基于WiFi信號的室內(nèi)無線定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于WiFi信號室內(nèi)無線定位方法，包括以下步驟：通過傳播模型，對接收到各參考點的信號強度值計算，并根據(jù)定義的環(huán)境噪聲差值進行對應(yīng)參考點的權(quán)重值更新，利用最高權(quán)重值對應(yīng)的參考點得到估計位置。本發(fā)明，將基于模型的定位和指紋定位進行了有機結(jié)合，不需要像傳統(tǒng)的指紋定位算法那樣需要人工利用測量設(shè)備進行離線階段的指紋數(shù)據(jù)采集，而僅僅基于室內(nèi)傳播模型來估算參考點的RSS作為一個偽指紋數(shù)據(jù)，再通過一個定義的差值來對參考點進行權(quán)重賦值以致最后完成定位，在保證精度的前提下，能完全跳過指紋數(shù)據(jù)的采集階段，大大降低了定位的復(fù)雜性。
【專利說明】基于WiFi信號的室內(nèi)無線定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)無線定位技術(shù)，具體涉及基于WiFi信號的室內(nèi)無線定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當(dāng)前移動通信技術(shù)的發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，對于基于定位的服務(wù)(LBS)的需求也日益迅速增加，例如，出行路線導(dǎo)航和實時位置跟蹤；商場購物車定位和顧客消費習(xí)慣收集；醫(yī)院重病人跟蹤監(jiān)護和產(chǎn)房嬰兒防盜等。因此，基于定位的計算和服務(wù)在人們的日程生活中發(fā)揮的作用越來越重要。
[0003]當(dāng)前，室內(nèi)定位技術(shù)主要有以下幾種:
[0004]( I)光跟蹤定位技術(shù)。光跟蹤定位技術(shù)有很多種類，但它們都要求探測器和跟蹤目標(biāo)之間是可視的，這就限制了其應(yīng)用范圍。
[0005](2)A-GPS定位技術(shù)。利用A-GPS的定位需要增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇螖?shù)，這對通信運營商來說無疑增加了額外的成本,并且A-GPS定位技術(shù)通過延長每個碼的延遲時間來提高信號的靈敏度，但這需要通過相關(guān)機搜索延遲碼，所以這種A-GPS定位技術(shù)需要在手機內(nèi)集成GPS接收機，因此決定了 A-GPS定位技術(shù)使用范圍的局限性。
[0006](3)超聲波定位技術(shù)。超聲波定位技術(shù)雖然優(yōu)點在于定位精度高，但當(dāng)它遇到反射、透射、繞射等多徑效應(yīng)的影響時，定位精度明顯降低，而且成本較高。
[0007](4)藍牙技術(shù)。雖然藍牙技術(shù)所需的設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC以及手機中，但它在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定性差、覆蓋范圍小。
[0008](5) WiFi技術(shù)。ffiEE802.11發(fā)展至今已日趨完善，隨著WiFi的應(yīng)用普及，基于WiFi的WLAN廣泛分布于學(xué)校、工廠、辦公環(huán)境和公共娛樂場所等，智能手機、筆記本、Pad等內(nèi)置了無線網(wǎng)卡的手持設(shè)備也都可以接收附近的WiFi信號，因此，通過WiFi信號強度指示來對目標(biāo)進行定位已經(jīng)成為了可能。WiFi技術(shù)覆蓋范圍廣泛，易于安裝，需要少量的接入點(Access Point，AP)，傳輸速度快并且成本較低，因此，基于WiFi的定位在無線定位領(lǐng)域中引起了廣泛重視，也成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點。
[0009]早在2000年，微軟公司就開發(fā)了一套基于指紋定位的試驗系統(tǒng)，這套系統(tǒng)通過離線階段對指紋數(shù)據(jù)庫的建立實現(xiàn)在線階段的定位匹配，使用的方法也主要是最近鄰法以及K近鄰法。
