吳　幫，花向紅，邱衛(wèi)寧，馮　健，許　利

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測與

防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 慈利縣國土資源局國土測繪隊(duì)，湖南 張家界 427200)

?

同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差對(duì)WiFi定位的影響及修正研究

吳幫1,2，花向紅1,2，邱衛(wèi)寧1,2，馮健1,2，許利3

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測與

防治研究中心，湖北 武漢 430079； 3. 慈利縣國土資源局國土測繪隊(duì)，湖南 張家界 427200)

Effect of Isomorphic Devices’ RSSI System Deviation to WiFi Positioning and Modification Research

WU Bang，HUA Xianghong，QIU Weining，F(xiàn)ENG Jian，XU Li

摘要：對(duì)同構(gòu)設(shè)備之間的RSSI系統(tǒng)偏差進(jìn)行了研究。通過對(duì)室內(nèi)外環(huán)境下同構(gòu)設(shè)備RSSI采集試驗(yàn)的分析，說明了同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小。在此基礎(chǔ)上，給出了指紋點(diǎn)均值修正同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差對(duì)WiFi定位影響的方法。試驗(yàn)表明，本文的RSSI系統(tǒng)偏差修正方法是可行的，能夠改善和提高WiFi定位精度。

關(guān)鍵詞：WiFi定位；同構(gòu)設(shè)備；RSSI系統(tǒng)偏差；偏差修正

目前以GPS為主的GNSS的室外定位技術(shù)應(yīng)用已很成熟，但GNSS在室內(nèi)和室外復(fù)雜環(huán)境下的定位效果卻很不佳。隨著室內(nèi)定位技術(shù)研究的不斷推進(jìn)，室內(nèi)定位技術(shù)得到快速的發(fā)展。目前室內(nèi)定位技術(shù)有很多種，包括基于超聲定位、紅外定位、UWB、RFID、ZigBee、BlueTooth、WiFi等。WiFi以其覆蓋范圍廣、傳輸速度快、無需布線等優(yōu)勢成為當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的主流[1-9]。

不少學(xué)者研究了異構(gòu)設(shè)備對(duì)基于RSSI指紋定位技術(shù)的影響[10]，而考慮到設(shè)備生產(chǎn)廠商的集成芯片制作工藝，可能導(dǎo)致同構(gòu)設(shè)備也會(huì)存在RSSI系統(tǒng)偏差。為了說明同構(gòu)設(shè)備RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小，分別在室內(nèi)和室外環(huán)境下進(jìn)行了同構(gòu)設(shè)備的RSSI數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)；最后又利用同構(gòu)設(shè)備進(jìn)行WiFi定位試驗(yàn)，對(duì)同構(gòu)設(shè)備間的RSSI系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正，以改善WiFi定位的精度。

一、同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差及試驗(yàn)分析

1. RSSI系統(tǒng)偏差

同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差是指同種結(jié)構(gòu)設(shè)備在同一個(gè)物理位置接收到的同一AP的RSSI值的差異[11-15]。假設(shè)同構(gòu)手機(jī)g、h在同一位置接收的同一AP信號(hào)強(qiáng)度特征值分別為RSSIg和RSSIh，則同構(gòu)設(shè)備之間單個(gè)AP的RSSI系統(tǒng)偏差數(shù)學(xué)表達(dá)為

ΔRSSIgh=RSSIh-RSSIg

(1)

若在某一位置，接收到M個(gè)AP的信號(hào)值，則RSSI系統(tǒng)偏差為

(2)

2. 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了說明同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差的存在和大小，分別在室外和室內(nèi)進(jìn)行了多組RSSI采集試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1　設(shè)備參數(shù)

