基于WiFi信号指纹的室内定位技术

王琪

(中国移动通信集团湖南有限公司，湖南长沙 410000)

基于WiFi信号指纹的室内定位技术

王琪

(中国移动通信集团湖南有限公司，湖南长沙 410000)

室内定位随着情景感知与位置服务兴起的一门新鲜科学。经历过数十年的研究，目前已经有大量的针对室内定位的技术方案,其中尤以指纹定位居多。室内指纹定位包含一系列的利用接收信号的强度来判定接收者位置的技术。文章重点讲述了基于位置指纹的定位技术，包括确定型指纹定位技术与概率型指纹定位技术，提炼出了利用指纹定位技术的数据模型，展示了利用数学模型来描述信号指纹库以及位置估计的方法。

室内定位 指纹 信号强度

1 引言

随着近代通信技术的发展，基于位置服务的应用越来越多。不同商业应用的增加促进了基于位置服务的发展。由于多径效应的存在以及信号的过度衰减，使得传统的基于GPS定位的技术在室内无法使用。因此，大量的室内定位技术的应用应运而生。

像Active badge、Cricket、Bat和Ekahau positioning egine (EPC)需要额外的硬件支持，而且不同的方法需要的硬件差异也很大。这使得这些定位方法[1,2]非常耗成本，而且无法大范围的部署。它们可以被规类为infrastructure based system。

时下越来越多公共场所都部署了大量的无线局域网设备（WLAN），它们的出现给室内定位带来了许多新的机遇[3-5]。尽管WLAN的设计初衷必不是室内定位，但可以通过估计WLAN发射的无线信号的强度（RSSI）来粗略的估计位置。RSSI利用的是已经存在的室内设施，因此不需要额外的硬件。信噪比虽然同样可以获得，但是与RSSI相比，它与位置的相关性要小得多[5]。

室内指纹定位与他定位方法在原理上差异很大，传统的定位方法一般利用AP与用户间的相对距离进而采用三边定位法来确定用户的位置，而位置指纹定位法是比较实时采集到的RSSI与指纹数据库匹配来估计用户位置的，这其中的指纹数据库是在离线阶段创建的位置与距离间的关系映射表。这样室内信号的传输特性被提取出来了，但是却巧妙的避免了复杂的建模过程。然而，这个指纹库的创建是却是一个非常耗费人力的过程。目前，许多的定位基于指纹的定位方式都缺少一个合适的数学推导与理论分析过程。这篇文章的目的即在于展现指纹定位方法中的一些数学公式的指导与分析。

2 信号地图

信号地图的创建首先将定位平面分成许多小单元，然后在这些小单元内采集相应的RSSI值并做一定的校准，最后存储在数据库中备用。信号地图中的第i个成员可以用如下表达式来描述：

信号地图在定位前可以进行一些预处理或是更新的操作。目的在于进一步的减小指纹的存储空间或者降低定位阶段的计算量。另外，不同的定位方法可能需要使用指纹的不同形式，如有的使用均值，有的使用方差等。

3 定位阶段

得到信号地图后，定位的目标在于利用实时采集到的RSSI向量y去估计目标的位置。在某些情况中，在进行位置估计前，会对某一个采集多次，这样可以得到一个信号向量。

3.1 决定型框架

在决定型框架中，用户的位置x被定义为一个随机变量。目标即为在每一个计算时间点内估计出向量x的值。通常情况下，估计值是校正点值的一个凸优化问题。假设校正点为，那么估计位置即为：

表1 范数

在这些范数表达式中，犹以曼哈顿距离[5-7]使用得最为频繁。由于从不同的AP处采集到的信号被认为是相互独立的，因此的互相关矩阵是一个三角矩阵：

在式(2)中，保留最大点的K个权值而将其他的权值设置为0叫做带权值的最邻近K值法(WKNN)。如果所有的权值都等于1，那么叫做KNN；而当K=1时，则叫做最邻近法NN。通常情况下KNN与WKNN要比NN的效果好，特别是当K=3或者K=4时。然后，当信号地图的密度非常高的时候，NN与其他2种方法的效果相当[8,9]。

