基于能效的WLAN 室内定位系统模型设计与实现

唐旭　陈蓓

摘要：基于能效的WLAN室内定位系统模型的设计目的，一方面是为了降低位置指纹数据库规模，另一方面为了减少服务器与客户端的数据传输量，同时减少相关的计算量。为了实现这个定位系统，笔者提出了AP预处理算法、聚类算法以及精定位AP选择算法。该文主要是分析如何设计基于能效的WLAN室内定位系统模型，以及如何实现这个系统的应用目的。

关键词：WLAN；室内；定位系统；模型设计

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0069-02

Abstract： Design model of WLAN indoor positioning system based on energy efficiency，on the one hand is to reduce the size of the location fingerprint database，on the other hand，in order to reduce the amount of data transmission of the server and the client，at the same time，reduce the amount of computation associated.In order to achieve this positioning system，experts have proposed a AP preprocessing algorithm，clustering algorithm and precision positioning AP selection algorithm.This paper is the analysis of how to design the WLAN indoor positioning system model based on energy efficiency，and how to realize the application of the system

Key words： WLAN； interior； positioning system； model design

1 前言

由于无线局域网的迅速发展，基于WLAN的室内定位技术也越来越受到相关研究人员的关注。WLAN主要是通过检测无线接入点发射的信号强度判断用户的位置，而根据信号强度来进行定位的系统主要分为两种，其中一种基于传播模型的室内定位系统，另外一种是基于位置指纹算法的室内定位系统，在这两种室内定位系统中，前一种的限制条件比较多，后一种的优势比较突出。但是基于位置指纹算法的室内定位系统的实现需要解决数据库构造、离线采样数据预处理、定位AP的选择以及终端设备位置的估计，因此本文主要是针对这个问题，分析如何设计基于能效的WLAN室内定位系统模型，并加以实现。

2 关于基于能效的WLAN室内定位系统模型设计分析

2.1 定位系统模型整体设计

以往定位系统的能耗比较大，而能耗主要发生在两个点，其中一个点是服务器与客户端的数据交互，另外一个点是在位置估计中的计算。为了使定位系统能耗降低，就必须缩减数据库规模，减少服务器与客户端的信息传输量，同时还要在位置估计的计算过程中选用比较简单的计算方法。基于能效的WLAN室内定位系统模型主要包括两个阶段，一个是离线阶段，包括指纹采集、AP选择、数据库预处理以及聚类等四部分；另一个是在线阶段，包括测量值预处理、大概定位、AP选择以及精确定位等四部分。

2.2 定位系统模型设计特征

首先关于虚拟AP预处理算法，这个虚拟AP有一定的优势，但也有不足的地方，它的优势在于可以虚拟出多个BSSID的AP，但是在定位方面提供的数据不够简洁。针对这个问题，笔者提出了VAP预处理方法，优化以往的虚拟AP预处理算法；其次关于非断续RSSI的仿射传播聚类算法，在以往的定位算法中，只能在面积比较小的室内进行定位，然后把定位的地方分为多个AP才能测量到。对于面积比较大的地方，根本就不能使AP全部覆盖，针对这个问题，笔者采用非断续RSSI的仿射传播聚类算法来代替；再次关于均值平滑滤波，在实施定位的过程中，容易外在环境的影响，从而使RSSI出现较大的波动，为了解决这个问题，笔者选择使用均值平滑滤波器；最后关于AP的选择，通常情况下，在离线和在线的阶段可以检测到接入点的改变情况，需把在线AP选择分成两步，比较麻烦，因此笔者采用基于RSSI空间区分度的AP选择来解决这个问题。

3 关于基于能效的WLAN室内定位系统模型实现分析

3.1 离线阶段

首先，关于指纹的采集，笔者把定位区内AP的安装位置和配置信息假设为未知，但是两者都可以通过某种方式把网络数据传播出去，同时离线的阶段配有无线适配器的移动终端，然后在每个位置可知的参考点，扫描AP的BSSID和BSSID，并获取BSSID和BSSID；其次，关于离线AP选择，一般情况下，终端设备每次进行扫描的时候，都能够测量到几十个AP，但是不同的AP对定位产生的结果不一样，因此最好不要保留全部的AP[4]。在离线阶段，AP选择的目的有两个，一个是缩减数据库的规模，另一个是减少服务器和客户端的信息传输量。为了达到这两个目的，应选择保留信号强度相对比较大的AP，因此信号强度比较大的AP在离线阶段不容易发生断续以及空间区分度大的情况；再次，关于数据库预处理。在实际定位中，由于外在环境因素的影响，RSSI波动比较大，为了解决这个问题笔者采用均值平滑滤波器进行定位。一般情况下，接受信号强度非常弱的时候，一些AP的测量值不够平稳，容易出现断续现象，而平滑滤波器可以补充这些丢失的测量值[3]；最后，关于仿射传播聚类。如果RSSI比较小的情况下，就会容易出现断续现象，而基于非断续RSSI的仿射传播聚类可以避免这个问题的发生，在对这种仿射传播进行计算的时候，选择的每个AP一定要保证RSSI测量值足够大，把其他的忽略掉。

3.2 在线阶段

首先，关于类匹配的大概定位。在实际定位过程中，需要终端设备先从下载聚类中心的测量值集合，然后进一步计算在线阶段的测量值，同时还要计算各个聚类中心的相似度，从而确定它属于那种聚类。如果用户没有处在聚类的中心时，并且只选择相似度最高的其中一个聚类，通常都会导致类匹配不成功。所以进行大概定位的时候，需要保留相似度比较高的几个聚类，而不是只是一个聚类。同时在这个基础上进行精确的定位[2]；其次，关于在线AP选择。在定位面积比较大的时候，各个参考点并不能检测到所有的 L个 AP，这样的话就容易导致在线和离线 RSSI 向量间的距离太大，在进行精确定位时容易出现较大的误差，因此当参考点数量达到一定的比例时，可以把对应的 AP去掉；最后，关于精定位的计算方法。在进行精定位的时候，如果计算方法过于复杂的话，将会耗费更多的时间，为了实现降低耗能的目的，可以采取加权 K 近邻算法，这个计算方法相对来说比较简洁[1]。

4 结束语

在基于能效的WLAN室内定位系统模型设计中，主要涉及到两个部分，其中一个是离线阶段，另一个是在线阶段，离线阶段由四部分组成，分别是指纹采集、AP选择、数据库预处理以及聚类，在线阶段同样也是由四部分组成，包括指纹采集、AP选择、数据库预处理以及聚类。为了实现这个室内定位系统模型的应用目的，本文对离线阶段和在线阶段的各个组成部分有可能出现的问题，提出了相应的对策。随着无线局域网的迅速发展，相信基于能效的WLAN室内定位技术将是未来室内定位系统发展的趋势。

参考文献：

[1] 顾嘉， 钱钰博， 孙厚芳， 王婧. 工装室内定位技术研究[J]. 北京理工大学学报， 2010（9）.

[2] 玄建永， 王京春， 陆耿， 江永亨， 毕建权. 缩微智能车室内定位系统研究[J]. 计算机技术与发展， 2014（1）.

[3] 徐兴柱. 一种基于惯性定位技术的单兵室内定位指挥系统方案[J]. 战术导弹技术， 2014（3）.

[4] 朱明强， 侯建军， 刘颖， 苏军峰. 一种基于卡尔曼数据平滑的分段曲线拟合室内定位算法[J]. 北京交通大学学报， 2012（5）.