基于位置融合的WiFi室内定位新策略

王华强,鲁晶,张海涛

(61175部队,湖北 武汉 430000)

基于位置融合的WiFi室内定位新策略

王华强,鲁晶,张海涛

(61175部队,湖北 武汉 430000)

基于接收信号强度(RSS)的WiFi室内定位技术由于其成本低、易部署的特点成为近年来的一个研究热点。基于RSS的WiFi室内定位由于受到室内环境复杂、动态变化性强的特性,位置估计精度和可靠度较低,因此本文提出了一种新的位置融合定位策略进一步改善基于RSS的WiFi室内定位的精度。新的位置估计策略融合三种AP选取策略的位置估计结果,试验结果表明，新提出的位置融合定位策略能够提高位置估计的精度,同时保证定位结果的可靠性,其整体定位性能更优。

RSS;WiFi室内定位;AP选取;融合

0 引 言

近年来,室内基于位置的服务(BS)应用不断发展,其涉及人们的工作、学习和生活等各方面,例如员工的位置跟踪、商场自助导购、突发情况的人员定位等[1]。目前,低成本、高精度的室内定位解决方案成为LBS应用进一步发展的关键因素[2]。由于全球广泛部署的AP(Access Points)以及智能移动设备的普适普及,基于RSS的WiFi指纹定位逐步成为一个研究热点。考虑到室内环境复杂,AP发射的信号衰落除了与距离有关外,还受到多径效应以及非通视(LOS)的影响。RSS接收器接收到的实际信号相比于其理论值产生了严重畸变,因此基于RSS的WiFi室内定位精度较低,一般为3～5 m[3]。本文结合目前已有的基于RSS的WiFi室内定位中的AP选取算法[4-5],提出了一种新的位置融合定位策略,从而在提高定位精度的同时兼顾定位延时影响,进一步改善基于RSS的WiFi室内定位系统的整体性能。新的位置估计策略融合三种AP选取策略的位置估计结果,从而提高位置估计的精度。三种AP选取策略分别为:线下阶段完成的基于联合信息增益(IG) 的AP选取策略,位置估计精度较高的基于标准方差(TD)的AP选取策略,以及线上阶段耗时较小的基于信号丢失率(LR)的AP选取策略。

1 不同AP选取算法原理

1.1基于JIG的AP选取策略

基于JIG最大化的AP选取依据AP对于位置区分度的贡献大小进行最优AP的选取,它将AP的RSS观测值看作特征,利用信息增益衡量特征为指纹点分类带来的信息量大小,带来的信息越多,AP越重要。本文选取JIG进行分析,从整体性考虑AP子集对于位置区分度大小,选取JIG最大的AP子集作为最优AP子集。JIG计算过程如下:

对于任意的离散随机变量X,假定离散值的可能取值为x1,x2,…,xN,则X的信息熵H(X)计算公式为

(1)

式中:p(xi)为随机变量X取值xi的离散概率;NX表示离散随机变量X不同的可能取值的个数; log表示对数函数,信息熵的底数一般取值2,自然数e或者10,不同底数求取的信息熵之间可以相互转换,这里取以10为底的对数。

基于RSS的WiFi指纹定位中N个AP构成的子集的JIG计算公式为

JIG(AP1,AP2,…,APN)=H(L)-

H(L|AP1,AP2,…,APN),

(2)

(3)

(4)

式中:p(RSSi|Lj)为校准点Lj处RSSi出现的概率。

1.2基于SLR的AP选取策略

类似于基于最大均值(MM)的AP选取策略,基于SLR的AP选取策略考虑环境动态变化引起的AP信号丢失问题。相比基于MM的AP选取策略,基于SLR的AP选取策略对线上观测时间的要求更为“宽松”,因此其更加适用于实时定位要求较高的室内定位需求。信号丢失率的计算公式为

(5)

式中:n表示线上阶段移动设备的扫描次数;nloss表示AP丢失的观测次数。

1.3基于STD的AP选取策略

基于STD的AP选取策略认为RSS的标准差直接反映了RSS序列的抖动情况,STD越小RSS的不规则衰落效应越小,对应的AP越有利于位置估计。假定目标点观测了N个AP的k个历元的观测数据,则基于均值最大的AP选取算法主要分为以下两步:

1) 计算各个AP的k个历元观测数据的STD;

2) 对N个AP按照均值从大到小的顺序进行降序排列,选取出均值最大的M个AP作为最有AP子集。

2 位置融合定位策略及性能评估

2.1位置融合定位策略

本文提出了一种新的位置融合定位策略。新的位置估计策略融合三种AP选取策略的位置估计结果,从而提高位置估计的精度。步骤如下:

1) 分别利用三种AP选取策略选取最优AP子集,并分别计算定位点的位置,依次记为(xJIG,yJIG)、(xSTD,ySTD)和(xSLR,ySLR);

2) 设置定位结果X轴向和Y轴向的差异阈值β=0.5 m,对三个位置结果进行融合,由于X轴向和Y轴向的融合步骤一致,因此以X坐标计算过程为例对融合算法进行说明;

3) 对三个X坐标值xJIG、xSTD和xSLR从小到大进行排序,依次记为xmin、xmedian和xmax;

5) 若差值大于轴向差异阈值β=0.5 m,计算Δx1=xmedian-xmin和Δx2=xmax-xmedian,最终的X坐标计算公式为

(6)