3.2 概率法

表2 概率分布

表3列出了几种不同的计算概率密度间距离的方法。

表3 概率密度距离

将式(5)和式(6)代入式(4)中可以得到后验概率：

利用后验概率可以估计出状态位置。一个可能的方法是最大后验概率法(MAP)[12,13]，即概率值最大的区域为估计的位置：

另外的方法为求平均，即：

可以看到，决策法与概率法有许多的相似之处。

4 结束语

文章介绍了基于WIFI信号指纹的定位方法，从决策法与概率法2个角度介绍了各种方法的框架以及数学推导过程，在文章的最后给出了总结。通过比较可以看出，决策法与概率法在许多地方都有相似之处，比如在最后的定位阶段都可以通过求平均值来估计最终状态。

[1]Hightower J,Borriello G.Location Systems for Ubiquitous Computing[J].IEEE Computer,2001,1(34):57-66.

[2]Ekahau.[OL].Available:http://www.ekahau.com/

[3]Wallbaum M.Indoor Geolocation Using Wireless Local Area Networks[D].Germany:RWTH Aachen University,2006.

[4]Vossiek M,Wiebking L,Gulden P,et al.Wireless Local Positioning[J].IEEE Microwave magazine,2003:77-86.

[5]Bahl P,Padmanabhan V N.Radar:An in-building RF-based User Location and Tracking System[J].In INFO-COM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of theIEEE Computer and Communications Societies,2000,2(10):775-784.

[6]Li B,Salter J,Dempster A G,et al.Indoor Positioning Techniques based On Wireless LAN[M].Schoolof Surveying and Spatial Information Systems,2006.

[7]Prasithsangaree P,Krishnamurthy P,Chrysanthis P K.On Indoor Position Location with Wireless LANs[J]. Telecommunications Program,2002:720-724.

[8]Yeung W M,Zhou J,Ng J K.Emerging Directions in Embedded and Ubiquitous Computing.Springer[J].2007,ch. Enhanced Fingerprint-Based Location EstimationSystem in Wireless LAN Environment.2007:273 284.

[9]Saha S,Chauhuri K,Sanghi D,et al.Location Determination of A Mobile Device Using IEEE 802.11b access Point Signals[J]. Department of ComputerScience and Engineering,2003: 1987-1992.

[10]Roos T,Myllym¨aki P,Tirri H,et al.A Probabilistic Approach to WLAN User Location Estimation[J].International Journal of WirelessInformation Networks,2002,9(3):155-163. [11]Duda R O,Hart P E,Stork D G.Pattern Classification[M]. John Wiley:Sons Inc.,2001.

[12]Haeberlen A,Flannery E,Ladd A M,et al.Practical Robust Localization Over Large-Scale 802.11 Wireless Networks[J]. MobiCom’04,Tech.Rep,2004:70-84.

[13]Kaemarungsi K.Distribution of WLAN Received Signal Strength Indication for Indoor Location Determination[J]. National Electronics and Computer Technology Center,2006: 1-6.

Indoor Fingerprint Localization Technology Based on WiFi Signal

WANG Qi
(China Mobile Group Hu’nan CO.,Ltd,Changsha Hu’nan 410000,China)

The indoor localization is a new technology arisen with the development of context aware and location-based service.At present,there are numerous technical methods of indoor localization,especially fingerprint localization.The term“indoor fingerprint localization”covers a series of techniques of determining receiver position by using received signal intensity.This paper describes in detail the localization techniques based on location fingerprint,including including deterministic and probabilistic fingerprint localization techniques,design the data model based on fingerprint localization technique,and presents the method of describing signal fingerprint database and location estimation by using mathematical model.

indoor localization;fingerprint;signal intensity

TP311.5

A

1008-1739（2015）21-65-3

定稿日期：2015-10-12