基于wifi信号的室内定位方法生大学学位论文.doc
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1、大连理工大学本科毕业设计(论文)基于WiFi信号的室内定位方法Indoor localization method based on the WiFi signal学 院(系): 软件学院 专 业: 软件工程 学 生 姓 名: 谢文松 学 号: 201192063 指 导 教 师: 金乃高 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 大连理工大学Dalian University of Technology基于WiFi信号的室内定位方法摘 要现如今,人们生活在一个移动互联的时代,手机也越发成为了人们日常生活中必不可少的工具。智能手机、平板电脑等的快速发展更是促进了人们对移动位置信息的需求。随着近些年无
2、线定位技术的发展,室内定位技术成为人们关注的热点。许多依赖于无线接入点射频信号的室内定位技术已经在过去的十年中被提出。近年来,众包(也称为“Organic”)的WiFi指纹定位系统方面的研究正引起人们的关注。这种参与方法带来了先前提出的技术所没有考虑到的新的挑战。本文提出了一个有效的定位方法来处理存在于基于众包的系统的三个主要技术问题。我们的新的解决方案,有利于1)从短期的RSS值的测量提取准确的指纹值2)不同设备间免校准的定位3)对于一个给定的位置,在无线地图上保持每个位置一个指纹,不论任何数量的上传数据集。通过使用四个不同智能手机的实验,我们来评估我们的新的室内定位方法。实验结果表明,该方
3、案提供了一致的定位精度,在设备的异质性和多个测量人员等问题存在的这样一种环境下。关键词:无线定位技术;室内定位;众包;WiFi指纹定位Indoor localization method based on the WiFi signalAbstractNowadays, people live in an era of mobile Internet, mobile phone has increasingly become the indispensable tool in Peoples Daily life. The rapid development of smartphones, t
4、ablets and so on but also promote the peoples demand for mobile location information. With the development of wireless location technology in recent years, indoor positioning technology is becoming a hot spot of attention.Many indoor localization techniques that rely on RF signals from wireless Acce
5、ss Points have been proposed in the last decade. In recent years, research on crowdsourced (also known as “Organic”) Wi-Fi fingerprint positioning systems has been attracting much attention. This participatory approach introduces new challenges that no previously proposed techniques have taken into
6、account. This paper proposes an efficient localization method addressing three major technical issues posed in crowdsourcing based systems. Our novel solution facilitates 1) extracting accurate fingerprint values from short RSS measurement times 2) calibration-free positioning across different devic
7、es and 3) maintaining a single fingerprint for each location in a radio map, irrespective of any number of uploaded data sets for a given location. Through experiments using four different smartphones, we evaluate our new indoor positioning method. The experimental results confirm that the proposed
