基于多频信号融合的WIFI室内定位可行性分析

胡 斌，邹 亮，徐贵亮，杨 健，刘军建，杜志明

（1.深圳市交投科技有限公司，广东 深圳 518040；2.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060）

1 WIFI室内定位技术介绍

WIFI又称为无线保真，是一种可以通过一定的协议和认证以实现智能手机、平板电脑等移动设备通过无线方式互相连接访问的技术。WIFI是一种短距离的无线通信技术，一般接收信号半径约为95m，也是当今使用最广的一种无线网络传输技术。

WIFI无线网络的组建简单、成本低，基本配备为具有无线网卡的一个接入点。移动通信终端可以通过连接有线宽带网络的接入点进行数据交换，从而实现直接访问互联网的功能。这为办公室、室内娱乐场所、家庭与大型商场提供了一种更为快捷的上网途径。WIFI信号在开阔空间中有效传输距离约为300m，在室内空间也具有70m到110m之间的信号传输距离。其网络具有较强的兼容性，方便与其他网络整合。

室内定位是指在某一时刻确定移动通信终端在室内的位置坐标。随着人们购物、娱乐、办公等室内场所的不断扩大，人们对室内定位需求也日益增加。因此基于室内定位的技术和解决方案也不断涌现。边角测量法、最近接入点法和位置指纹法是室内定位技术经常使用的方法。

1.1 边角测量法

（1）边测量法是通过测量物体与多个接入点间的距离来计算待测物体的位置。在二维平面上，边测量法的基本原理是假设目标终端N的二维坐标（x，y，z），接入点M1、M2、M3的二维坐标分别为（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）。各个接入点与目标终端的坐标计算出各自间的距离d1、d2、d3，最终确定目标终端的位置，如图1所示。利用无线电传播的数学模型，把在目标终端测得的信号强度转化为距离，即基于信号强度的测量法。

图1 目标定位基本原理

（2）角测量的基本原理是通过两个接入点的位置及其发射出来的信号分别达到目标终端的角度从而推算出目标终端的位置。其定位系统结构简单，它要求每个参考点的接收天线为天线阵。为满足定位需求，每个天线阵在一个长波范围内要有4到12个天线。

1.2 最近接入点法

最近接入点法是指目标终端在某一已知位置或距离已知位置较近时被物理接触或是信号感知，从而确定目标终端的位置。在无线局域网中，接入点是连接移动通信终端从无线通讯到有线通讯的桥梁。每个接入点都有一定的信号覆盖范围，进入这一信号覆盖区域的无线移动通信终端都可以通过与其连接实现网络通信。所以，在无线局域网中，最近接入点法定位技术主要通过接入点的位置来确定目标终端的位置，其定位准确度主要依赖无线接入点的性能和定位所在的环境。目前有两种途径可以获取接入点上记录的所连接移动通信终端的信息：基于 RADIUS[1]和基于 SNMP[2-3]。RADIUS（Remote Authentication Dial-In User Service）[4]是一种提供集中式认证、授权和网络访问的服务。基于RADIUS方法的使用前提是无线局域网中应使用RADIUS服务器来负责WLAN用户的认证和访问。其认证方式是RADIUS服务器保存通过认证用户的MAC地址、所以接入点SSID等信息，并结合接入点的位置信息对用户进行定位，如图2。SNMP（simple Network Management Protocol）称作简单网络管理协议，作为一种标准方式，支持对接入点上信息的访问。

图2 架设RADIUS服务器的无线局域网

1.3 位置指纹定位法

环境对信号的多径传播有很大影响，不同的位置接收的信号强度是不同的，且每个位置所对应的信号强度是唯一的。信号发射终端发射出的信号经过反射、折射最后到信号接收终端所产生的路径称为多径信号，这样的多路径特征也被形象的认为是某一位置的“指纹”。信号的多路径特征包括接入点的MAC地址、信号强度等。通过离线训练阶段测试采集这些多路径特征数据，建立位置指纹数据库，使实时定位点测试的接收信号强度与位置指纹点进行匹配，找出相似信号强度的数据，实现定位。

基于位置指纹定位的WIFI室内定位技术分为两个阶段：离线训练阶段和实时定位阶段。离线训练阶段的目标是收集各指纹点的信号特征和数据，构建两者关系对应的数据库，即位置指纹数据库。为了实现该数据库，首先需要确定被定位对象中所有需要采集的指纹点，然后遍历所有指纹点记录每个接入点的MAC物理地址和对应信号强度，最后将它们整理存储到位置指纹数据库中。实时定位阶段，当用户移动到某一位置时，用户将会接收到一组接入点的MAC物理地址和对应的接收信号强度，通过实时定位点与指纹点的接收信号强度的比较匹配确定用户位置，整个过程如图3所示。

