【文章內(nèi)容簡介】 ..................................................................37 結(jié) 論 ...................................................................................................................................39 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................................................................................40 致 謝 ...................................................................................................................................42 基于 WiFi信號的室內(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。無論是在郊外、展覽館還是公園等陌生的環(huán)境中，使用定位導(dǎo)航信息可以為觀眾游覽提供更加便捷的服務(wù)；在倉儲物流過程當(dāng)中，對物品進(jìn)行實(shí)時的定位跟蹤將大大提高工作的效率；在監(jiān)獄等特殊環(huán)境中，及時而準(zhǔn)確地掌握相關(guān)人員的位置信息，有助于提高安全管理水平，簡化監(jiān)獄的管理工作。 目前全球定位系統(tǒng) (GPS,Global Positioning System)[13]是獲取室外環(huán)境位置信息的最常見和最常用的方式。近年來，隨著無線移動通信技術(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。但由于衛(wèi)星信號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)或高樓林立的場合，目前 無線室內(nèi)定位技術(shù)正在迅速發(fā)展，且已成為 GPS 的有力補(bǔ)充。 如今一般來講，使用無線信號強(qiáng)度來獲取目標(biāo)位置信息的過程，其實(shí)就是建立無線信號強(qiáng)度和位置信息穩(wěn)定映射關(guān)系的一個過程?，F(xiàn)有的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要采用的是紅外、超聲波、藍(lán)牙、 WiFi(Wireless Fidelity)、 RFID(Radio Frequency Identification)等短距離無線技術(shù)。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。 目前來看，其中由微軟公司開發(fā)的雷達(dá)系統(tǒng)是基于 WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)的最早的定 位系統(tǒng)。它采用的是射頻指紋匹配的方法，從指紋數(shù)據(jù)庫中查找最為接近的幾個鄰居，取它們坐標(biāo)的平均來作為估計(jì)坐標(biāo)。室內(nèi)定位系統(tǒng) [5]介紹的則是基于 RSSI 信號的統(tǒng)計(jì)特性，它采用的是貝葉斯公式，通過計(jì)算待定位位置的后驗(yàn)概率分布來進(jìn)行定位。 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大市場，其中以亞太市場發(fā)展最為快速和較早，尤其是日本和韓國這兩個國家。在日本市場中，由于移動數(shù)據(jù)服務(wù)市場競爭較為激烈，為了能夠提供更多的和更好地增值服務(wù)，日本一些運(yùn)營商早在 20xx 年就已經(jīng)開始推出了移動定位服務(wù)。通過和平臺 供應(yīng)商以及增值服務(wù)商合作，日本的 LBS 服務(wù)內(nèi)容變得愈加豐富。目前，韓國已經(jīng)制定了隱私權(quán)保護(hù)的法令，同時也成立了一些定位服務(wù)的產(chǎn)業(yè)協(xié)會，這些舉措驅(qū)動了其定位服務(wù)的快速發(fā)展，而主要的 LBS 運(yùn)營商，例如 KTF、 SKT、 LGT 等都推出了相關(guān)的 LBS 應(yīng)用，其內(nèi)容豐富，包括了商業(yè) (廣告、出租車呼叫、移動付款、移動商務(wù) )和個人 (緊急救援、老人、兒童追蹤 )市場，促進(jìn) LBS 產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。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)營商也陸續(xù)開始基于 WiFi信號的室內(nèi)定位方法 2 推廣 LBS 應(yīng)用。在歐洲，不少類似美國 E911 的緊急救援法令也被頒布了出來，不過出于對技術(shù)的更新或者是投資回報率的考慮，都采取了較為保守的策略，對比于亞太與美國業(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)展程度是相對落后的。 相比一些西方國家來說，國內(nèi)的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還是相對起步較晚的，但是最近幾年發(fā)展比較迅速。例如，上海就在 20xx 年前建立起了能夠覆蓋全市的無線網(wǎng)絡(luò)；北京也在 20xx 年底以前在五環(huán)范圍內(nèi)普及無線寬帶高速上網(wǎng)；其他許多的城市也相繼開始了較大規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。在 法律層面上，個人位置服務(wù)的發(fā)展還涉及到保護(hù)用戶隱私的問題。