CN103513229A - 基于wifi信号的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法，在二维空间中设置n个锚节点N₁，N₂...N_n，所述n个锚节点为位置坐标(x₁，y₁)，(x₂，y₂)...(x_n，y_n)固定且已知的无线AP，在二维空间中任意选取一点作为待定位节点N_e，所述待定位节点N_e的位置坐标(x，y)固定且未知，再在待定位节点Ne相邻位置选取m个点作为未知节点M₁，M₂...M_m，测量各个锚节点在待定位节点N_e的信号强度值RSSI_1e，RSSI_2e...RSSI_ne，测量各个锚节点在各个未知节点N_i的信号强度值RSSI₁₁，RSSI₁₂...RSSI_nm，这种基于WIFI信号的定位方法精简而高效，不仅定时耗时短，而且最终取得待定位节点的位置坐标是可靠而精确的。

Description

基于WIFI信号的定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于WIFI信号的定位方法，用在卫星信号遮挡严重的室内或者被密集建筑物遮挡的地方，。

背景技术

众所皆知，包括谷歌和百度室内导航地图主要是基于全球定位系统GPS和手机信号发射塔来实现导航，GPS虽然是迄今为止最为成功的定位系统，但每次GPS完成定位都需要捕获至少4颗在轨卫星的信号，初始化时间长，而且在一些室内和高楼密布的城区等地方，信号遮挡严重，可用性也受到严重制约。

WIFI是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是基于IEEE802.11标准的无线网路。无线AP（无线访问节点），主要有路由交换接入一体设备和纯接入点设备，一体设备（路由器）执行接入和路由工作，纯接入设备只负责无线客户端的接入，纯接入设备通常作为无线网络扩展使用，与其他AP或者主AP连接，以扩大无线覆盖范围，而一体设备一般是无线网络的核心；WIFI在目前已经得到广泛的应用，一般在城镇，人口较密集的地区，趋向于在任何一处，打开手机或者PDA的无线网络搜索功能可以搜索到多个无线AP所发出的信号；在这种条件下，

WIFI定位成为国内外热门研究的热点，这一课题涉及普适计算(PervasiveComputing)、无线传感网(Wireless Sensor Network)、自组织网(Ad-HocNet·work)、智能机器人(Intelligent robotics)和泛在互联(UbiquitousNetwork)等诸多新兴研究领域的交叉，与物联网(Internet of Things)行业也有着密不可分的关系。

WIFI定位从依据的物理量划分，包括基于信号传播时间的TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time—Difference Of Arrival)和RTOA(Round-Trip Of Arrival)，基于信号传播方向角的AOA(Angle of Arrival)以及基于射频信号强度的

RSS(Radio Signal Strength)方法等；从定位使用的算法划分，主要包括接人点位置近似(Approximation)、三角定位(Triangulation)和场景分析(SceneAnalysis)等，其中场景分析的算法是目前室内无线定位研究的主流方向，因其中大多数算法是基于WIFI信号强度（RSS）与位置相关这一基本原理。

无线信号在空间的衰减与传播距离存在一定的函数关系。在仅考虑地面反射波的情况下，无线AP信号遵循对数正态传播衰减模型：

PL(d)＝PL(d_O)+10nlog(d)+X_σ

其中PL(d)表示与发射端距离为d处的AP信号强度，以dBm为单位计量，d_O为一个固定基准距离，n为一个与传输介质有关的常数，X_σ表示一个高斯分布随机变量。由于包含温湿度在内的诸多因素都会改变介质参数n，此外，AP信号发射源的功率也不会维持恒定，在基准距离上的d_O也会随时间变化；因此，即使估算出的模型参数再准确，求得的距离d任然存在较大的误差。

目前根据移动终端定位时的状态，对于RSSI信号处理可以分为静态动态两种，动态RSSI信号处理方法是针对实时/移动定位时信号处理时间过长、跟不上移动的速度、造成位置偏差，导致产生较大的定位误差，而提出的一种RSSI信号处理方法。该方法的优点是实时性好，但是准确度低，导致定位精度差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决目前利用无线AP的信号强度值来进行WIFI定位的方法具有误差大，准确度低，延迟较高的问题，本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于WIFI信号的定位方法，包括以下步骤：

（a）在二维空间中设置n个锚节点N_i,N₂...N_n，所述n个锚节点为位置坐标(x₁，y₁)，(X₂，y₂)...(x_n，y_n)固定且已知的无线AP，在二维空间中任意选取一点作为待定位节点N_e,所述待定位节点N_e的位置坐标(x，y)固定且未知，再在待定位节点N_e相邻位置选取m个点作为未知节点M₁，M₂...M_m，测量各个锚节点在待定位节点N_e的信号强度值RSSI_1e，RSSI_2e...RSSI_ne，测量各个锚节点在各个未知节点N_i的信号强度值RSSI₁₁,RSSI₁₂...RSSI_nm；

