號(hào)時(shí)，即可估計(jì)出用戶所在房間，因此系統(tǒng)的定位精度只能達(dá)到房間大小。由服務(wù)器使用三邊定位法計(jì)算出定位用戶的估計(jì)位置。這些都是 基于通過(guò)放置在建筑物中固定的傳感器的檢測(cè)的。射頻信號(hào)首先被用于 RADAR[12]用于室內(nèi)定位的目的。最后使用最近鄰算法與 Radio Map 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，選出最匹配的估計(jì)位置，即為定位位置。最近的系統(tǒng) [27,28]，使用概率的方法預(yù)測(cè)一個(gè) WiFi 設(shè)備的定位技術(shù)。很多的 研究 [21]，研究了“離線采集階段”中數(shù)據(jù)的量，保證數(shù)量充足并用它來(lái)測(cè)試定位系統(tǒng)。在第二類當(dāng)中，離線采集階段中數(shù)據(jù)集是由用戶采集的，被稱為基于眾包的定位 [1518]。研究并進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)境中實(shí)驗(yàn) [14]討論了令人鼓舞的結(jié)果。 基于眾包的定位系統(tǒng)中的 一個(gè)主要問(wèn)題是多種設(shè)備的使用，通常情況下，各種移動(dòng)手機(jī)在離線采集階段進(jìn)行了 WiFi 指紋的收集。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用樸素貝葉斯分類器進(jìn)行位置的預(yù)估計(jì)得到的結(jié)果是優(yōu)于基于線性變換的方法的 [21]。為了基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 7 生成此數(shù)據(jù)庫(kù)，操作的人員需要在被定位的環(huán)境里確定若干個(gè)采樣點(diǎn)，然后通過(guò)遍歷所有的采樣點(diǎn)，記錄下來(lái)在每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量得到的無(wú)線信號(hào)的特征，即是說(shuō)來(lái)自所有接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，最后將它們以某種方式保存在無(wú)線指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中。要考慮的是 JDK安裝路徑這個(gè)環(huán)境變量本身是不存在的，需要自行創(chuàng)建，創(chuàng)建完后則可以利用 %JAVA_HOME%作為統(tǒng)一引用路徑，其值為： jdk 在你電腦上的安裝路徑。%JAVA_HOME%\lib\。 安裝 Android SDK Andorid SDK 是 Android 管理開發(fā)包工具，提供了 Android 各級(jí)平臺(tái)的開發(fā)包和工具。由于國(guó)內(nèi)對(duì) Google 部分功能的限制我并沒(méi)有直接在 SDK Manager 界面進(jìn)行下載而是網(wǎng)上下載了一個(gè)預(yù)先已安裝各種平臺(tái)和工具的 SDK。 基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 9 2 需求分析 背景 移動(dòng)設(shè)備的爆炸性增長(zhǎng)，例如智能手機(jī)和平板電腦，更加快了對(duì)于更加精確的位置信息的需求。 關(guān)于室內(nèi)定位的早期工作通常主要探討專門設(shè)計(jì)的安裝在墻壁上或天花板上的信標(biāo)硬件 [810]。 功能需求 針對(duì)于 Android 智能手機(jī)用戶開發(fā)此應(yīng)用，主要達(dá)到了用戶在短距離內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)定位的需求。 （ 2） 可靠性、準(zhǔn)確性 考慮到各種環(huán)境因素以及非人為的客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成一定程度的影響，在本工程當(dāng)中，充分考慮了三個(gè)主要因素： RSS 測(cè)量； ； 個(gè)位置多個(gè)測(cè)量值。在傳統(tǒng)的基于 WiFi 信號(hào)指紋的系統(tǒng)中，貢獻(xiàn)者和用戶通常是不同的。然而，它不適合于大面積范圍的推廣而且想要頻繁更新地圖數(shù)據(jù)也是不容易的。這四個(gè)用戶（如圖 A， B， C， D）都是未經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的普通人，他們攜帶著不同的手機(jī)。這種眾包的方法已經(jīng)在最近的許多研究當(dāng)中被采用。他們大都寧愿專注在線階段，打算通過(guò)統(tǒng)計(jì)或概率的方法來(lái)減少定位誤差。 挑戰(zhàn) 短時(shí)間的 RSS 測(cè)量 在室內(nèi)環(huán)境中的多徑衰落引起 RSS 隨著時(shí)間的推移而波動(dòng)，即使接收器是絕對(duì)固定的。