基于能效的WLAN 室內(nèi)定位系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐旭　陳蓓

摘要：基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)目的，一方面是為了降低位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模，另一方面為了減少服務(wù)器與客戶(hù)端的數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)減少相關(guān)的計(jì)算量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)定位系統(tǒng)，筆者提出了AP預(yù)處理算法、聚類(lèi)算法以及精定位AP選擇算法。該文主要是分析如何設(shè)計(jì)基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型，以及如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用目的。

關(guān)鍵詞：WLAN；室內(nèi)；定位系統(tǒng)；模型設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0069-02

Abstract： Design model of WLAN indoor positioning system based on energy efficiency，on the one hand is to reduce the size of the location fingerprint database，on the other hand，in order to reduce the amount of data transmission of the server and the client，at the same time，reduce the amount of computation associated.In order to achieve this positioning system，experts have proposed a AP preprocessing algorithm，clustering algorithm and precision positioning AP selection algorithm.This paper is the analysis of how to design the WLAN indoor positioning system model based on energy efficiency，and how to realize the application of the system

Key words： WLAN； interior； positioning system； model design

1 前言

由于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)也越來(lái)越受到相關(guān)研究人員的關(guān)注。WLAN主要是通過(guò)檢測(cè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度判斷用戶(hù)的位置，而根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行定位的系統(tǒng)主要分為兩種，其中一種基于傳播模型的室內(nèi)定位系統(tǒng)，另外一種是基于位置指紋算法的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在這兩種室內(nèi)定位系統(tǒng)中，前一種的限制條件比較多，后一種的優(yōu)勢(shì)比較突出。但是基于位置指紋算法的室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要解決數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造、離線(xiàn)采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理、定位AP的選擇以及終端設(shè)備位置的估計(jì)，因此本文主要是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，分析如何設(shè)計(jì)基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型，并加以實(shí)現(xiàn)。

2 關(guān)于基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)分析

2.1 定位系統(tǒng)模型整體設(shè)計(jì)

以往定位系統(tǒng)的能耗比較大，而能耗主要發(fā)生在兩個(gè)點(diǎn)，其中一個(gè)點(diǎn)是服務(wù)器與客戶(hù)端的數(shù)據(jù)交互，另外一個(gè)點(diǎn)是在位置估計(jì)中的計(jì)算。為了使定位系統(tǒng)能耗降低，就必須縮減數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模，減少服務(wù)器與客戶(hù)端的信息傳輸量，同時(shí)還要在位置估計(jì)的計(jì)算過(guò)程中選用比較簡(jiǎn)單的計(jì)算方法?；谀苄У腤LAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型主要包括兩個(gè)階段，一個(gè)是離線(xiàn)階段，包括指紋采集、AP選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理以及聚類(lèi)等四部分；另一個(gè)是在線(xiàn)階段，包括測(cè)量值預(yù)處理、大概定位、AP選擇以及精確定位等四部分。

2.2 定位系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)特征

首先關(guān)于虛擬AP預(yù)處理算法，這個(gè)虛擬AP有一定的優(yōu)勢(shì)，但也有不足的地方，它的優(yōu)勢(shì)在于可以虛擬出多個(gè)BSSID的AP，但是在定位方面提供的數(shù)據(jù)不夠簡(jiǎn)潔。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，筆者提出了VAP預(yù)處理方法，優(yōu)化以往的虛擬AP預(yù)處理算法；其次關(guān)于非斷續(xù)RSSI的仿射傳播聚類(lèi)算法，在以往的定位算法中，只能在面積比較小的室內(nèi)進(jìn)行定位，然后把定位的地方分為多個(gè)AP才能測(cè)量到。對(duì)于面積比較大的地方，根本就不能使AP全部覆蓋，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，筆者采用非斷續(xù)RSSI的仿射傳播聚類(lèi)算法來(lái)代替；再次關(guān)于均值平滑濾波，在實(shí)施定位的過(guò)程中，容易外在環(huán)境的影響，從而使RSSI出現(xiàn)較大的波動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者選擇使用均值平滑濾波器；最后關(guān)于AP的選擇，通常情況下，在離線(xiàn)和在線(xiàn)的階段可以檢測(cè)到接入點(diǎn)的改變情況，需把在線(xiàn)AP選擇分成兩步，比較麻煩，因此筆者采用基于RSSI空間區(qū)分度的AP選擇來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3 關(guān)于基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)分析