在《民法》中，我國法律對公民的名譽(yù)權(quán)進(jìn)行了保護(hù)，然而對于用戶位置的隱私卻是沒有進(jìn)行明確規(guī)定的。這一立法上的相對滯后，可能會影響到整個 LBS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何促進(jìn)用戶認(rèn)識各種增值應(yīng)用服務(wù)，并且產(chǎn)生有效的需求和使用的習(xí)慣，已然成為了 LBS 市場的關(guān)鍵性問題。由于相關(guān)的創(chuàng)新涉及到了許多跨領(lǐng)域的合作，目前我國的 LBS 創(chuàng)新還較為匱乏。但是國內(nèi)已有一些公司開發(fā)出基于 WiFi 技術(shù)的實(shí)時的定位解決方案。 “離線采集階段”一般可以分為兩類，這取決于到底是誰收集到的指紋數(shù)據(jù) ?；镜摹?Expert Surveyor”模型是被首次研究的。該模型提供了一個穩(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。由于成本隨著測量現(xiàn)場尺寸的增加而增加，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。這種基于“眾包”的模式能明顯降低地圖的構(gòu)建和維護(hù)所需要的成本，但是隨之而來的它也產(chǎn)生了一系列問題，帶來了新的挑戰(zhàn)。 本文詳細(xì)研究了存在于一個眾包的室內(nèi)定位系統(tǒng)當(dāng)中的三個主要 技術(shù)問題。第一個問題是，不采用專門的測量人員。不同于專家級別的測量師，可以為了建立指紋數(shù)據(jù)庫而花費(fèi)足夠長的測量時間，在一個眾包系統(tǒng)當(dāng)中測量人員都是志愿者，他們不應(yīng)該被迫的去犧牲掉自己的時間和設(shè)備資源來進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的采集。無線電地圖應(yīng)該提供可靠和準(zhǔn)確的指紋數(shù)據(jù)，并且它的建立應(yīng)基于短時間的 RSS 測量。其次，由于數(shù)據(jù)采集過程當(dāng)中對于設(shè)備的類型和數(shù)量沒有約束。用戶攜帶著不同的設(shè)備，這就導(dǎo)致了一個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。由于不同的設(shè)備可能會有著不同的芯片和天線設(shè)計(jì)，通過不同設(shè)備采集到的 RSS 測量數(shù)據(jù)就或多或少的會有所不同，甚至當(dāng)他們被放在完全相同的位置時也是一樣。因此，能允許設(shè)備的多樣性的這樣一種技術(shù)是必要的。最后，沒有指定的指紋采集點(diǎn)也可能產(chǎn)生問題。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。多個指紋數(shù)據(jù)卻表明基于 WiFi信號的室內(nèi)定位方法 3 同一個特定的位置，這不僅僅會導(dǎo)致估計(jì)位置時間變長也會導(dǎo)致在無線電地圖服務(wù)器上存儲空間的浪費(fèi)。考慮到這三個問題本文提出了以下觀點(diǎn)： （ 1） 我們分析了 RSS 的特點(diǎn)，它的測量過程 可以不需一分鐘時間。在已有研究的基礎(chǔ)之上，我們提出了一個可以在每個 AP 提取到可靠的單個指紋值的方法，而該方法是能夠保證在短時間內(nèi)測量 RSS 的。 （ 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)。 （ 3） 我們還證明，該方法解決了多個測量人員的問題且無需任何校準(zhǔn)。 （ 4） 通過使用多個手機(jī)在不同情景下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，我們對我們的定位技術(shù)的性能進(jìn)行了評估。 基于 WiFi信號的室內(nèi)定位方法 4 1 相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及開發(fā)環(huán)境 室外定位 近些年來，隨著無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和全面 的普及，各種新業(yè)務(wù)與新需求更是層出不窮，其中位置感知計(jì)算 (Locationaware Computing)和基于位置的服務(wù) LBS 在人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中起到了至關(guān)重要的作用，如何確定用戶位置是實(shí)施前述應(yīng)用的首要的問題，因此定位技術(shù)是位置感知計(jì)算和基于位置的服務(wù)的核心問題。 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與場景的不同，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。室外定位系統(tǒng)主要有蜂窩定位和全球定位系統(tǒng) GPS。 蜂窩無線定位即手機(jī)定位，是基于移動蜂窩網(wǎng)的基站定位，其定位精度依賴于基站的分布和基站信號的覆蓋范圍的大小。 1996 年，美國 FCC 頒布了 E911(Emergency call ‘ 911’ )條例提出了相關(guān)的技術(shù)要求，要求移動通信提供商必須為用戶提供能夠達(dá)到定位準(zhǔn)確度在 125m 以內(nèi)的室外定位服務(wù)，自 20xx 年以后，美國 FCC 提出了更嚴(yán)格的準(zhǔn)確度和三維空間定位的需求。在政府的相關(guān)要求和市場巨額利潤的驅(qū)動之下，基于蜂窩移動網(wǎng)的定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。 美國的 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)。 