[0010]另外，Ekahau公司也曾開發(fā)了一套基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的實時定位系統(tǒng)，能夠在所有支持WiFi的無線網(wǎng)絡(luò)上對目標(biāo)進行定位，精度能夠具體到房間號、樓層數(shù)。該實時定位系統(tǒng)主要通過保存在數(shù)據(jù)庫中某些特定位置的信號強度對比當(dāng)前移動終端收到的信號強度，并以條件概率作為參考來確定移動終端的位置。同時能夠保存冗余定位信息到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)移動終端位于真實環(huán)境進行定位的時候，定位服務(wù)器把環(huán)境內(nèi)的障礙物等因素考慮進去之后，再結(jié)合之前建立的指紋數(shù)據(jù)庫中的信息估算出移動終端的定位位置，同時利用數(shù)據(jù)庫中冗余信息實現(xiàn)對移動終端定位位置的修正從而得到比較精確的定位結(jié)果。
[0011]國內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起步比較晚，但是最近幾年發(fā)展迅速。上海市計劃在2010年前建立起覆蓋全市的高速無線網(wǎng)絡(luò)；北京市預(yù)計在今年年底以前完成五環(huán)以內(nèi)的城區(qū)普及無線寬帶高速上網(wǎng)；其他許多城市也相繼開始大規(guī)模建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)。個人位置服務(wù)的發(fā)展在法律層面，還牽涉到用戶隱私的保護問題。我國法律在《民法》中確定了對公民名譽權(quán)的保護，但對于用戶位置的隱私性質(zhì)沒有詳細的闡述或明確規(guī)定。這一立法上的相對滯后，可能影響LBS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何促進用戶認(rèn)識各種深入的增值應(yīng)用服務(wù)，并形成有效需求和使用習(xí)慣，成為LBS市場的關(guān)鍵。
[0012]目前我國的LBS還屬于相對匾乏的階段。但國內(nèi)已有一些公司開發(fā)出可以能夠基于WiFi技術(shù)的實時定位解決方案。2009年，Ekahau公司宣布將其開發(fā)的WiFi實時定位系統(tǒng)正式應(yīng)用于北京地壇醫(yī)院。該定位系統(tǒng)主要用于醫(yī)院追蹤資產(chǎn)、設(shè)備和病人，及時了解和掌握關(guān)鍵工作人員、資產(chǎn)和醫(yī)療設(shè)備的實時位置信息等，這套系統(tǒng)的應(yīng)用減少了醫(yī)療保健的成本、提高工作效率和改善了工作流程。
[0013]室內(nèi)定位算法是實現(xiàn)室內(nèi)定位目標(biāo)的核心技術(shù)，目前，主要包括基于傳播模型的算法以及指紋定位算法，其中:
[0014]傳播模型的算法利用信號在空氣中進行傳播所統(tǒng)計出來的模型及相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)接受到的AP強度值進行距離估計從而對目標(biāo)進行定位，但是由于室內(nèi)各種影響定位的因素存在，這就要依賴于不同的算法來對估計的距離進行處理換算。主要包括三種轉(zhuǎn)換算法:最小二乘算法、雙曲線算法以及三邊算法。
[0015]與基于傳播模型的定位算法相比，基于位置指紋的算法是不需要室內(nèi)傳播模型的，也不需要對傳播模型的參數(shù)進行估計。一般地，無線信號的傳輸依賴于不同的環(huán)境，尤其是對于噪聲比較大，多徑效應(yīng)比較強烈的室內(nèi)環(huán)境，在不同的位置上，信道的特性也均不相同，無線信號在經(jīng)過反射衍射散射后，會在不同位置生成與所在位置傳播環(huán)境對應(yīng)的具有獨特特征的信號，也被稱為“位置指紋”。定位的指紋特征主要是RSS信號強度值，因此對于指紋定位算法往往在定位前需要進行離線階段的指紋數(shù)據(jù)庫的建立。
[0016]指紋定位在離線階段的主要工作是采集定位區(qū)域選取的各個參考點位置上的RSS強度值作為指紋特征，并將其輸入到指紋數(shù)據(jù)庫，有時候根據(jù)需要不定期對指紋數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行更新。