（b）通过公式

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{|{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}|}---\left(1\right)$

得到ω_ij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值；

（c）通过公式

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\·{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

得到

为第i个锚节点在待定位节点的信号强度估计值；

（d）通过公式

${\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}+{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}}{2}---\left(3\right)$

得到RSSI′_ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值；

（e）通过公式

RSSI′_ie=RSSI_Oi+10γlogd_i+Xσ            (4)

求得d_i为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离，式中，RSSI_Oi为第i个锚节点的基准距离d_O的信号强度值，γ为传输介质常数，X_σ表示高斯变量随即分布；

（f）测量第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hops_ab(a≠b，a=1，2...n，b=1，2...n)，通过公式

$C_a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}}{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n{\mathrm{hops}}_{\mathrm{ab}}}---\left(5\right)$

得到C_a为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距，再通过公式

$\mathrm{cc}=\frac{{\mathrm{\ΣC}}_a}{n}---\left(6\right)$

得到cc为整个网络的平均跳距；

（g）第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′_i，则存在关系：

d′_i＝d_i+ΔE(d_i)                 (7)

式中ΔE(d_i)表示误差，将ΔE(d_i)表示为d_i的一次函数，即：

ΔE(d_i)=Ad_i+B                         (8)

为使测量误差ΔE(d_i)最小，可知只需使其平方和最小即可，令：

$f(A,B)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[\mathrm{\ΔE}\left(d_i\right)-({\mathrm{Ad}}_i+B){]}^2---\left(9\right)$

分别对f(A，B)求关于变量A，B的偏导数，并求解可得ΔE(d_i)；

（h）测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为k_i，则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离

d_i=cc*k_i*(1+ΔE(d_i)；                  (10)

（i）建立方程组:

$\left\{\begin{array}{c}(x-x_1)+(y-y_1)=d_1\\ .\\ .\\ .\\ (x-x_i)+(y-y_i)=d_i\end{array}\right.---\left(11\right)$

最终解得待定位节点N_e的位置坐标(x，y)。

具体的，所述步骤（e）中的d_O=1，X_σ=2。

具体的，使用n个路由器互联作为锚节点并与服务器连接，使用手持移动设备采集信号强度值，并上传至服务器，所述服务器对测得数据进行处理。

每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播，接收到数据包的锚节点只保留同一锚节点含最小跳数的数据包，再将这一最小跳数加1继续向其它锚节点转发，从而获得任意二个锚节点之间的最小跳数hops_ab。

一般信号强度值的采集频率为5Hz，而1秒内采集设备的位置改变不会太大，相邻节点的相关性不会受到环境影响而产生减小，因此未知节点的数量为5个，则步骤（c）中， $\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\·{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}.$

本发明的有益效果是，这种基于WIFI信号的定位方法主要分为信号采集、信号处理和最终定位三个主要步骤，信号强度值中由于设备或者环境等因素而产生突变的奇异值，信号处理中对奇异值进行了修正，帮助提高了后续的计算效率和准确度，对进行奇异值修正后的信号数据又采用加权滤波的方法进行处理，减小了测量误差；整个定位方法精简而高效，不仅定时耗时短，而且最终取得待定位节点的位置坐标是可靠而精确的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明基于WIFI信号的定位方法的流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法，包括以下步骤：

（a）在二维空间中设置n个路由器互联作为n个锚节点N₁，N₂...N_n，并与服务器连接，所述n个锚节点为位置坐标(x₁，y₁)，(x₂，y₂)...(x_n，y_n)固定且已知的无线AP，在二维空间中任意选取一点作为待定位节点N_e，所述待定位节点N_e的位置坐标(x，y)固定且未知，再在待定位节点N_e相邻位置选取m个点作为未知节点M1,M2...Mm，使用手持移动设备采集信号强度值，测量各个锚节点在待定位节点N_e的信号强度值RSSI_1e，RSSI_2e...RSSI_ne，测量各个锚节点在各个未知节点N_i的信号强度值RSSI₁₁,RSSI₁₂...RSSI_nm并上传至服务器，所述服务器对测得数据进行处理；

（b）通过公式

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{|{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}|}---\left(1\right)$

得到ω_ij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值；

（c）通过公式

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\·{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

得到

为第i个锚节点在待定位节点的信号强度估计值，信号强度值的采集频率为5Hz，而1秒内采集设备的位置改变不会太大，相邻节点的相关性不会受到环境影响而产生减小，因此m=5；

（d）通过公式

${\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}+{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}}{2}---\left(3\right)$

得到RSSI′_ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值；

（e）通过公式

RSSI′_ie=RSSI_Oi+10γlogd_i+X_σ             (4)

求得d_i为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离，式中，RSSI_Oi为第i个锚节点的基准距离为1的信号强度值，γ为传输介质常数，X_σ表示高斯变量随即分布，等于2；