室外試驗(yàn)：選用3部同構(gòu)紅米手機(jī)，1部MI2S手機(jī)，1個(gè)FWR310無線路由器，1個(gè)TL-MR13U無線路由器。試驗(yàn)地點(diǎn)在武漢大學(xué)測繪學(xué)院院樓頂，環(huán)境空曠，無遮擋物。試驗(yàn)時(shí)將4部手機(jī)同時(shí)放在與路由器距離分別為0.3、0.5、0.8、1、1.5、2、2.5、5、10、15、20 m的位置點(diǎn)上采集并排放置的2個(gè)路由器發(fā)射的RSSI數(shù)據(jù)。采樣率設(shè)置為1 s,采樣時(shí)間為5 min。

室內(nèi)試驗(yàn)：選用5部同構(gòu)紅米手機(jī)，1個(gè)FWR310無線路由器，2個(gè)TL-MR13U無線路由器，1個(gè)AC930無線路由器，1個(gè)TL-WR710N無線路由器。試驗(yàn)地點(diǎn)在武漢大學(xué)測繪學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，考慮到室內(nèi)的寬度，試驗(yàn)時(shí)任意選取了不在同一直線上的5個(gè)位置，5部手機(jī)同時(shí)在5個(gè)位置上逐一采集，路由器位置分布在試驗(yàn)室四周。采樣率和采樣時(shí)間與室外保持一致。

考慮到多組試驗(yàn)結(jié)果相近，限于篇幅，圖1和圖2給出了室外其中一組與室內(nèi)其中一組試驗(yàn)的結(jié)果。

圖1　室外RSSI采集結(jié)果

圖2　室內(nèi)RSSI采集結(jié)果

由圖1可以看出，異構(gòu)手機(jī)(MI2S與紅米手機(jī))之間RSSI值差異很明顯，這符合異構(gòu)設(shè)備之間系統(tǒng)誤差的一般規(guī)律。同構(gòu)手機(jī)之間的RSSI值發(fā)現(xiàn)在距離值為5、15、20 m處RSSI值差異較大，達(dá)到5 dB以上。從圖2可以看出，同構(gòu)手機(jī)在接收路由器2、4、5的信號(hào)時(shí)，它們之間RSSI的值差異非常明顯，達(dá)到10 dB以上。即試驗(yàn)結(jié)果表明同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差確實(shí)存在，且在室內(nèi)復(fù)雜場景中能達(dá)到10 dB以上。

二、RSSI系統(tǒng)偏差對(duì)WiFi定位影響的修正及試驗(yàn)分析

1. 修正方法

本文采用指紋點(diǎn)均值修正方法對(duì)WiFi定位影響進(jìn)行修正[16-18]。其修正的思想是指以某一個(gè)設(shè)備g為參考，將其與另一個(gè)同構(gòu)設(shè)備h在各個(gè)指紋點(diǎn)上接收到的某個(gè)AP的RSSI系統(tǒng)偏差的均值作為修正標(biāo)準(zhǔn)值,然后利用此修正標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)同構(gòu)設(shè)備h在定位點(diǎn)處接收到的對(duì)應(yīng)AP的RSSI值進(jìn)行修正，再進(jìn)行定位計(jì)算[5-10]。

根據(jù)式(1)—式(2)可得，同構(gòu)手機(jī)g、h在第i個(gè)指紋點(diǎn)處接收的第j個(gè)AP之間的RSSI系統(tǒng)偏差為

(3)

取同構(gòu)手機(jī)g、h的第j個(gè)AP在M個(gè)指紋點(diǎn)處的RSSI系統(tǒng)偏差均值作為修正標(biāo)準(zhǔn)值，則修正標(biāo)準(zhǔn)值的表達(dá)式為

(4)

利用式(4)中修正標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)同構(gòu)設(shè)備h的定位信號(hào)進(jìn)行糾正，得

(5)

然后利用K加權(quán)近鄰(WKNN)指紋定位算法，計(jì)算出定位點(diǎn)的位置坐標(biāo)[19-20]，即

(6)