3.1 離線(xiàn)階段

首先，關(guān)于指紋的采集，筆者把定位區(qū)內(nèi)AP的安裝位置和配置信息假設(shè)為未知，但是兩者都可以通過(guò)某種方式把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳播出去，同時(shí)離線(xiàn)的階段配有無(wú)線(xiàn)適配器的移動(dòng)終端，然后在每個(gè)位置可知的參考點(diǎn)，掃描AP的BSSID和BSSID，并獲取BSSID和BSSID；其次，關(guān)于離線(xiàn)AP選擇，一般情況下，終端設(shè)備每次進(jìn)行掃描的時(shí)候，都能夠測(cè)量到幾十個(gè)AP，但是不同的AP對(duì)定位產(chǎn)生的結(jié)果不一樣，因此最好不要保留全部的AP[4]。在離線(xiàn)階段，AP選擇的目的有兩個(gè)，一個(gè)是縮減數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模，另一個(gè)是減少服務(wù)器和客戶(hù)端的信息傳輸量。為了達(dá)到這兩個(gè)目的，應(yīng)選擇保留信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)比較大的AP，因此信號(hào)強(qiáng)度比較大的AP在離線(xiàn)階段不容易發(fā)生斷續(xù)以及空間區(qū)分度大的情況；再次，關(guān)于數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理。在實(shí)際定位中，由于外在環(huán)境因素的影響，RSSI波動(dòng)比較大，為了解決這個(gè)問(wèn)題筆者采用均值平滑濾波器進(jìn)行定位。一般情況下，接受信號(hào)強(qiáng)度非常弱的時(shí)候，一些AP的測(cè)量值不夠平穩(wěn)，容易出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，而平滑濾波器可以補(bǔ)充這些丟失的測(cè)量值[3]；最后，關(guān)于仿射傳播聚類(lèi)。如果RSSI比較小的情況下，就會(huì)容易出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，而基于非斷續(xù)RSSI的仿射傳播聚類(lèi)可以避免這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生，在對(duì)這種仿射傳播進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，選擇的每個(gè)AP一定要保證RSSI測(cè)量值足夠大，把其他的忽略掉。

3.2 在線(xiàn)階段

首先，關(guān)于類(lèi)匹配的大概定位。在實(shí)際定位過(guò)程中，需要終端設(shè)備先從下載聚類(lèi)中心的測(cè)量值集合，然后進(jìn)一步計(jì)算在線(xiàn)階段的測(cè)量值，同時(shí)還要計(jì)算各個(gè)聚類(lèi)中心的相似度，從而確定它屬于那種聚類(lèi)。如果用戶(hù)沒(méi)有處在聚類(lèi)的中心時(shí)，并且只選擇相似度最高的其中一個(gè)聚類(lèi)，通常都會(huì)導(dǎo)致類(lèi)匹配不成功。所以進(jìn)行大概定位的時(shí)候，需要保留相似度比較高的幾個(gè)聚類(lèi)，而不是只是一個(gè)聚類(lèi)。同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行精確的定位[2]；其次，關(guān)于在線(xiàn)AP選擇。在定位面積比較大的時(shí)候，各個(gè)參考點(diǎn)并不能檢測(cè)到所有的 L個(gè) AP，這樣的話(huà)就容易導(dǎo)致在線(xiàn)和離線(xiàn) RSSI 向量間的距離太大，在進(jìn)行精確定位時(shí)容易出現(xiàn)較大的誤差，因此當(dāng)參考點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定的比例時(shí)，可以把對(duì)應(yīng)的 AP去掉；最后，關(guān)于精定位的計(jì)算方法。在進(jìn)行精定位的時(shí)候，如果計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜的話(huà)，將會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間，為了實(shí)現(xiàn)降低耗能的目的，可以采取加權(quán) K 近鄰算法，這個(gè)計(jì)算方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)潔[1]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中，主要涉及到兩個(gè)部分，其中一個(gè)是離線(xiàn)階段，另一個(gè)是在線(xiàn)階段，離線(xiàn)階段由四部分組成，分別是指紋采集、AP選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理以及聚類(lèi)，在線(xiàn)階段同樣也是由四部分組成，包括指紋采集、AP選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理以及聚類(lèi)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)室內(nèi)定位系統(tǒng)模型的應(yīng)用目的，本文對(duì)離線(xiàn)階段和在線(xiàn)階段的各個(gè)組成部分有可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的對(duì)策。隨著無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的迅速發(fā)展，相信基于能效的WLAN室內(nèi)定位技術(shù)將是未來(lái)室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

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