8、scheme provides consistent localization accuracy in an environment where the device heterogeneity and the multiple surveyor problems exist.Key Words:Wireless Localization Technology;Indoor Localization;Crowdsourcing;Wi-Fi Fingerprint Localization目 录摘 要IAbstractII引 言11相关技术研究现状及开发环境41.1室外定位41.2室内定位51.
9、3开发环境71.3.1JDK的安装和Java环境变量的设置71.3.2安装Eclipse71.3.3安装Android SDK71.3.4安装配置ADT82需求分析92.1背景92.2功能需求92.3其他需求92.4系统层次结构图102.5系统用例图103系统概述和挑战113.1概述113.2挑战123.2.1短时间的RSS测量123.2.2设备的多样性123.2.3一个位置多个测量值124系统设计144.1总体设计144.2模块设计144.3界面设计155系统实现与实验165.1指纹值的提取165.1.1AP响应速率165.1.2RSS随时间的变化165.1.3提取方法195.2定位算法21
10、5.2.1相对RSS比较215.2.2异构设备265.3.3多个测量人员286测试与评估296.1实验装置测试296.2成对装置测试与评估296.3设备异构性测试与评估316.4对于多个测量人员的影响的评估357探讨与展望377.1探讨377.2展望37结 论39参 考 文 献40致 谢42- III -引 言位置信息在人们的日常生活和工作当中扮演着重要的作用。无论是在郊外、展览馆还是公园等陌生的环境中,使用定位导航信息可以为观众游览提供更加便捷的服务;在仓储物流过程当中,对物品进行实时的定位跟踪将大大提高工作的效率;在监狱等特殊环境中,及时而准确地掌握相关人员的位置信息,有助于提高安全管理水
11、平,简化监狱的管理工作。目前全球定位系统(GPS,Global Positioning System)1-3是获取室外环境位置信息的最常见和最常用的方式。近年来,随着无线移动通信技术的快速蓬勃发展,GPS和蜂窝网络相结合的A-GPS(Assisted Global Positioning System)定位方式在紧急救援和各种基于位置的服务(LBS,Location-Based Services)中逐渐得到了应用。但由于卫星信号较为容易受到各种障碍物的遮挡,GPS/APGS 等卫星定位技术并不适用于室内或高楼林立的场合,目前无线室内定位技术正在迅速发展,且已成为GPS的有力补充。如今一般来讲,
12、使用无线信号强度来获取目标位置信息的过程,其实就是建立无线信号强度和位置信息稳定映射关系的一个过程。现有的室内无线定位系统主要采用的是红外、超声波、蓝牙、WiFi(Wireless Fidelity)、RFID(Radio Frequency Identification)等短距离无线技术。其中基于WiFi网络的无线定位技术由于部署广泛且低成本较低等原因而备受关注。目前来看,其中由微软公司开发的雷达系统是基于WiFi无线网络的最早的定位系统。它采用的是射频指纹匹配的方法,从指纹数据库中查找最为接近的几个邻居,取它们坐标的平均来作为估计坐标。室内定位系统5介绍的则是基于RSSI信号的统计特性,它
13、采用的是贝叶斯公式,通过计算待定位位置的后验概率分布来进行定位。全球定位服务其主要发展的区域包括了亚太、北美以及欧洲这三个大市场,其中以亚太市场发展最为快速和较早,尤其是日本和韩国这两个国家。在日本市场中,由于移动数据服务市场竞争较为激烈,为了能够提供更多的和更好地增值服务,日本一些运营商早在2000年就已经开始推出了移动定位服务。通过和平台供应商以及增值服务商合作,日本的LBS服务内容变得愈加丰富。目前,韩国已经制定了隐私权保护的法令,同时也成立了一些定位服务的产业协会,这些举措驱动了其定位服务的快速发展,而主要的LBS运营商,例如KTF、SKT、LGT等都推出了相关的LBS应用,其内容丰富
14、,包括了商业(广告、出租车呼叫、移动付款、移动商务)和个人(紧急救援、老人、儿童追踪)市场,促进LBS产业快速发展。然而在2006年后,随着北美业者因应E911(紧急救援服务)政策系统设备更新的逐步完成,VefizonWireless、SprintNextel等运营商也陆续开始推广LBS应用。在欧洲,不少类似美国E911的紧急救援法令也被颁布了出来,不过出于对技术的更新或者是投资回报率的考虑,都采取了较为保守的策略,对比于亚太与美国业者,其基于WiFi技术的定位系统的设计与实现的发展程度是相对落后的。相比一些西方国家来说,国内的WiFi网络建设还是相对起步较晚的,但是最近几年发展比较迅速。例如
15、,上海就在2010年前建立起了能够覆盖全市的无线网络;北京也在2009年底以前在五环范围内普及无线宽带高速上网;其他许多的城市也相继开始了较大规模的无线网络的建设。在法律层面上,个人位置服务的发展还涉及到保护用户隐私的问题。在民法中,我国法律对公民的名誉权进行了保护,然而对于用户位置的隐私却是没有进行明确规定的。这一立法上的相对滞后,可能会影响到整个LBS产业的发展。如何促进用户认识各种增值应用服务,并且产生有效的需求和使用的习惯,已然成为了LBS市场的关键性问题。由于相关的创新涉及到了许多跨领域的合作,目前我国的LBS创新还较为匮乏。但是国内已有一些公司开发出基于WiFi技术的实时的定位解决