（f）每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播，接收到数据包的锚节点只保留同一锚节点含最小跳数的数据包，再将这一最小跳数加1继续向其它锚节点转发，从而得到第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hops_ab(a≠b，a=1，2...n，b=1，2...n)，通过公式

$C_a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}}{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n{\mathrm{hops}}_{\mathrm{ab}}}---\left(5\right)$

得到C_a为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距，采用洪泛法将含有C_a值的数据包在整个网络中进行广播，每个未知节点在接收数据包时，仅保留一个，并丢弃之后收到的数据包。这样可以保证大多数未知节点从最近的锚节点接收到C_a值，再通过公式

$\mathrm{cc}=\frac{{\mathrm{\ΣC}}_a}{n}---\left(6\right)$

得到cc为整个网络的平均跳距，并将其在网络中进行广播，未知节点接收cc，更新自身的数据表；

（g）第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′_t，则存在关系：

d′_t＝d_i+ΔE(d_i)                    (7)

式中ΔE(d_i)表示误差，将ΔE(d_i)表示为d_i的一次函数，即：

ΔE(d_i)=Ad_i+B                      (8)

为使测量误差ΔE(d_i)最小，可知只需使其平方和最小即可，令：

分别对f(A，B)求关于变量A，B的偏导数，并求解可得ΔE（d_i）；

（h）测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为k_i，则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离

d_i=cc*k_i*(1+ΔE（di）；                     (10)

（i）建立方程组:

$\left\{\begin{array}{c}(x-x_1)+(y-y_1)=d_1\\ .\\ .\\ .\\ (x-x_i)+(y-y_i)=d_i\end{array}\right.---\left(11\right)$

最终解得待定位节点N_e的位置坐标(x，y)。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于WIFI信号的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）在二维空间中设置n个锚节点N₁，N₂...N_n，所述n个锚节点为位置坐标(x₁，y₁)，(x₂，y₂)...(x_n,y_n)固定且已知的无线AP，在二维空间中任意选取一点作为待定位节点N_e，所述待定位节点N_e的位置坐标(x，y)固定且未知，再在待定位节点N_e相邻位置选取m个点作为未知节点M₁，M₂...M_m，测量各个锚节点在待定位节点N_e的信号强度值RSSI_1e，RSSI_2e...RSSI_ne，测量各个锚节点在各个未知节点N_i的信号强度值RSSI₁₁，RSSI₁₂...RSSI_nm；

（b）通过公式

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{|{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}|}---\left(1\right)$

得到ω_ij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值；

（c）通过公式

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\·{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

得到

为第i个锚节点在待定位节点的信号强度估计值；

（d）通过公式

${\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}+{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ie}}}{2}---\left(3\right)$

得到RSSI′_ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值；

（e）通过公式

RSSI′_ie＝RSSI_Oi+10γlogd_i+X_σ                       (4)

求得d_i为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离，式中，RSSi_Oi为第i个锚节点的基准距离d_O的信号强度值，γ为传输介质常数，X_σ表示高斯变量随即分布；

（f）测量第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hops_ab（a≠b，a=1，2...n，b=1，2...n)，通过公式

$C_a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}}{{\mathrm{\Σ}}_{b\≠a,b=1}^n{\mathrm{hops}}_{\mathrm{ab}}}---\left(5\right)$

得到C_a为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距，再通过公式

$\mathrm{cc}=\frac{{\mathrm{\ΣC}}_a}{n}---\left(6\right)$

得到cc为整个网络的平均跳距；

（g）第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′_i，则存在关系：

d′i＝d_i+ΔE(d_i)             (7)

式中ΔE(d_i)表示误差，将ΔE(d_i)表示为d_i的一次函数，即：

ΔE(d_i)=Ad_i+B                     (8)

为使测量误差AE(dz最小，可知只需使其平方和最小即可，令：

$f(A,B)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[\mathrm{\ΔE}\left(d_i\right)-({\mathrm{Ad}}_i+B){]}^2---\left(9\right)$

分别对f(A，B)求关于变量A,B的偏导数，并求解可得ΔE(di)；

（h）测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为k_i，则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离

d_i=cc*k_i*(1+ΔE(d_i)；                    (10)

（i）建立方程组:

$\left\{\begin{array}{c}(x-x_1)+(y-y_1)=d_1\\ .\\ .\\ .\\ (x-x_i)+(y-y_i)=d_i\end{array}\right.---\left(11\right)$

最终解得待定位节点N_e的位置坐标(x，y)。

2.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法，其特征在于：所述步骤（e）中的d_O=1，X_σ=2。

3.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法，其特征在于：使用n个路由器互联作为锚节点并与服务器连接，使用手持移动设备采集信号强度值，并上传至服务器，所述服务器对测得数据进行处理。

4.如权利要求3所述的基于WIFI信号的定位方法，其特征在于：每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播，从而获得任意二个锚节点之间的最小跳数hops_ab。

5.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法，其特征在于：步骤（c）中， $\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{le}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\·{\mathrm{RSSI}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}.$

Images