基于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术的研究与应用

陈金龙 刘忞劼

（桂林电子科技大学 广西壮族自治区桂林市 541004）

1 绪论

1.1 研究背景

Wi-Fi 网络与设备的广泛应用，以及智能移动终端的大范围普及，使得基于Wi-Fi 的内部定位技术受到了多方关注。GPS 无法处理是室内定位的相关问题，而且Wi-Fi 在绝大多数室内环境中都能搜索到。所以如果没有额外硬件的话，最省钱的办法就是利用Wi-Fi 完成定位工作。以往的基于角度、时间的定位方法，与Wi-Fi并不相符。在过去10年里，都习惯于使用位置指纹识别，而且在定位室内Wi-Fi 场景中可以发挥出色表现。目前的室内定位方法有超宽带信号、超声波和蓝牙等，这些短距离的无线信号可以结合对应的算法完成定位任务。但是，这些定位方法虽然能够实现高精度定位，可实施起来却没那么简单，并且需要投入大量的资金，只能应用于小范围区域。现阶段，Wi-Fi 接入点在公共场所中比较常见，比如地铁站、医院等，采取Wi-Fi 技术定位的方法，除了能降低定位设备的资金投入以外，其精度水平也比较强大。

1.2 研究的意义与价值

在移动互联网时代，人民群众对于定位的准确性需求不断提高，例如在大型商业广广场以及医院当中，人们不能快速的找到门店和科室。这样就拉动了室内定位技术的发展，人们利用室内定位导航可以根号的到达目的地，在当下的社会发展过程当中室内定位的需求不断增加。详细介绍了基于位置指纹在Wi-Fi 室内定位的原理，对于Wi-Fi 的信号进行了建模使用，根据Wi-Fi 信号的特点，分析研究在室内定位当中影响精确度的原因，根据室内的实际情况构建栅格地图，对于采集的信号进行建模，针对建模当中存在的问题，建立指纹库提供信号的选择。对于采集到的数据进行滤波分析，实现了指纹库区域的划分，使用rssi 信号的强度进行聚类处理，编写仿真程序，随机采集数据，通过对比分析提高精确度。设计以安卓系统为根本的样本APP，进行实际的测定并做好成果的整理工作。

1.3 研究方法

1.3.1 文献研究法

本次研究主要在研究的初期阶段对于研究的内容进行了大量的整理，在进行整理的过程当中出现了较多的问题，但是本人充分利用互联网资料以及学校的图书资源，对于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术进行了全面的分析研究，搜集了大量的Wi-Fi位置指纹的室内定位的资料，分析相关的技术，希望在对于这些资料进行分析研究的基础上，总结出研究的情况，发现当下研究的进展情况，全面提高研究的真实性和实践性。

1.3.2 信息研究法

信息研究法其实通俗来说就是利用信息资源去实现资料的查询和借鉴，美国著名学者维纳认为在客观世界所有的事物都存在一种较为普遍的联系，就是信息联系，目前我国信息科技高速发展，电脑和手机的普及大幅度提高，有大量的信息资源可以开发利用。通过互联网查询相关的Wi-Fi 指纹的室内定位技术的资料收集，整理大量的资料，进行资料汇总，并且经过筛选分析之后，运用本次研究。

2 研究关键概念界定

2.1 基于Wi-Fi的室内定位技术

无线保真属于无线网络技术的范畴，比如蓝牙就是最成功的一款产品。通过对Wi-Fi 的应用，即便是没有电缆通信，终端设备与设备的通信也能通过单播、广播的模式得以实现。Wi-Fi 使用ISM通信频段，所有人都可以通过无线方式来访问Internet 与LAN，并且具有Wi-Fi 网络的设置权限。用户通过部署Wi-Fi 接入点，从而连接到Wi-Fi 网络，再通过支持Wi-Fi 的设备实现无线Internet 访问的效果。凭借着发射功率低、覆盖范围广和传输速度快等优势，我们在学校、家庭、机场等公共场所都能搜索和使用Wi-Fi。

2.2 位置指纹中的Wi-Fi室内定位

当信号在无线空间进行传播的过程中，功率、距离之间存在反比的关系，造成一点处信号能量反映信号，即为传输终端的实时位置。现阶段对于RSSI 方法我们需要确定相关位置，方法主要如下所示，分别是指纹定位和信号传播的定位模式，根据信号的传播方法可以使用计算相关的无线信号，并且AP 的位置已经明确的对于检测信号强度模型的AP 和目标的距离，使用相关的定位方法，对于相关的目标进行定位评估，这样的方法是在传播模型进行分析。现实当中室内环境的复杂性较大，导致房间当中描述无线信号的模型不足，精确度较低，定位的精确度不能得到两哈偶读提升。其次还有一种在定位的区域当中限定相关的参考点以及信号的强度，得出信号强度和物理位置当中存在的联系，使用定位算法实现目标端的定位。

只有当指纹数据库处于位置区域中，才能发挥指纹位置定位法的作用。一般来说，要分成两个步骤进行，第一，离线指纹数据当中进行构建分析，其次需要进行在线定位阶段分析，对比算法需要更加使用与勘测的RSSI 体系当中，做到构建指纹数据库，对于估计位置的角度来说，在在线模式下，移动终端当中需要使用信号接收的模式提出相应的问题，实现对于指纹库的在线配对，选择最恰当的坐标体系。

