1、物联网定位技术大作业题目 基于 WIFI 的室内指纹定位技术 学院(系部)： 电子通信工程学院 专业： 物联网工程 班级：2015 级物联网 91学生姓名： 学号： 成绩：优秀 良好 中等 及格 不及格（注：方框打）2017 年 11 月 23 日摘 要随着无线定位技术的发展，人们对定位的需求也与日俱增。目前主流的三种定位技术 GPS、AGPS、GoogleM 印基本满足人们室外定位的需求，然而它们在室内或地下场所中定位精度与速度不高，无法很好的满足室内或地下场所定位的需求。随着 WlFl 技术的飞速发展、WlFl 无线网络的室内覆盖越来越普及，使得基于 WIFI 网络对移动终端进行准确定位成
2、为可能。基于 WIFl 网络的位置指纹定位技术以其定位精度高、实时性好、扩展性强等优点越来越受到人们的重视，目前已成为室内定位技术研究的热点。首先，通过阅读大量相关的文献资料，对比分析了当前国内外WIFI 室内指纹定位技术的研究现状。对其中涉及到的相关技术的原理和特点进行介绍分析，包括 WIFI 无线通信技术，室内无线定位技术以及位置指纹定位技术，并根据室内 WIFI 指纹定位技术的特征对定位过程中的影响因素进行分析。其次，根据前面提到的定位过程中的关键影响因素，介绍了对应的解决方案。分析与研究了几种典型的指纹定位算法，包括最近邻法(SS)、K 近邻法(KNN)、K 加权近邻法(WKNN)，并
3、提出算法的改进方案，使用 MATLAB 软件进行算法的仿真分析，寻求其中的最佳参数值以及定位性能差异。通过分析几种算法的性能仿真结果，拟定了基于最强 AP 法的改进算法作为定位系统采纳的算法。关键词：WIFI；Android；指纹定位算法；定位系目录一、 绪 论 .1（1）研究背景与意义 .11 研究背景 .12 研究意义 .2（2）国内外研究现状 .2二、基于 W I F I 的室内指纹定位技术 .4（1）WIFI 无线通信技术 .41. WIFI 基本概念及技术标准 .42.WIFl 网络的组成及拓扑结构 .5三、室内无线定位技术 .7（1）室内无线定位技术的分类 .7（2）室内无线定位技
4、术的选择 .10四、位置指纹定位技术 .12（1）典型的在线匹配算法 .12结 论 .15参考文献 .161一、 绪 论（1）研究背景与意义1研究背景随着移动通信、无线网络与普适计算等技术的突飞猛进，人们对获取位置感知服务的需求也日益增加，这使得基于位置感知的计算与服务在现实生活中发挥的作用越来越重要。早期无线定位技术应用于交通运输、医疗、公安追踪等领域。至 80 年代后期，伴随蜂窝网无线通信、GPS、AGPS 等技术问世，无线通信进入了一个新时代，人们对定位服务的需求也层出不穷，越来越多的研究学者也关注无线定位技术。美国联邦通信委员会在 1996 年强行制定了E911 法规，其规定移动网络需
5、为用户提供定位服务。此后，许多国家也效仿此规定。至今 GPS、AGPS、Google Map 等定位技术在人们日常生活中都扮演着重要的角色。IEEE 802.11 协议发展至今己日益完善，WIFI 的应用也更加普及，基于 W1Fl 的 wLAN 广泛分布与家庭、校园、办公场所、地下停车场与娱乐场所，智能手机、笔记本、Pad 等手持设备也均内置了无线网卡。WlFI 网络中 AP 定期广播的信标信号中的 RSS 信息使基于 WlFl 网络的位置指纹定位成为可能。目前基于 WIFl 的位置指纹定位技术也成为学术界研究的热点，一些基于 WlFI 网络的定位系统也相继出现，但目前各个 WIFI位置指纹定
6、位系统均只应用于某一特定场所，还未有统一的标准。22研究意义WIFI 位置指纹定位技术是基于接收信号传播特性而进行定位的，与传统 AI A 与 Tl A 定位技术相比，其无需额外添加设备来进行角度测量与时间同步，且充分利用了已有 WlFI 无线网络，降低其使用成本。其次，W1Fl 位置指纹定位技术与传统室内定位技术(如：视频信号与红外定位)相比，其扩展性更强、应用范围更广。由于 WlFl信号传输时受非视距、多径衰落等因素影响较小，故基于 wlFl 网络的指纹定位系统稳定性较强，而基于红外或视频信号定位技术在使用时较易受限，比如：在阳光直射或荧光照射下基于红外技术定位的精度将大大降低，而基于视频
7、信号的定位技术使用前提是移动终端必须在可视条件下。在城市人口居住密集的今天，由于室内与地下的无线基站信号较弱，现有主流定位技术 GPS、AGPS、Google M 印等在室内与地下定位时均存在盲区，且定位精度不高，而 WIFI位置指纹定位技术可通过 WlFl 网络中的 AP 进行定位，避免了对无线基站网络的依赖，从而实现了地下或室内环境的准确高效定位，其在地下室内商场、停车场、物流等行业均具有潜在应用价值。（2）国内外研究现状WLAN 无线局域网络标准于二十世纪末正式制定，之后它的应用就变得非常广阔，涵盖多个领域，在无线通信领域被看作最有发展前途的技术之一，利用广泛存在的 WIFI 网络，对室
8、内定位目标进行定位得到广泛认可。它有着非常好的发展前景，因此被很多研究者看好，并随之诞生了不少可鉴的 WIFI 室内定位系统成果，较3典型的有 Radar 系统、 HoruS 系统、Nibble 系统与 Weyes 系统等室内定位系统。几种系统的主要特点如表 1-1 所示，其中，Radar、HourS 和 WeyeS 系统通过增加样本数量，然后再对样本取平均值或者中位数，或者计算出它们的概率分布，以此来减小接收信号的不稳定性对数据样本准确性的影响，从而解决无线网络环境的干扰问题。面对复杂多样的无线网络环境，Weyes 系统则用差值模型建立信号空间，从而降低无线局域网开放性带来的影响。这些解决措