图3 位置指纹定位法定位流程

在众多可以应用到WIFI网络的室内定位技术中，位置指纹定位技术具有定位精度高、操作成本经济、有利于保护用户隐私、灵活性强等特点，从而受到众多研究人员的青睐，成为室内定位的研究主流。表1从多角度比较了不同定位方法的特点。

1.4 影响室内定位精度的因素

室内的环境复杂，阻隔、干扰、吸收通信信号的障碍物较多。而对信号传播影响的主要因素有以下三种：多径传播、阴影效应、信号接发设备的性能。

由于室内环境复杂，信号的发射端与接收端之间因存在障碍物不能直接进行信号的直线传播，而是通过折射、反射进行传播，接收端接收信号是直射和多个折射、反射波的合成。不同路径的信号到达时间、信号强度都不同，传播过程互相干扰抵消，称为多径衰落。这种多径传播现象一定程度上使传播的信号失真，从而影响室内定位的精度。

表1 基于无线局域网的室内定位技术的比较

在WIFI网络中，移动通信终端在运动的情况下，由于建筑物和其他物体对电波传输路径的阻挡而在传播接收区域上产生半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随着移动通信终端位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应是产生慢信号衰落的主要原因。而信号的衰落或变化也会影响室内定位系统的判断，从而影响定位精度。

信号接发射设备的性能也是影响信号传播的重要因素。发射频率高的发射端发射的信号强度较高，但由于频率较高需要能量大，且信号容易被障碍物干扰、吸收，所以传播信号的距离短。发射频率低的发射端需要的能量较小，其发射的信号穿透力强，传播的距离较远，但是信号强度较弱不利于接收设备的接收信号判断。接收端与发射端同等重要，接收端接收灵敏度的好坏对信号的接收强度要求不同，灵敏度高的可以接收信号强度低的信号。接收灵敏度这个参数本身包含了处理噪声系数、干扰等影响。

另外，接入点的天线布设、用户端的运动情况、室内环境特性，如温度和湿度也会影响定位精度。

2 位置指纹定位技术的典型算法

在众多的位置指纹定位算法中，最近邻法和贝叶斯概率算法受到广泛的研究和应用[5-7]。

2.1 最近邻法

最近邻法通过给定的检验样例和它相似的训练样例进行对比来定位。最近邻法算法在定位时，移动通信终端节点获取接入点发射的信号强度，记为S=( )

s1,s2,…,sn；其中n为接入点的个数，然后将该信号强度S与指纹数据库中的指纹数据Fi=( )r1,r2,…,rn进行匹配，从而获得移动通信终端的位置信息。移动通信终端的位置指纹S与位置指纹数据库中的指纹数据的邻近性用两者间的距离来度量，如欧几里德距离，见式（1）。

对于移动通信终端的位置指纹S和它最接近的位置指纹所对应的位置见式（2）。

2.2 贝叶斯概率法

通过贝叶斯分类预测类成员关系的可能性，并以此为基础计算的定位方法称为贝叶斯概率法。利用贝叶斯概率法定位过程为：首先，假设在室内定位空间产生一个位置指纹，记作{F1,F2,…,Fi} ，且每个位置指纹与一组接入点的信号强度{L1,L2,…,Li} 有一一对应关系。在实时定位阶段，移动终端的一个实时位置指纹的信号强度表示为S，其包含n个接入点信号强度的平均值，即S=(s1,s2,…,sn)。所以贝叶斯概率法就计算实时位置指纹与位置指纹数据库的匹配概率，表示为p(Li|S)。由贝叶斯定理可以推导出公式（3）：

其中：L为指纹参考点个数；p()Li为移动终端出现在指纹参考点Li位置上的概率，通常认为p()Li是均匀分布的。因为不同的接入点发出的信号强度各自不同，由概率分布知识得出某一位置指纹处的接收信号强度服从高斯正态分布，得出表达式（4）。

其中，u和δ表示信号强度的平均值和标准偏差。最后采用最大后验假设得到估计的用户位置，见式（5）。

3 2.4GHz、5GHz信号在WIFI网络的传播特点分析

3.1 2.4GHz无线技术概述

2.4 GHz信号是在世界范围内公开使用的无线频段，而基于2.4GHz信号的WIFI网络技术是一种短距离、广泛使用的无线传输技术，无线通信技术在2.4GHz频段下工作的设备可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力。