2.3 室内定位问题分析

现目前，随着城市的快速发展，各种大型商业建筑，地下停车场，高层建筑数量不断增加，面积和高度不断上升，人们的出行以及购物集中在这些繁琐复杂的大型空间当中，这些室内空间当中很容易迷失方向，顾客需要了解自己所在的位置，规划相应的路线。但是因为GPS 技术现阶段不够完善，会受到墙壁等障碍物的遮挡，不能对于室内进行良好的定位。国内外很多机构和学者也开始研究和发展室内定位技术，传统模式的室内定位技术当中存在较多缺陷，基于指纹Wi-Fi 定位指纹库的研究可以良好的解决这些问题，全面提高室内定位的精确度。通过在定位过程当中对于定位精确度的影响因素进行分析，对于实际的影响进行研究，构建相应的聚类算法指纹库，完成仿真分析，首先需要构建相应的指纹数据库，其次需要进行在线定位，基于比较算法在勘测的RSSI 当中非常适用，构建相应的指纹库，在位置当中的应用，在线模式当中接收信号和离线的指纹库进行比对，选择出相似度最高的坐标，就可以进行路线的规划。

3 基于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术的研究

本文主要以Wi-Fi 信号的MAC 物理地址以及rssI 信号强度作为实际的研究对象，我们使用Wi-Fi 信号的物理地址和信号强度包含的衰竭进行室内定位，针对传统基于位置指纹的Wi-Fi 定位存在一定偏差的问题，我们通过改变定位之文库提高精确度，分析导致室内定位过程当中的实际影响因素作为最终的切入点，通过聚类算法构建指纹库进行仿真分析研究。本文主要的研究内容如下：

首先根据Wi-Fi 信号的特点，制定基于Wi-Fi 信号的基本模式方案，通过不同定位的方法确定切入，使用贝叶斯高斯改了模型和信号衰竭模型，使用不同的定位方法，寻找优缺点，全面完善定位方法，提供相应的理论依据和基础。不同信号强度下Wi-Fi 信号特点如表1所示。

表1：不同信号强度下Wi-Fi 信号特点

针对室内定位当中存在的影响因素进行分析研究，根据Wi-Fi信号传播的实际特点，提出减轻误差的方法模式，对比不同信号强度下的Wi-Fi 特点，了解了Wi-Fi 信号存在强度偏移的问题，针对这一问题提出了聚类算法降低室内定位当中的影响因素。信号离散度对比如表2所示。

表2：信号离散度对比

（1）区域指纹库划分。基于安卓系统构建实时定位，测试聚类指纹库在最终环境当中的定位效果，显示在界面，选取测试点，分析定位稳定性，达到最终的目标。

（2）通过测量值以及指纹库进行位置计算。在位置指纹的当中主要研究都集中在定位的两个模式当中，分别是离线和在线，离线模式当中构建相应的资源数据库，实现在任何地点任何时间手机相应的指纹，这需要对于一个区域进行反复多次的研究，取得的数据构建为训练集，系统本身需要不断浓度寻找设备的位置，本文就主要对于这两个阶段进行全面地名小时，构建环境坐标当中的具体坐标。

（3）离线阶段。调整指纹的位置一般需要在离线阶段进行，例如以下的场景，地理的区域可以划分为32 个网格点和两个接入点，在每一个网格点当中，这些平均RSS 在数据的获取周期当中进行确定，移动移动数据设备可以在数据的获取器件，提供不同的方面和角度。

虽然对于RSS 样本坐标点是存在实际空间当中的，以网格点的形式出现，这就导致信号空间当中的地点足迹不是太规则，一部分的信号矢量在物理空间的间隔可以进入信号空间，最终导致错误率全面上升，甚至还会直接干扰定位。

（4）在线阶段。进行在线测试的过程当中，这过程当中设备也处在这个位置当中，但是是在不知道其特定位置的模式下，假设当前设备的测量地点是来自于一个接入点的RSSI，我们测量的设备也是单个样本，经过AP 之后测量的RSS，数据上传到网络当中进行数据规划。

4 总结

无线保真属于无线网络技术的范畴，比如蓝牙就是最成功的一款产品。通过对Wi-Fi 的应用，即便是没有电缆通信，终端设备也能以单播、广播的模式与设备进行通信。由于Wi-Fi 使用的是ISM通信频段，所有人都能以无线方式对Internet、LAN 实现访问，并且具有Wi-Fi 网络的设置权限。用户可以对Wi-Fi 接入点进行部署，与Wi-Fi 网络完成连接，再通过支持Wi-Fi 的设备实现无线Internet访问的效果。凭借着发射功率低、覆盖范围广和传输速度快等优势，我们在学校、家庭、机场等公共场所都能搜索和使用Wi-Fi。本文主要对于室内定位的需求和最终的发展情况进行了大量的研究，分析对比了国内外定位技术当中存在的问题，通过对于传统定位技术的分析，验证传统定位技术当中存在的问题，针对Wi-Fi 在空间当中衰减的规律，使用物理地址进行滤波分类，使用领域均值的录播方法排除聚类指纹库当中存在的差异和影响，以安卓系统为平台构建了相应的app，进行实地检验。