式中，(x,y)是定位點(diǎn)的坐標(biāo)；(xi,yi)是第i個(gè)指紋點(diǎn)的坐標(biāo)。

為便于分析比較，采用點(diǎn)位誤差ds作為本文的定位精度分析指標(biāo)，即

(7)

式中，(xi,yi)是定位點(diǎn)的定位坐標(biāo)；(xi0,yi0)是定位點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

2. 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證RSSI系統(tǒng)偏差修正對(duì)WiFi定位精度的提高和改善，在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行了多組同構(gòu)手機(jī)指紋點(diǎn)位試驗(yàn)。試驗(yàn)的點(diǎn)位設(shè)計(jì)、網(wǎng)格大小，以及定位點(diǎn)和指紋點(diǎn)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)如圖3所示。指紋點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)，用正方形標(biāo)記，定位點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)，用小圓點(diǎn)標(biāo)記。利用兩個(gè)同構(gòu)手機(jī)同時(shí)采集5個(gè)AP的RSSI值，采樣頻率為1 s，各個(gè)點(diǎn)上的采樣時(shí)間為2 min。

圖3　指紋點(diǎn)與定位點(diǎn)分布

試驗(yàn)時(shí)兩個(gè)同構(gòu)手機(jī)在各個(gè)指紋點(diǎn)和定位點(diǎn)上(各手機(jī)位置保持一致)進(jìn)行同步采集。圖4為某組試驗(yàn)中同構(gòu)手機(jī)在各點(diǎn)上RSSI信號(hào)空間分布，從圖4可以看出， 由于同構(gòu)手機(jī)RSSI系統(tǒng)偏差的存在，導(dǎo)致同構(gòu)手機(jī)之間信號(hào)分布互有差異，影響著WiFi定位的精度。

圖4　同構(gòu)手機(jī)RSSI信號(hào)空間分布

為此，本試驗(yàn)采用指紋點(diǎn)均值修正方法對(duì)同構(gòu)手機(jī)的RSSI偏差進(jìn)行修正。任選1部試驗(yàn)手機(jī)作為參考，將2部手機(jī)在4個(gè)指紋點(diǎn)上每個(gè)對(duì)應(yīng)AP的RSSI偏差的均值作為修正標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)另1部試驗(yàn)手機(jī)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。位置解算時(shí)將非參考手機(jī)的修正定位數(shù)據(jù)和未修正定位數(shù)據(jù)分別進(jìn)行定位解算，并用定位誤差指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。多組試驗(yàn)的結(jié)果相近，選取的某一組試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，經(jīng)過對(duì)RSSI系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正后其定位精度比修正前的定位精度有不同程度的提高和改善，在定位點(diǎn)1位置處，精度提高達(dá)69.1%；在定位點(diǎn)2位置處，精度提高達(dá)71.4%；在定位點(diǎn)3位置處，精度提高達(dá)76.2%；在定位點(diǎn)4位置處，精度提高達(dá)40.4%；這說明同構(gòu)設(shè)備之間的RSSI系統(tǒng)偏差修正能夠改善和提高WiFi定位精度。

三、結(jié)束語

通過同構(gòu)設(shè)備間室內(nèi)和室外環(huán)境下進(jìn)行RSSI采集試驗(yàn)，結(jié)果表明同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差確實(shí)存在，且在室內(nèi)復(fù)雜場景中能達(dá)到10 dB以上。為了對(duì)這種系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正以改善WiFi定位的精度，本文給出了指紋點(diǎn)均值修正同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差對(duì)WiFi定位影響的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用指紋點(diǎn)均值修正方法是可行的，經(jīng)過對(duì)RSSI系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正，其定位精度比修正前的定位精度有明顯的提高和改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]田輝,夏林元,莫志明,等.泛在無線信號(hào)輔助的室內(nèi)外無縫定位方法與關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2009,34(11)：1372-1376.

[2]陳俊勇.GPS現(xiàn)代化和Galileo運(yùn)行準(zhǔn)備的進(jìn)展[J].測繪通報(bào),2005(3):1-5.