9、施所需要的采样样本数量大，数据库的建立时阅长，导致定位系统的可靠性以及易用性等方面受到影响，加上需要特定的定位终端，加大了定位成本，因此目前还未能应用于人们的生产生活当中，它们均只是一些原型试验系统。目前，国内外还没有发现一个真正成熟的商用 WIFI 室内定位系统，基于 WIFI 网络对移动终端进行准确定位仍然存在一些需要深入研究并解决的实际技术难题。比较项 型号覆盖图模型计算位置 算法 精确度 连续定位支持开放网络支持Radar RSS 多元组服务器 NNSS 4M 否 否Horus RSS 直方图缝补服务器 Center of mass2-3M 是 否Nibble 概率分布 服务器 Bay
10、es Network%97 准确否 否Weyes RSS 差分多元组服务器 NNSS-AVG4M 是 是表 1-1 几种典型 WIFI 定位系统对比表位置指纹定位按训练离线阶段到定位在线阶段的顺序进行，第一阶段工作是创建指纹数据库，第二阶段执行相应的算法，去寻找出与定位终端接收信号参数特征匹配性最高的一个或几个位置指4纹，再用其中的位置坐标按照一定的计算方法估算出用户的实际位置。传统的位置指纹定位算法主要有：最近邻法(NN)、K 近邻法(KNN)、K 加权近邻法、朴素贝叶斯算法。这几种传统的位置指纹算法中，它们基本都是简单的基于信号强度值进行指纹的匹配或映射来得到最终的定位结果。但是，同一位置
11、不同时刻接收到的信号强度并不稳定：首先，室内环境本身布局的复杂性使得 AP 发射信号在到达接收机的过程中会出现多径现象；另外，空气的湿度、温度的变化加上人员的活动等因素也会影响无线网络信号的传播，这些都会导致信号强度 RSSI 值波动。现在很多算法并未考虑多房间或多楼层的定位环境，在这样的环境下，数据库中的指纹数据量势必增加，如果我们在定位阶段与每个位置指纹进行逐个匹配的话，会延长定位时间。基于这些不利因素，在算法中我们必须考虑对 RSSI 值的有效过滤和对数据库中的位置指纹数据进行快速筛选的方法来改进定位算法，从而达到提高定位精确度以及定位实时性的目的。二、 基于 W I F I 的室内指纹
12、定位技术（1） WIFI 无线通信技术1. WIFI 基本概念及技术标准WIFI 全称 Wireless Fidelity，意思是无线保真技术。WIFI 也可叫作无线宽带，它是一种可以支持用户在数百米范围接入互联网的无线传输技术。它最初只是特指 IEEE80211b 这一标准，但随著无线局域网技术的进一步发展，IEEE802.11a 及 IEEE 802119 等5标准相继出现，现在 WIFI 已经成为 IEEE 80211 这个标准的统称，同时人们已习惯性把无线局域网 WLAN 称为 WIFI。WIFI 的使用门槛相对较低，只要在机场、图书馆、酒店、快餐店等人员较密集的地方设置“热点(AP，
13、AcCess Poillt)”，然后通过高速线路将因特网接入这些场所，支持无线局域网连接的智能手机或笔记木电脑到了该区域内，就可以检测到由热点(AP)发射的 WIFI 信号从而接入因特网。WIFI 网络因无需耗费大量人力和物力来进行繁琐的网络布线而受到广大网民的亲睐。WIFI 的第一个标准 IEEE802.11 是在 1997 年6 月被推出的，其中定义了物理层和介质访问控制层，物理层以2Mbi ts 的数据传输速率工作在免费的 24GHZ 的 ISM 频段上，凡是遵守这个标准的操作系统或网络应用在无线局域网上都可以顺畅运行。为了支持更高的数据传输速率和质量，随后 IEEE 又相继制定了802
14、11b、80211a、802119、80211、8021lac8021lad等一系列标准。2.WIFl 网络的组成及拓扑结构一个完整的 WIFI 网络系统由站、无线介质、无线接入点、分布式系统组成，如下图 21 所示：6站(Station，STA)：WIFI 网络中最基本的组成单元，它由终端设备、无线网络接口、网络软件组成。如带无线网卡的笔记本电脑、支持无线网功能的智能手机等均属于站。无线介质(WirelesS Medium，WM)：在这里指的是空气。空气是无线电波和红外线传播的良好介质，因此成为站与接入点之间、站与站之问的无线通信介质。无线接入点(hccesS Point，AP)：它是 WI
15、FI 网络的核心组件，其作用等同于蜂窝网结构中的基站。无线接入点可以看作是一个特殊的站，位置通常固定在基本服务区的中心。其基本功能有：完成同一个基本服务区(BaseServi ce Area，BSA) 中的不同站间的相互通信以及其它非 AP 站对分布式系统的访问：在一个 WIFI 小区内负责控制和管理其它非 AP 站；作为桥接点实现 WIFI 网络与分布式系统之间的连接。分布式系统(Di stribution System，DS)：它作为 WIFI网络中的设备与其他网络设备之间的通信系统而存在。分布式系统能够解决单个 WIFI 基本服务区 BSA 覆盖范围有限的问题，实现多个基本服务 区的连接，从而形成 一个扩展业务区 (Extended Servi ce Area，ESA)，如下图2 2 所示。