16、方案。“离线采集阶段”一般可以分为两类,这取决于到底是谁收集到的指纹数据。基本的“Expert Surveyor”模型是被首次研究的。该模型提供了一个稳定并且精确的无线电地图,但是它陈本高昂,因为该模型需要的所有工作,从最初的无线电地图构建任务到后来的零星的维护任务,都必须由训练有素的专家来完成。由于成本随着测量现场尺寸的增加而增加,最近一些研究人员已经开始研发新的系统,使得普通的用户可以参与到离线采集阶段。这种基于“众包”的模式能明显降低地图的构建和维护所需要的成本,但是随之而来的它也产生了一系列问题,带来了新的挑战。本文详细研究了存在于一个众包的室内定位系统当中的三个主要技术问题。第一个问
17、题是,不采用专门的测量人员。不同于专家级别的测量师,可以为了建立指纹数据库而花费足够长的测量时间,在一个众包系统当中测量人员都是志愿者,他们不应该被迫的去牺牲掉自己的时间和设备资源来进行指纹数据的采集。无线电地图应该提供可靠和准确的指纹数据,并且它的建立应基于短时间的RSS测量。其次,由于数据采集过程当中对于设备的类型和数量没有约束。用户携带着不同的设备,这就导致了一个无线电地图的建立是在来自不同设备的RSS值的基础上的。由于不同的设备可能会有着不同的芯片和天线设计,通过不同设备采集到的RSS测量数据就或多或少的会有所不同,甚至当他们被放在完全相同的位置时也是一样。因此,能允许设备的多样性的这
18、样一种技术是必要的。最后,没有指定的指纹采集点也可能产生问题。由于无线电地图的更新是通过未经训练过的无集中控制的自由用户所更新的,不同的用户可以上传自己的指纹数据,这些被采集的数据采集于不同的位置然而却有着同样的位置标签。多个指纹数据却表明同一个特定的位置,这不仅仅会导致估计位置时间变长也会导致在无线电地图服务器上存储空间的浪费。考虑到这三个问题本文提出了以下观点:(1) 我们分析了RSS的特点,它的测量过程可以不需一分钟时间。在已有研究的基础之上,我们提出了一个可以在每个AP提取到可靠的单个指纹值的方法,而该方法是能够保证在短时间内测量RSS的。(2) 我们提出了一种新型的室内定位方法,该方
19、法适用于异构设备并且不需要其他复杂过程的校准。(3) 我们还证明,该方法解决了多个测量人员的问题且无需任何校准。(4) 通过使用多个手机在不同情景下的真实实验,我们对我们的定位技术的性能进行了评估。1相关技术研究现状及开发环境1.1室外定位近些年来,随着无线通信技术与网络技术的不断发展和全面的普及,各种新业务与新需求更是层出不穷,其中位置感知计算(Location-aware Computing)和基于位置的服务 LBS在人们的生产和生活当中起到了至关重要的作用,如何确定用户位置是实施前述应用的首要的问题,因此定位技术是位置感知计算和基于位置的服务的核心问题。根据应用环境与场景的不同,定位技术
20、大致可以分为室内定位技术和室外定位技术两种。室外定位系统主要有蜂窝定位和全球定位系统 GPS。蜂窝无线定位即手机定位,是基于移动蜂窝网的基站定位,其定位精度依赖于基站的分布和基站信号的覆盖范围的大小。1996年,美国 FCC 颁布了E-911(Emergency call 911)条例提出了相关的技术要求,要求移动通信提供商必须为用户提供能够达到定位准确度在125m以内的室外定位服务,自2001年以后,美国 FCC 提出了更严格的准确度和三维空间定位的需求。在政府的相关要求和市场巨额利润的驱动之下,基于蜂窝移动网的定位技术得到了广泛的应用。美国的GPS系统是目前使用最为广泛、用户人数量最多的全
21、球性定位系统。GPS系统由24颗卫星组成,在任何时间、任何地点地面接收终端都可以同时接受到4颗以上的卫星发出的信号。根据电磁波的传播原理,通过卫星信号的到达时间差来计算出搜索到的卫星和终端用户之间的距离,采用三边定位法6计算出终端用户的具体的位置,其民用定位精度可以达到15m以内。同时,其他的国家也陆续研究开发出了具有自主知识产权的定位系统,其中包括中国的北斗卫星定位系统、俄罗斯的Glonass定位系统和欧盟的Galileo 定位系统。但是在城市环境中,由于GPS卫星发射的电磁信号太过微弱,楼宇等建筑物阻碍了卫星信号的传播,所以导致了所谓的“都市峡谷”(Urban Canyon)效应,使得GP
22、S系统无法正确和准确的定位。因此,虽然GPS系统在室外环境能够有效地进行定位,但是在室内环境中却无法进行有效的定位。以上所述的两种定位系统是应用较为广泛的室外定位系统,但应用于室内的时候,这两种定位系统并不能够提供很好的定位服务。首先,由于室内环境复杂因素较多,信号在室内传播的情况要复杂于室外传播的情况。其次,室外定位应用大都是开阔的环境,几十米的定位误差并不会影响用户的真实使用感受;但对于室内定位应用而言,需要将定位的精度控制在若干米以内,才能为用户提供可具使用性的室内定位系统。针对室内定位的难点,即克服信号受到环境噪声的干扰,对移动用户的快速定位,对定位精度的高要求,国内外许多的研究人员都
23、进行了有针对性的研究和探索,这些研究涉及到无线网络、传感器技术、随机信号处理等众多交叉领域。1.2室内定位在过去的十几年当中,许多的室内定位技术已经被提了出来。其中,使用现存的WiFi网络基础设施的技术已经引起了人们越来越多的特别的关注,由于如今室内环境当中的无线接入点的普及,这样的技术更加引起了研究人员们的关注。此次的工作建立于一个基于众包(也被称为“Organic”)的方法,并处理对于存在于一个特定的位置的设备异构性和多个测量人员的问题。早期的室内定位技术要求用专业的硬件来确定设备的位置。系统Active Badge8和Active Bat9,使用带有标签的发射的红外线和超声波脉冲的方法。
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