無線wifi室內(nèi)定位技術(shù)

　　隨著信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,無線wifi無時無刻的存在于周圍環(huán)境中。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的關(guān)于無線wifi室內(nèi)定位技術(shù)，一起來看看吧!

　　無線wifi室內(nèi)定位技術(shù)

　　系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　基于信號強(qiáng)度的定位技術(shù)(RSSI, Received Signal Strength Indication)

　　無線信號的信號強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而衰減，接收方與發(fā)送方離得越近， 則接收方的信號強(qiáng)度就越強(qiáng);接收方離發(fā)送方越遠(yuǎn)，則接收到的信號強(qiáng)度就越弱。 根據(jù)移動終端測量接收到的信號強(qiáng)度和已知的無線信號衰落模型，可以估算出收發(fā)方之間的距離，根據(jù)多個估算的距離值，可以計算出移動終端的位置。在室內(nèi)環(huán)境下，AP(Access Point)的信號覆蓋范圍一般在 100 米的范圍以內(nèi)，無線信號在傳輸過程中，接收信號的功率強(qiáng)度與傳輸距離存在著某種變化關(guān)系，找出特定環(huán)境中的變化關(guān)系，就可以應(yīng)用于定位技術(shù)。目前基本的無線信號傳播模型主要有兩種：確定性模型 和 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

　　確定性模型又稱射線光學(xué)或射線跟蹤模型，即將高頻無線信號看作向不同方向發(fā)出光線，再依靠對室內(nèi)環(huán)境信息的詳細(xì)建模，對每一根射線進(jìn)行跟蹤來建立無線信號傳播模型。當(dāng)無線信號在自由空間傳播時，其路徑可認(rèn)為是連接收發(fā)信機(jī)的一條射線，可用 Ferris 公式計算自由空間的電波傳播損耗：

　　PL = – Gr – Gt + 20log(4πR/λ) = Gr + Gt + 22 + 20log(R/λ)

　　式中 Gr 和 Gt 分別代表接收天線和發(fā)射天線增益(dB)，R 是收發(fā)信機(jī)之間的距離，單位為米，λ 是波長。 當(dāng) λ = 12.3 cm 時 (f = 2.44GHz) 可得出：

　　PL(2.44) = – Gr – Gt + 40.2 + 20log(R)(3.2)

　　經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔谀骋惶囟ōh(huán)境下的實(shí)際測量結(jié)果。在實(shí)際中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在特定環(huán)境中置于不同的距離和位置，測量其功率損耗，通過收集大量的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功率損耗曲線及其函數(shù)。平均值結(jié)果顯示其功率衰落要遠(yuǎn)大于自由空間的傳播公式所得出的結(jié)果。在自由空間模型中，功率衰落同收發(fā)信機(jī)的距離的平方成反比。室內(nèi) 傳播經(jīng)驗(yàn)公式顯示在室內(nèi)環(huán)境中的功率衰落同距離的 3 或 4 次方成反比。這是因?yàn)橥ㄟ^不同路徑到達(dá)接收天線的電磁波產(chǎn)生的多徑效應(yīng)對主信號產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的結(jié)果。

　　用 最小均差法 算出傳播損耗的近似值。

　　PL(indoor-2.4GHz) = 40 + 31log(R) + 8 ;R 即為系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中傳播的最大距離。

　　從室內(nèi)無線信號傳播的特點(diǎn)分析，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透m合室內(nèi)定位系統(tǒng)的建模。我們采用 如式 (1) 所示模型對無線信號的路徑損耗平均值進(jìn)行預(yù)測：

　　其中，nA 為由環(huán)境決定的路徑損耗指數(shù)，對同一樓層的不同區(qū)域根據(jù)實(shí)際測量采用不同值;WAF 為需由實(shí)驗(yàn)測定的墻壁衰減因子，需對不同墻體進(jìn)行實(shí)際測量;df 為發(fā)射天線周圍可等效為自由空間的范圍，通常為2米;d0 = 1m 為參考點(diǎn)距離， 此時 PL(dO) ≈ 40dB。

　　定位環(huán)境中由于空氣的流動，溫度的變化，人員走動等原因，空間中每一個點(diǎn)測得的信號強(qiáng)度會隨時發(fā)生變化，同時收發(fā)天線的方向也能夠影響該點(diǎn)的信號強(qiáng)度，移動終端測得的信號強(qiáng)度值的隨機(jī)性比較大，對移動終端的信號強(qiáng)度采用的不同處理方法會影響定位誤差。為了達(dá)到減小定位誤差增加定位精確度的目的，我們采用概率模型的方法。在定位系統(tǒng)中建立概率模型。

　　首先，實(shí)驗(yàn)表明實(shí)際無線通信中同一個信號源，在同一空間的同一位置的無線信號強(qiáng)度被認(rèn)為是服從高斯分布的。無線信號在空間傳播的理想情況是，信號強(qiáng)度與空間傳播距離存在函數(shù)關(guān)系。但是由于實(shí)際環(huán)境中存在反射和散射等現(xiàn)象，造成了多徑衰落，其他使用該頻段的設(shè)備相互干擾等，使得相同信號源的無線信號在同一空間的同一位置上，其信號強(qiáng)度會隨著時間變化發(fā)生變化并不是一個確定值，具有一定的隨機(jī)性，但是服從高斯分布。

