室内Radio-map建立方法与性能分析.doc

摘 要

近年来在无线通信领域，室内无线网络成为了一个研究的热点。用户在现

有的室内高速无线网络环境下，可以使用移动设备随时随地接入互联网，这给

室内 WLAN 环境下的定位提供了广泛的发展前景。而在室内 WLAN 定位系统

中，位置指纹定位算法以普适性和高效性得到了广泛的应用。位置指纹定位算

法主要有两个步骤：离线测量阶段和在线定位阶段，在离线测量阶段中，主要

的工作是建立 Radio-map。到了在线定位阶段，定位系统使用 Radio-map 和当

前接收到的信号值，通过定位算法计算出位置信息。

在现阶段学术界对室内 WLAN 定位系统的研究中，绝大部分研究机构都把

分析，为基于奇异点过滤的网格插值 Radio-map 生成算法奠定了基础。

其次，为了消除在建立 Radio-map 时采样数据的异常抖动，本文提出了奇

异点过滤算法，然后对单一参考点处的 RSS 数据总体建立了数学模型，并进行

了正态性验证。在此基础上，根据不同的奇异点过滤门限值对原始数据进行了

去奇异化处理。在现有的文献中，建立 Radio-map 时，采用的信号主值多为采

取方差，均值，最小值，最大值等经验值，本文对这一经验选择主值的方法提

出质疑，并提出了分组采取主值算法对其进行改进。在改进的过程中，本文着

重分析了结合奇异点过滤与分组采取主值算法时的 Radio-map 性能。

最后，为了快速的搭建定位系统，本文提出了基于网格插值的 Radio-map

建立方法并进行了性能分析。由于插值点的信号值包含的位置信息比原始值会

Nowadays in the indoor wireless communication field the wireless local area

network (WLAN) became a hotspot. The broad deployment and high speed of

WLAN guarantees the WLAN based localization a broad prospect. In the widely

used WLAN fingerprinting localization system, reliable, efficient RSS information

is needed to make the system work. There are mainly two phases in the fingerprint

algorithm: the off-line phase and the on-line phase. In the off-line phase, Radio-map

is established and in the on-line phase, the localization system obtains the current

RSS value and using the Radio-map to compute the estimated position.

While most researchers in the world focus on the localization algorithm part of

the system, this paper hold the view that as the basic of the system, the construction

an odd data filtering algorithm is proposed to remove the abnormal sample from

RSS data. In this algorithm, all the RSS samples in the same reference point are

considered as a whole and the distribution model of them is built to establish

filtered Radio-map. The performance of original Radio-map and filtered Radio-map

is verified by KNN. At the mean time, to fix the principal value of measured RSS

samples, a grouping algorithm is proposed.

Finally, to make the Radio-map establishing less time consuming, a grid

interpolate Radio-map construction algorithm is proposed. Due to the loss of

position information between the interpolated data and the measured data, the

localization error increases. So to maintain the localization accuracy while using the

目 录

摘 要 ....................................................................................................................I

Abstract ....................................................................................................................II

第 1 章 绪 论 ............................................................................................................1

1.1 课题背景及研究的目的和意义 ......................................................................1

1.2 Radio-map 建立方法研究现状 ........................................................................2

1.2.1 传播模型预测法.......................................................................................3

1.2.2 逐点采集法 ..............................................................................................3

1.3 主要研究工作与本文结构 ..............................................................................4

2.4 参考点的稳定性分析....................................................................................11

2.5 本章小结 .......................................................................................................13

第 3 章 Radio-map 建立方法研究 ..........................................................................14

3.1 实验的硬件及软件环境 ................................................................................14

3.2 定位精度提高类型的 Radio-map 建立方法研究 .........................................16

3.2.1 奇异点过滤 Radio-map 建立法..............................................................16

3.2.2 初始样本点总体分布 .............................................................................17

3.2.3 基于信号样本值分布的奇异点过滤......................................................17

3.2.4 分组采取样本点主值 Radio-map 建立法 ..............................................19

3.3 工作量减少类型的 Radio-map 建立方法的研究 .........................................20

4.1.1 对单个 AP 样本值总体的正态性检验 ...................................................25

4.1.2 奇异点过滤型 Radio-map 的性能分析与比较.......................................27

4.1.3 参考点分组下的 Radio-map 性能分析 ..................................................28

4.1.4 测试点分组下的 Radio-map 性能分析 ..................................................30

4.1.5 结合奇异点过滤和分组采样点的 Radio-map 性能分析 .......................32

4.2 工作量减少类型的 Radio-map 性能分析 .....................................................34

4.2.1 各种边界下样条插值性能分析 .............................................................34

4.2.2 网格插值后 Radio-map 数据分析 ..........................................................36

4.2.3 网格插值后 Radio-map 性能分析与比较 ..............................................37

4.3 基于奇异点过滤与网格插值的 Radio-map 生成算法 ..................................37

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书............................................................63

致 谢......................................................................................................................64

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

随着 WLAN 应用的兴起，环境敏感的应用需求不断增加

现依赖于其所处环境的信息，典型的信息包括位置、人的活动和设备的状态

等。其中位置敏感是环境敏感计算的关键能力，在位置敏感内容分发、定向探

索、资产跟踪、应急通知/救 援 等 领 域 有 着 广 泛 的 应用。在产业化进程中，

AeroScout、Cisco、Ekahua、InfoLogix 等公司已经提供了带 WLAN 实时室内定

办公大楼和家庭,PDA、笔记本等移动设备中也都内置了无线网卡。基于接收信

号强度 的 WLAN 定位是根据 接收信号强 度随距离 变化而变化 的规律进行定

位，与基于信号到达时间(TOA)和信号到达角度(AOA)的 WLAN 定位相比，它

不需要添加额外的硬件设备来进行精确的时间同步和角度测量，能充分利用现

有的无线网设施，将定位系统的应用范围扩大到楼群和室内，降低成本，因此

成为室内定位技术的研究热点

WLAN 定位过程中分为两步：离线阶段和在线阶段

。前者根据接收到的

信号强度 RSS 来建立 Radio-map。后者根据建立的 Radio-map，采用 K 近邻等

(项目编号：2008AA12Z305)。此项目通过组建一套 IEEE802.11 的试验网，完

成基于模糊逻辑的定位系统原理性实验装置，将模糊逻辑理论应用到位置指纹

定位方法，提出一种先进的室内精确定位技术。本论文的研究，是作为 WLAN

室内定位系统的基础研究部分而设立的，分别从提高定位精度角度以及减少工

作量角度研究 Radio-map 的建立方法对 WLAN 室内定位系统造成的影响。