[0017]在線定位階段，定位終端首先會根據(jù)收到的周圍的AP信號強度值，將它和指紋數(shù)據(jù)的信號進行矢量匹配，然后再采取某種指紋定位算法得到定位目標(biāo)的位置。常用的指紋定位算法有:最近鄰算法、K加權(quán)近鄰算法、貝葉斯概率算法。
[0018]上述兩種室內(nèi)定位算法(基于WiFi定位的方法主要有基于模型的方法和指紋定位方法)，前者對室內(nèi)傳播模型的依賴性較高，需要對模型以及參數(shù)進行準(zhǔn)確地預(yù)知；而后者雖然不需要傳播模型，只需要通過檢測信號與指紋信號的匹配程度來實現(xiàn)定位，但是定位需要離線階段指紋數(shù)據(jù)庫的建立，增加了整體的定位復(fù)雜度。
[0019]由此可見，基于模型的方法和指紋定位方法在實際使用時均存在一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是基于模型的方法和指紋定位方法在基于WiFi定位中存在局限性的問題。
[0021]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種基于WiFi信號的室內(nèi)無線定位方法，包括以下步驟:
[0022]步驟11、根據(jù)信號傳播模型計算出從第i個接入點到第j個參考點的信號強度值
Pji;
[0023]信號傳播模型公式為Pji = -PL (d0)-10 n 1gltl (d/dQ)+X。，式中:
[0024]Pji表示:從第i個接入點到第j個參考點的信號強度值；
[0025]PL(d0)表示:在參考距離Cltl下的參考衰減信號常數(shù)，取值范圍為30_45dB ；
[0026]X5表示:環(huán)境噪聲，在仿真中用服從一定方差的零均值高斯分布隨機數(shù)表示；
[0027]d表示:發(fā)送端到接收端的距離；
[0028]d0表示:參考距離，一般取Im ；
[0029]η表示路徑損耗系數(shù)；
[0030]步驟12、根據(jù)權(quán)重判別式上限公式和權(quán)重判別式下限公式確定第j個參考點的權(quán)重判別式的上限和下限；
[0031]權(quán)重判別式上限公式為Pji,MX = Pji+dev ；
[0032]權(quán)重判別式下限公 式為Pl = Pj1-dev ；
[0033]dev為環(huán)境噪聲差值；
[0034]步驟13、依次將實時接收到的第i個AP的實時信號強度值Si放入判別式中進行權(quán)重值更新，如果滿足判別式，則對應(yīng)的第j個參考點的權(quán)重值就加1，否則不做任何更新，1=1~η, η為AP的總數(shù)量；
[0035]判別式為PJi;min < Si < Pjijfflax ；
[0036]步驟14、重復(fù)步驟11~13，對所有的參考點進行權(quán)重值更新，得到所有參考點的最后權(quán)重值；
[0037]步驟15、計算權(quán)重值最大的各參考點圍成的區(qū)域的中心點坐標(biāo),將該中心點坐標(biāo)作為第一估計位置(?Ρ，?ρ)，即，
【權(quán)利要求】
1.基于WiFi信號的室內(nèi)無線定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟11、根據(jù)信號傳播模型計算出從第i個接入點到第j個參考點的信號強度值Pji ; 信號傳播模型公式為
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過以下步驟進一步提高定位精度: 步驟16、采用同步驟11~15同樣的方法，選取次權(quán)重值所對應(yīng)的參考點，計算次權(quán)重值參考點圍成的區(qū)域的中心點坐標(biāo)，將坐標(biāo)值作為第二估計位置(?Ρ，?ρ); 步驟17、計算第一估計位置I)和第二估計位置(；Ρ,對應(yīng)的混合權(quán)重\和Ws,
Wk W =-2-- p wX W =~^-；
p wpk + wsk k是階數(shù)；步驟18、結(jié)合混合權(quán)重\和Ws以及第一估計位置(xp,yp)和第二估計位置(xp,yp)得到最終估計位置（x,y),

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，環(huán)境噪聲差值dev選取為2.5。
【文檔編號】H04W84/12GK103686999SQ201310680509
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】龐善臣, 范霄, 代豐, 劉婷, 李毯 申請人:中國石油大學(xué)(華東)