　　其次，使用基于信號強(qiáng)度的定位方法，定位服務(wù)器必須保存定位環(huán)境中不同信號源在不同點(diǎn)的信號強(qiáng)度的分布情況，想要保存每一個點(diǎn)的信號強(qiáng)度的分布情況是不可能的，而定位環(huán)境中信號源在各個點(diǎn)的信號強(qiáng)度是服從高斯分布的，可以通過保存信號強(qiáng)度的高斯分布平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，來保存信號源在每個點(diǎn)信號強(qiáng)度的高 斯分布的特征并且盡可能的減少要保存的數(shù)據(jù)量。

　　再次，不同信號源的無線信號在空間同一位置的信號強(qiáng)度獨(dú)立存在，即一個信號源的無線信號存在與否和信號強(qiáng)弱均不會影響其它信號源的無線信號在該點(diǎn)的信號強(qiáng)度。這樣各個信號源的信號強(qiáng)度在空間同一位置的強(qiáng)弱被認(rèn)為是概率學(xué)中的獨(dú)立事件，不同信號源之間的無線信號強(qiáng)度不會相互影響。由于不同的信號源的無線信號在空間分布相互獨(dú)立，并且信號源在空間給定位置的信號強(qiáng)度服從高斯分布，則可以使用聯(lián)合概率分布來描述多個接入點(diǎn)在空間無線信號的分布情況。

　　最后，進(jìn)行實(shí)時定位時，移動終端需要將收集到的各個不同信號源在該點(diǎn)的信號強(qiáng)度等定位數(shù)據(jù)，發(fā)送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器利用已經(jīng)保存的定位環(huán)境中特定點(diǎn)的信號強(qiáng)度的高斯分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)在當(dāng)前點(diǎn)實(shí)時測得的對應(yīng)信號源的信號強(qiáng)度，去計算覆蓋當(dāng)前點(diǎn)的所有信號源的聯(lián)合高斯分布概率。這個概率值 越大，表示移動終端當(dāng)前位置越靠近定位服務(wù)器已經(jīng)保存的點(diǎn)。 由于定位空間的連續(xù)性和定位服務(wù)器存儲空間的有限性，將定位環(huán)境內(nèi)所有點(diǎn)的信號強(qiáng)度的高斯分布特征保存下來是不可能的。所以在定位環(huán)境中根據(jù)環(huán)境的特點(diǎn)選取一些特定的稱為訓(xùn)練點(diǎn)，并將這些訓(xùn)練點(diǎn)的信號強(qiáng)度的高斯分布特征保存下來，使這些點(diǎn)成為定位移動終端的基準(zhǔn)點(diǎn)，所有的定位結(jié)果都是以訓(xùn)練點(diǎn)作為參考點(diǎn)來產(chǎn)生的。

　　對于每一個室內(nèi)環(huán)境的無線局域網(wǎng)，首先構(gòu)建無線信號強(qiáng)度分布圖，即構(gòu)建信號強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫。室內(nèi)平面圖，AP 位置，AP 發(fā)射功率等均已確定，在移動終端可能出現(xiàn)的概率較大的地方分不同方向(天線具有一定的方向性)，多次采集信號強(qiáng)度，以此作為構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)格式如下：

　　(position_x, position_y, RSSI, MAC) (2)

　　其中，position_X，position_y 是當(dāng)前位置坐標(biāo)，RSSI 是當(dāng)前位置所收到的信號強(qiáng)度，MAC 是該 AP 點(diǎn)的 MAC 地址，用來區(qū)分不同的 AP 點(diǎn)。 完成采集以后，對采集的值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，目標(biāo)數(shù)據(jù)格式如下：

　　(position_x，position_y，RSSI_AVG，RSSI_DEV，MAC) (3)

　　其中，position_x，position_y 是當(dāng)前位置坐標(biāo)，RSSI_AVG 是該 AP 的 RSSI 均值，RSSI_DEV 是該 AP 的 RSSI 的標(biāo)準(zhǔn)偏差，MAC 是該 AP 點(diǎn)的 MAC地址。 為了保存訓(xùn)練點(diǎn)的信號強(qiáng)度高斯分前i的特征，同時考慮到對這些數(shù)據(jù)的修改與更新的方便，使用數(shù)據(jù)庫來保存這些數(shù)據(jù)。由于實(shí)時定位時定位服務(wù)器需要接入點(diǎn) MAC 地址等信息，所以保存訓(xùn)練點(diǎn)信號強(qiáng)度的數(shù)據(jù)庫的表的結(jié)構(gòu)定義為如下:

　　系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件分為服務(wù)器端軟件和客戶端軟件。

　　服務(wù)端軟件按功能主要分為：定位模塊，系統(tǒng)管理模塊，定位顯示模塊三大模塊。

　　客戶端軟件按主要功能分為：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

　　客戶端定位數(shù)據(jù)消息格式

　　客戶端發(fā)送給定位服務(wù)器的消息主要包括在當(dāng)前點(diǎn)有無線信號的接入點(diǎn)的總數(shù)和這些接入點(diǎn)的 MAC 地址以及這些接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度。

　　服務(wù)端數(shù)據(jù)庫設(shè)計

　　1、用戶表

　　2、移動設(shè)備表

　　3、AP 表

　　4、定位數(shù)據(jù)表