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基于KWAP-KNN分區(qū)聚類算法的室內(nèi)定位分析

2023-03-09 03:48河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院信息工程系河南鄭州市450000張海霞
石河子科技 2023年1期
關(guān)鍵詞:發(fā)射裝置維數(shù)分區(qū)

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院,信息工程系,河南鄭州市,450000)張海霞

隨著科技發(fā)展,定位技術(shù)發(fā)展越來越快,幾乎延伸到了各行各業(yè),人們對定位要求越來越精準,僅憑借全球定位系統(tǒng)(GPS)的室外定位已經(jīng)無法滿足人們需求[1-3]。因為移動通訊設(shè)備和Wi-Fi信號的廣泛覆蓋,基于Wi-Fi的室內(nèi)定位算法憑借其成本低、定位精度高且無需其他外設(shè)等優(yōu)點,逐漸成為現(xiàn)階段的研究熱點之一[4]。該定位方法在定位收集信號的過程中,基于Wi-Fi的室內(nèi)定位僅依靠信號接受強度指示(RSSI)就可以完成定位,但由于障礙物遮擋、環(huán)境變化等多重因素引起的時效性、多徑效應(yīng)等問題,RSSI信號存在誤差,在極大程度上影響著室內(nèi)定位的精度[5]。因此,對基于Wi-Fi的室內(nèi)定位研究十分必要。

1 分區(qū)聚類算法

1.1 WAP聚類算法

目前,通??梢赃x擇在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network,WSN)應(yīng)用系統(tǒng)中加入移動節(jié)點的方法來實現(xiàn)更加靈活地完成現(xiàn)場監(jiān)測過程,但是如何對動態(tài)過程采用具備低能耗與高精度的WSN節(jié)點進行定位是現(xiàn)階段眾多研究人員需要解決的問題等。

AP聚類算法中以p作為節(jié)點為聚類中心的度量。由于環(huán)境、人員流動、多徑效應(yīng)等因素的影響,不同信號接收裝置接收到RSSI信號值存在差異,僅憑借歐氏距離計算S,選取矩陣中值或者均值作為相似性度量,會導致定位結(jié)果不準確。針對上述問題,本文引入熵值法對S相似度進行優(yōu)化后,對優(yōu)化后的p進行加權(quán)處理,已獲得更加準確的粗定位結(jié)果。

熵值法用來判斷指標的離散程度。將每個節(jié)點的一組RSSI值作為輸入計算權(quán)重,并將得到的權(quán)重作為不同信號接收裝置對該節(jié)點的影響因子。其中,針對異質(zhì)特征維數(shù)同質(zhì)化問題,需要將特征維數(shù)的標準化處理。首先歸一化處理數(shù)據(jù),計算正向特征維數(shù)和負向特征維數(shù)數(shù)值。

正向特征維數(shù):

負向特征維數(shù):

將一組RSSI值作為輸入,熵值法具體計算公式如下:

其中,RSSIij為指紋庫中第i個數(shù)據(jù)點的第j個RSSI值,i=1,2,…,n;j=1,2,…,N,n為樣本數(shù),N為RSSI值數(shù),j表示權(quán)重。則節(jié)點i,k之間的相似度計算方式為:

通過得到的權(quán)值計算數(shù)據(jù)點之間的相似度,對相似度進行均值加權(quán)處理,則p的值為:

1.2 基于KWAP-KNN算法原理及流程

距離信號發(fā)射裝置越近,則RSSI信號接收更準確。且RSSI信號值在空間上區(qū)分能力有限,通常都在1m以上,所以為了避免相鄰指紋信息在位置上二異性,兩個信號發(fā)射裝置布置距離應(yīng)該在1m以上。以信號接收裝置為圓心,根據(jù)實際環(huán)境確定覆蓋區(qū)域半徑,盡量保障大部分區(qū)域在劃分的覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)。

區(qū)域劃分依據(jù)為位置信息,選擇K-means進行分區(qū),該方法簡單且容易實現(xiàn),選取信號發(fā)射裝置所在位置為K個聚類中心的位置,通過聚類對未覆蓋區(qū)域和交叉區(qū)域進行分區(qū)。當對未知節(jié)點進行區(qū)域劃分時,根據(jù)RSSI值差異確定歸屬區(qū)域,如果屬于覆蓋區(qū)域,直接進行WAP聚類,如果屬于未覆蓋或者交叉區(qū)域,通過K-means重新進行歸類,當所有的節(jié)點被劃分到不同區(qū)域時,劃定小區(qū)域。最后通過KNN聚類在小區(qū)域內(nèi)獲取粗定位結(jié)果。整個區(qū)域劃分及定位流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域劃分流程圖

2 實驗結(jié)果及分析

區(qū)域劃分以實際室內(nèi)環(huán)境和信號發(fā)射裝置布置為準,以信號發(fā)射裝置位置為圓心,固定距離為圓心,劃分區(qū)域。實驗在14m×11m的區(qū)域進行,現(xiàn)場布置了共6個路由器作為信號發(fā)射裝置。

通過Matlab軟件來仿真驗證本文的定位算法。進行仿真測試時,按照表1數(shù)據(jù)來設(shè)定各項參數(shù)。在100m的范圍內(nèi)以隨機方式設(shè)置共60個節(jié)點,將節(jié)點的通信半徑設(shè)定為20m。節(jié)點分布圖如圖2所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖2 節(jié)點分布圖

圖3為AP聚類和WAP兩種聚類的效果圖。

圖3 聚類效果圖

選取一百組測試點進行實驗,未進行區(qū)域劃分之前,分別使用KNN、AP-KNN、WAP-KNN三種算法進行定位??梢缘玫饺鐖D4所示的誤差累積圖。圖中可以看出,隨著節(jié)點數(shù)目增加,WAP-KNN累積定位誤差低于其余兩種定位方法。

圖4 平均誤差累積

圖5為三種定位方法誤差累積分布圖。100個參考點中,定位誤差小于2.5m的概率,KNN、APKNN、WAP-KNN算中算法分別為72%、67%、62%,其中KNN算法概率最高。但是WAP-KNN算法所有參考點的定位誤差均小于3.45m,AP-KNN均小于4.00m,WAP-KNN總體定位誤差較小。而且APKNN和WAP-KNN這兩種方法定位沒有出現(xiàn)誤差較大的點。之后對三種方法求解平均定位誤差,并對其最小最大誤差進行分析,可得如表2所示的定位誤差表。從表中數(shù)據(jù)看出,WAP-KNN算法的平均誤差、最大最小誤差值都比其余兩種算法要小。

圖5 三種定位方法誤差累積分布圖

表2 三種定位算法定位誤差表

3 結(jié)語

綜上所述,針對單一聚類算法存在的多種問題,提出一種基于KWAP-KNN的分區(qū)聚類算法。實驗結(jié)果證明,無論從樣本點的之間相似性,還是從聚類時間來講,WAP聚類算法都比AP聚類算法低,聚類效果更好。區(qū)域劃分后,KWAP-KNN算法得到的粗定位結(jié)果更準確,定位精度可達到1.8m左右。

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