我們相信，每一個(gè)位置的 RSS 測(cè)量時(shí)間都不應(yīng)超過(guò)一分鐘，假設(shè)所有的測(cè)量人員均是普通的手機(jī)用戶的話。設(shè)備中不同的 WiFi 芯片和天線設(shè)計(jì)導(dǎo)致每臺(tái)設(shè) 備不同的 RSS 記錄，使其很難校準(zhǔn)。這種情況經(jīng)常發(fā)生，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的測(cè)量人員是未經(jīng)訓(xùn)練的普通用戶并且沒(méi)有對(duì)他們指定 RSS 記錄點(diǎn)。一個(gè)特定的位置有一個(gè)以上的指紋對(duì)于無(wú)線電地圖建設(shè)階段和定位階段不是有效率的。我們?cè)诒疚奶岢龅男路椒](méi)有使用任何校準(zhǔn)的解決了這個(gè)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的問(wèn)題?；?WiFi 信號(hào)的室內(nèi)定位系統(tǒng)其主要功能是給在室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中使用 Android智能手機(jī)的用戶提供位置服務(wù)，給予人性化的服務(wù)，主要分為以下幾個(gè)功能模塊：主界面模塊，信息收集模塊，定位模塊和查看位置信息模塊。當(dāng)用戶點(diǎn)擊定位按鈕請(qǐng)求自己當(dāng)前的位置信息時(shí)，就開始了數(shù)據(jù)匹配的過(guò)程。上方部位依次分別為 X 坐標(biāo)、 Y 坐標(biāo)和位置標(biāo)簽。本章介紹了在有著對(duì)定位精度有影響的因素存在的情況下，通過(guò)對(duì) RSS 的觀測(cè)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)，如何在一個(gè)特定的位置提取單一的指紋值。然而，我們認(rèn)為二者的相關(guān)性足以得出這樣的結(jié)論，反應(yīng)速率在我們新提出的方法中是冗余的信息。 RSS 隨時(shí)間的變化 接收到的信號(hào)強(qiáng)度由于多徑衰落而隨時(shí)間變化 并且波動(dòng)水平在室內(nèi)環(huán)境中變得更高。也有一些采用了眾包模式的研究通過(guò)使用概率的方法從少量的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲取指紋值 [15,18,21]。頂部的圖解 是一小時(shí)持續(xù)時(shí)間測(cè)量得到的的 RSS 柱狀圖。圖 顯示，柱狀圖是左傾斜的，這使得它很難被建模和符合正態(tài)分布。對(duì)于一小時(shí)持續(xù)時(shí)間測(cè)量得到的數(shù)據(jù)的平均值為 ，對(duì)于一分鐘持續(xù)時(shí)間測(cè)量得到的數(shù)據(jù)的平均值分別為 和 。平均值是 ， 和 ，分別代表長(zhǎng)的和短的測(cè)量時(shí)間的平均值。我們觀察到，大部分記錄的 RSS 在短的持續(xù)時(shí)間的測(cè)量的情況下與大部分記錄的 RSS 在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的情況下是非常接近的。方程（ 1）描述了我們的方法。因此，如果在一個(gè)柱狀圖中存在具有相同頻率分布的多 個(gè) RSS 值，那么選擇頻率更大的 RSS 值作為 fpValue。這是因?yàn)橛捎跍y(cè)量過(guò)程中所涉及的環(huán)境因素，在每次測(cè)量當(dāng)中，峰值點(diǎn)會(huì)或多或少向左或者向右發(fā)生偏移。圖 w值一小時(shí)持續(xù)時(shí)間測(cè)量的 fpValue和一分鐘持續(xù)時(shí)間基于 WiFi信號(hào)的室內(nèi)定位方法 20 測(cè)量的 fpValue 之間的歐氏距離。他們可能運(yùn)行良好的前提是基于用戶攜帶了均質(zhì)的設(shè)備并且使用的是來(lái)自經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的測(cè)量人員收集的指紋數(shù)據(jù)集的這樣一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中。一些建筑物，例如大學(xué)建筑中一些個(gè)人的 AP 以及密集的企業(yè)設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更是繁多，大約提供了超過(guò) 30 個(gè)可見(jiàn)的 AP。圖 。 首先，用戶 A 和 D 測(cè)量 RSS 值大約花費(fèi)了持續(xù)一分鐘的時(shí)間并且分別采用位置標(biāo)簽（即，位置 101 和位置 102）上傳指紋值到無(wú)線電地圖服務(wù)器。本文提出的 KeyValue 機(jī)制和 ? 值使得指紋數(shù)據(jù)對(duì)于它們自己而言也變得有意義，而不單單是一套 RSS 值。現(xiàn)在來(lái)自用戶 A 和