GPS 系統(tǒng)由 24 顆衛(wèi)星組成，在任何時間、任何地點(diǎn)地面接收終端都可以同時接受到 4 顆以上的衛(wèi)星發(fā) 出的信號。根據(jù)電磁波的傳播原理，通過衛(wèi)星信號的到達(dá)時間差來計(jì)算出搜索到的衛(wèi)星和終端用戶之間的距離，采用三邊定位法 [6]計(jì)算出終端用戶的具體的位置，其民用定位精度可以達(dá)到 15m 以內(nèi)。同時，其他的國家也陸續(xù)研究開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的定位系統(tǒng)，其中包括中國的北斗衛(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)。 但是在城市環(huán)境中，由于 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號太過微弱，樓宇等建筑物阻礙了衛(wèi)星信號的傳播，所以導(dǎo)致了所謂的“都市峽谷”（ Urban Canyon）效應(yīng)，使得 GPS 系統(tǒng)無法正 確和準(zhǔn)確的定位。因此，雖然 GPS 系統(tǒng)在室外環(huán)境能夠有效地進(jìn)行定位，但是在室內(nèi)環(huán)境中卻無法進(jìn)行有效的定位。 以上所述的兩種定位系統(tǒng)是應(yīng)用較為廣泛的室外定位系統(tǒng)，但應(yīng)用于室內(nèi)的時候，這兩種定位系統(tǒng)并不能夠提供很好的定位服務(wù)。首先，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜因素較多，信號在室內(nèi)傳播的情況要復(fù)雜于室外傳播的情況。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影響用戶的真實(shí)使用感受；但對于室內(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)。針對室內(nèi)定位的難點(diǎn)，即克服信號受到環(huán) 境噪聲的干擾，對移動用戶的快速定位，對定位精度的基于 WiFi信號的室內(nèi)定位方法 5 高要求，國內(nèi)外許多的研究人員都進(jìn)行了有針對性的研究和探索，這些研究涉及到無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、隨機(jī)信號處理等眾多交叉領(lǐng)域。 室內(nèi)定位 在過去的十幾年當(dāng)中，許多的室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)被提了出來。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)引起了人們越來越多的特別的關(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。此次的工作建立于一個基于眾包（也被稱為“ Organic”）的方法，并處理對于存在于一個特定的位置的設(shè)備異構(gòu)性和多個 測量人員的問題。 早期的室內(nèi)定位技術(shù)要求用專業(yè)的硬件來確定設(shè)備的位置。系統(tǒng) Active Badge[8]和 Active Bat[9]，使用帶有標(biāo)簽的發(fā)射的紅外線和超聲波脈沖的方法。其中 Active Badge是開發(fā)最早的位置感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用紅外線信號進(jìn)行定位。待定位用戶攜帶一個紅外線發(fā)射終端，該設(shè)備每隔 10 秒鐘向外發(fā)出一個全局標(biāo)識號，當(dāng)固定在室內(nèi)的紅外線接受設(shè)備收集到此類信號時，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。該系統(tǒng)有如下幾個缺點(diǎn)，首先，系統(tǒng)的作用范圍受限于紅外線的傳播距 離，其次，由于需要額外安裝紅外線發(fā)射接收裝置，將產(chǎn)生高昂的安裝和維護(hù)成本。在 Active Badge 的基礎(chǔ)上， ATamp。T 的研究人員將無線電和超聲波兩種信號結(jié)合起來，根據(jù)超聲波的傳輸時間計(jì)算出待定位用戶和各接收器之間的距離。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。此系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高，定位精度在 95%的情況可以控制在 9cm 以下。但是，這種超聲波測距系統(tǒng)需要布置很多接收器，而且必須在可視范圍內(nèi)，因此接收器的位置也對定位結(jié)果有很大影響。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。這些都是 基于通過放置在建筑物中固定的傳感器的檢測的。Cricket[10]和 Cricket Compass[24]，使用的是射頻和超聲波組合的技術(shù)。采用 RFID 的技術(shù) [25,26]也被提出了。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測量。射頻信號首先被用于 RADAR[12]用于室內(nèi)定位的目的。 RADAR是由微軟于 20xx 年提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)，也是最早的使用 WLAN 信號作為定位依據(jù)的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在 WLAN 信號覆蓋范圍內(nèi)，在一些物理位置點(diǎn)采集各個 AP 的 RSSI 值，把物理坐標(biāo) 和各個 RSSI 值組成一個指紋，最終把多個指紋存入到數(shù)據(jù)庫形成 Radio Map。當(dāng) Radio Map 構(gòu)建完成之后，在實(shí)時定位階