2.2性能评估指标

(7)

MSE的计算公式为:

(8)

式中:n表示目标点的个数。

RMS的计算公式如下:

(9)

由于不同AP选取策略会引起定位阶段的位置估计延时,因此本文引入了定位延时的性能评估指标,即线上阶段移动设备位置估计所消耗的时间。

3 实验分析

为了对新的定位算法性能进行评估分析,本文在图1所示的场景中进行数据采集。实验中的指纹点和定位点的分布如图1所示,表1示出了融合定位策略与融合前的位置估计结果的精度对比。

实验场景选取某机房,实验采用大楼内所有可观测的AP作为信号发射源,信号的接收器采用小米手机。实验中采样点的高度尽量保持一致,高度方向的差异不超过0.1 m.数据采集时,手机的WiFi信号扫描间隔设置为1 s,即大约每1 s记录一个RSS观测值。分别在6个指纹点上和18个定位点持续观测了3 min,每个采样点上观测历元个数约为180个,相邻两个指纹点间的间隔为4 m,相邻两个定位点之间的间隔为1 m. 由于手机WiFi扫描信号存在时延,因此实际观测样本数略小于180. 实验方案分布如图1所示(图中,‘▲’表示指纹点,‘○’表示定位点。):

图1 AP选取实验方案图

表1 融合定位策略与融合前的位置估计结果的精度对比

表中,JIG、SLR和STD分别表示利用三种不同AP选取策略选取出的AP子集进行位置估计的定位结果,融合定位表示新提出的位置融合定位策略的位置估计精度。从表中可以看出,融合定位策略的平均定位误差为1.707 6 m,明显小于融合前的其它定位结果的MSE。同时,融合定位的定位误差的最大值和RMS也优于其它三种定位策略。尽管融合定位的线上耗时大于其它几种策略,综合而言,位置融合定位策略精度明显优于融合前的其它三种定位策略。图2示出了融合定位策略与融合前三种定位策略的误差累积分布图。

图2 融合定位策略与融合前三种定位策略的误差累积分布

从图中可以看出整体而言,融合定位策略和基于SLR的定位结果的可靠度要优于其它两种定位结果。表2示出了定位误差限差为1 m、2 m、3 m和4 m时的不同定位策略的可靠度。

表2 定位误差限差为1 m、2 m、3 m和4 m时的不同定位策略的可靠度

从表中可以可出,误差限差为2 m时,基于JIG的位置估计策略的定位结果的可靠度为72.22%,优于其它三种定位策略。然而误差限差为1 m、3 m和4 m时,基于JIG的位置估计策略的定位结果的可靠度比其它三种定位策略低。此外表中融合定位策略和基于SLR的定位结果的所有可靠度一致,因此综合定位精度的分析可以发现新提出的位置融合定位策略能够提高位置估计的精度,同时保证定位结果的可靠性,其整体定位性能更优。

4 结束语

本文提出了一种新的位置融合定位策略。新的位置估计策略融合三种AP选取策略的位置估计结果,从而提高位置估计的精度。尽管融合定位的线上耗时略大于其它几种策略,综合而言,新提出的位置融合定位策略能够提高位置估计的精度,同时保证定位结果的可靠性,其整体定位性能更优。

[1] RAPER J,GARTNER G,KARIMI H,etal.Applications of location based services;a selected review [J].Journal of location based services,2007,1(2):89-111.

[2] DENG Z,MA L,XU Y. Intelligent AP selection for indoor positioning in wireless local area network,International ICST Conference on Communications and NETWORKING in China.New York[J].IEEE Computer Society,2011:257-261.

[3] RETSCHER G,MOSER E,VREDEVELD D,etal.Performance and accuracy test of a WiFi indoor positioning system[J].Journal of Applied Geodesy Jag,2007,1(2):103-110.

[4] 程金晶,魏东岩,唐阳阳.WLAN指纹定位中AP选择策略研究[J].计算机技术与发展,2015(3):1-5.

[5] 尹海波,卫文学.基于WiFi的室内定位中AP选择方法研究[J].电脑知识与技术:学术交流,2016,12(21):242-244.

ANewStrategyforWiFiIndoorLocationBasedonLocationFusion

WANGHuaqiang,LUJing,ZHANGHaitao

(ThePLA61175,Wuhan430000,China)

WiFi indoor location technology based on RSS (

Signal Strength) has become a research hotspot in recent years due to its low cost and easy deployment. WiFi indoor location based on RSS due to indoor environment is complex, dynamic characteristics, position estimation accuracy and reliability is low, so this paper proposes a new fusion positioning strategy to further improve the position of the WiFi indoor positioning precision based on RSS. Three kinds of AP fusion strategy selection strategy position estimation results to estimate the new position, the test results show that the new proposed position fusion positioning strategy can improve the accuracy of position estimation, reliability and guarantee the positioning results, and the overall performance is better.

RSS; WiFi indoor location; AP selection; fusion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.006

P228

A

1008-9268(2017)05-0029-04

2017-06-30

联系人: 张海涛 E-mail:393167330@qq.com

王华强(1982-),男,山东文登人,工程师,主要从事大地测量和卫星导航定位研究。

鲁晶(1982-),女,黑龙江呼兰人,工程师,主要从事航空摄影测量研究。

张海涛(1987-),男,湖南澧县人,助理工程师,主要从事导航时频研究。