2.4 GHz频段具有适用范围广、带宽高、耗电低等优点。它是一个全球性的频段，开放性较高，所有无线通信产品均可使用该频段，目前广泛用于无线建设及无线宽带路由器等室内场合。在移动通信终端中，所有携带无线网卡的设备都以2.4GHz频段为标准，它系统兼容性强、数据传输频率优势明显、允许双向传输，且抗干扰性强，传输距离远；而且2.4GHz无线电和天线的体积小，芯片集中，减少耗电。因2.4GHz信号无线技术的优势，各厂家不断研究推出新技术，使得此技术发展迅速。另一方面，由于2.4GHz ISM频段存在频段重合，大部分无线技术都采用该频段，其他干扰源的信号干扰，如家用电器、微波干扰等，使得该频段信号传输拥挤，传输信号失真严重。

规定WIFI在2.4GHz无线电波频段进行通信的标准有802.11b、802.11g、802.11n（双频段标准）。其信道分布在2 041-2 483MHz的频谱之间，相邻的多个信道存在重叠现象，只有1、6、11信道完全不重叠，如图4所示。图中的1、6、11信道非重叠可同时被使用在同一个自由空间中。

图4 WIFI信道分布

3.2 5GHz无线技术概述

工作在5GHz频段的WIFI标准主要有802.11a、802.11n（双频段标准）、802.11ac。5GHz频段的频谱资源在世界各国分配不同，在WIFI联盟2010发布的《802.11n System Interoperability Test Plan》中规定，共有24个可用信道，每个信道频宽为20MHz，且互不重叠。在我国可用的5GHz频段有5个信道。

5GHz频段比2.4GHz频段的波长小一半左右，波长为6cm。其传播特性与2.4GHz频段的电磁波有以下几方面不同：

高频段的功率衰减受距离变化的影响大，两者呈现正相关的变化趋势。根据自由空间路径损耗计算公式，见公式（6），计算得出在相同距离下5GHz比2.4GHz载波的路径损耗大8dB，即工作频率为5GHz的通信网络在发射功率相同的情况下，其覆盖范围半径是工作频率为2.4GHz的通信网络覆盖范围半径的一半。

高频段的信号传播穿透能力比低频段的弱，抗衰落性差，穿透损耗高。微波穿透尺寸远大于波长的障碍物的路径损耗称为穿透损耗。工作频段为2.4GHz的微波穿透损耗为10-20dB，5GHz的微波穿透损耗为20-45dB。

高频频段的微波方向性好，5GHz频段的角度扩展小于2.4GHz频段的角度扩展。但其形成比2.4GHz频段更严重的阴影区，因为较好的方向性在一定程度上降低其绕射能力。在实验检测中5GHz频段在障碍物后面的信号强度显出较低水平。

3.3 基于2.4与5GHz信号的802.11n标准定位技术分析

802.11 n是为了使无线局域网达到以太网的性能水平，以高带宽、高质量的WLAN服务为标准的无线传输协议。其结合了多种技术，包括Spatial Multiplexing（Multi-In,Multi-Out）、20 和 40MHz信道和2.4GHz、5GHz双频率。随着用户对WIFI技术提出越来越高的要求，传统的802.11技术已经无法支撑，于是新一代WLAN接入技术诞生。据国际WI-FI联盟组织2009年初公布的802.11n产品的认证增长率数据显示，世界范围内有超过500款的802.11n设备完成认证，认证增长率与硬件普及率也逐年增长。认证的增加使得具备2.4和5GHz频率的双频率WIFI接入点越来普及。在本课题的实验对象就配有2.4与5GHz信号的双频率WIFI网络。另外，随着智能手机技术的不断发展，现在大部分智能手机或者平板电脑都配备了双频率无线网卡，如苹果手机、三星智能手机、第三代小米手机，平板电脑等。这些硬件设备为本文研究和实现基于2.4与5GHz信号相融的WIFI网络定位提供了硬件基础。

2.4 GHz频段具有适用范围广、带宽高抗干扰能力强、穿透力强、传输距离远等特点。但由于2.4GHz频段存在频段重合，大部分无线技术都采用该频段，加之其他干扰源的干扰，使得2.4GHz频段的信道相互干扰严重，削弱了信号传输的真实性，从而影响基于2.4GHz信号WIFI网络定位的定位精度。5GHz频段具有独立不重叠的信道，不存在因信道重叠拥挤而影响信号的传输，但是存在高频段中，随着距离增加功率衰减的速度快、抗衰落性能弱、路径损耗大、环射能力低、阴影区大等传输特点，不能单独在WIFI网络中定位。根据上述两种频率的传播特点，本文选取两种频率的优势特点进行结合，重点研究2.4与5GHz信号相融的WIFI位置指纹定位算法，从而提高室内定位的精度。

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