[3]汪苑,林錦國.幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討[J].中國儀器儀表，2011(2)：54-57.

[4]張硯炳，沈嘉琪，岳岱安，等.基于手機(jī)內(nèi)置傳感器的無外源信號(hào)室內(nèi)定位方案[J].測繪通報(bào)，2014(10)：60-62.

[5]肖建飛.WiFi定位的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011(17)：77-77.

[6]張威奕,陳秀萬,李穎,等.基于GPS和Zigbee融合的無縫定位方法研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013，34(1):40-44.

[7]孫瑜,范平治.射頻識(shí)別技術(shù)及其在室內(nèi)定位中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005,25(5):1205-1208.

[8]李華蓉,趙一.室內(nèi)定位導(dǎo)航地圖一體化設(shè)計(jì)[J].測繪通報(bào),2015(9):32-35．

[9]譚興龍,王堅(jiān),趙長勝.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS/INS組合導(dǎo)航自適應(yīng)UKF算法[J].測繪學(xué)報(bào),2015,44(4):384-391.

[10]LUI Gough, GALLAGHER T, LI Binghao, et al. Differences in RSSI Readings Made by Different Wi-Fi Chipsets_ A Limitation of WLAN Localization[J]. 2011 IEEE International Conference on Localization and GNSS (ICL-GNSS),2011(9):53-57.

[11]張興. WLAN室內(nèi)定位信號(hào)特征提取算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[12]SHARMA C，WONG Y，F(xiàn)AI S. Access Point Placement for Fingerprint-based Localization[C]∥12th IEEE International Conference on Communication Systems. [S.l.]: IEEE 2010:238-243.

[13]PARK D, PARK J G. An Enhanced Ranging Scheme Using WIFI RSSI Measurementsfor Ubiquitous Location[C]∥2011 First ACIS/JNU International Conference on Computers. Networks: Systems,and Industrial Engineering,2011:296-301.

[14]KAEMARUNGSI K，KRISHNAMURTHY P. Analysis of WLAN’s Received Signal Strength Indication for Indoor Location Fingerprinting[J].Pervasive and Mobile Computing,2012(8):292-316.

[15]陳永光，李修和.基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)[J].電子學(xué)報(bào),2004,32(9)：456-458.

[16]LUO J.Range Error Correction in RSSI-based Wireless Sensor Node Localization[C]∥IEEE International Conference on Mechatronics and Automation(ICMA).[S.l.]: IEEE, 2014：379 - 383.

[17]CAROBBI C F M.Note on the Expected Value and Standard Deviation of the Mismatch Correction[J].IEEE International Conference on Electromagnetic Compatibility,2011,53(4):1098-1099.

[18]ZHANG Zhenghua,DAI Lei,LI Jiawen,et al.Research of Optimizing Weighted Centroid Distance Correction Localization Algorithm Based on RSSI[C]∥The 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments.[S.l.]: IEEE, 2013:552 - 556.

[19]鄭學(xué)偉.基于權(quán)值參數(shù)的WIFI定位算法研究理論與方法[J].國外電子測量技術(shù),2014,33(3):35-37,50.

[20]魏雷.WiFi位置指紋定位技術(shù)研究及仿真器設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0069-03

作者簡介：吳幫(1991—),男，碩士，研究方向?yàn)槎鄠鞲衅餍畔⑷诤蠠o縫導(dǎo)航定位技術(shù)。E-mail：278622917@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41374011；41174010)；精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(PF2013-9)

收稿日期：2015-01-26； 修回日期： 2015-12-04

引文格式： 吳幫，花向紅，邱衛(wèi)寧,等. 同構(gòu)設(shè)備之間RSSI系統(tǒng)偏差對(duì)WiFi定位的影響及修正研究[J].測繪通報(bào)，2016(2)：69-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0051.