基于WiFi的室內(nèi)定位中AP選擇方法研究

伊海波+衛(wèi)文學(xué)

摘要：該文對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位中的AP（Access Points）選擇算法進(jìn)行了研究。首先，從時(shí)間、地點(diǎn)、方向等方面對(duì)AP信號(hào)造成的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，得出AP選擇的重要性。其次，從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)基于WiFi的室內(nèi)定位中AP選擇算法進(jìn)行了分類(lèi)和對(duì)比分析，討論算法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析顯示室內(nèi)定位算法的研究注重定位精度和能源消耗之間的平衡，最終得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；AP選擇；WiFi；定位精度；能源消耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0242-03

Abstract： The paper examines the AP selection algorithms in existing indoor location schemes. Firstly， it looks into the impacts such aspects as time， location and orientation have on AP signal through experiments， showing the importance of AP selection. Secondly， based on the research both at home and abroad， this paper categorizes and compares the AP selection algorithms in Wi-Fi-based indoor location and discusses their strengths and weaknesses. The analysis shows that research on indoor location algorithms place a great emphasis on the balance between location accuracy and energy consumption. Lastly the paper arrives at conclusions.

Key words： indoor localization； Access Points select； Wireless Fidelity； location accuracy ； energy consumption

1 引言

根據(jù)無(wú)線信號(hào)與不同的地理位置進(jìn)行匹配映射的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)，基于WiFi指紋的室內(nèi)定位技術(shù)通過(guò)建立WiFi信號(hào)強(qiáng)度（RSS）和地理位置的映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)位置的定位，即不同地理位置上接收到的WiFi信號(hào)強(qiáng)度是不同的。在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，受多種因素的影響，AP信號(hào)的傳播變得非常復(fù)雜和多變，比如有氣候的變化、人體走動(dòng)、多徑效應(yīng)、墻壁門(mén)窗的遮擋、其他信號(hào)干擾等因素；而實(shí)時(shí)定位的精度以及穩(wěn)定性也會(huì)受AP的性能、AP的數(shù)目、采樣點(diǎn)的方向、時(shí)間等多種因素的影響。這樣會(huì)導(dǎo)致AP信號(hào)指紋與地理位置的映射關(guān)系發(fā)生變化，造成定位精度大幅度的降低。因此，為了提高基于WiFi指紋的室內(nèi)定位精度和穩(wěn)定性，本文首先對(duì)影響室內(nèi)定位精度和穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了實(shí)時(shí)的分析，然后從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)定位精度與多種因素的關(guān)系和其他方法[1-2]。

2 室內(nèi)定位的影響因素分析

基于WiFi的室內(nèi)定位由于受室內(nèi)環(huán)境的多種因素影響，室內(nèi)中人群的走動(dòng)和氣候的變化影響AP的信號(hào)強(qiáng)度變化；受墻壁和櫥窗等障礙物的遮擋和阻隔造成AP的信號(hào)傳輸發(fā)生折射和衍射；AP信號(hào)隨著時(shí)間的推移也會(huì)發(fā)生變化[3]。為了更加深入的了解影響室內(nèi)定位的因素，本文對(duì)場(chǎng)景中室內(nèi)因素進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為山東科技大學(xué)J13辦公樓，包括走廊、辦公室、機(jī)房等。

2.1 AP信號(hào)強(qiáng)度變化情況

如圖1所示，在固定采樣點(diǎn)對(duì)多個(gè)AP進(jìn)行采樣，然后對(duì)每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度變化近似成高斯分布。這對(duì)指紋庫(kù)中數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)有很大的幫助。

2.2 同一采樣點(diǎn)不同時(shí)間采集到的AP數(shù)目

如圖2所示，由于周?chē)h(huán)境的變化比如人員走動(dòng)等因素，同一位置的不同時(shí)間接收到的AP個(gè)數(shù)也會(huì)變化。所以，構(gòu)件指紋庫(kù)和在線定位時(shí)接收的AP信號(hào)數(shù)據(jù)，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)腁P進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾。

2.3 同一時(shí)間不同采樣點(diǎn)采集到的AP數(shù)目

在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，受到房間環(huán)境的干擾，一些AP信號(hào)干擾比較大，有時(shí)候不僅會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，還可能接收不到。所以，不同位置接收到的AP數(shù)目不一樣。從圖3可以看出，不同位置接收到的AP數(shù)目在變化的，而且相鄰位置采樣感測(cè)到的AP數(shù)目也有很大不同。

2.4 AP數(shù)目對(duì)誤差的影響

圖4是對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)定位精度的一個(gè)分析，本分析是使用簡(jiǎn)單的確定性的KNN定位算法，在20個(gè)參考點(diǎn)的情況下，對(duì)指紋庫(kù)中，RSS信號(hào)強(qiáng)度向量的一個(gè)維度的分析。由于不同AP對(duì)定位精度的貢獻(xiàn)值不同，從來(lái)表現(xiàn)出定位精度的大幅變化。可以看出從維度為11到20時(shí)定位精度在3m左右。

總之，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，由于空間小，房間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比如墻壁、門(mén)窗的遮擋，人員的走動(dòng)等，導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)傳播呈現(xiàn)多徑傳播效應(yīng)，使得AP信號(hào)不穩(wěn)定，變化多樣。這就給室內(nèi)定位精度的提高和定位精度的穩(wěn)定性帶來(lái)了挑戰(zhàn)，以上分析的因素就是幾個(gè)因素。所以AP選擇至關(guān)重要，AP選擇既可以大幅度的克服以上問(wèn)題，又減小計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

3 AP選擇算法研究

隨著基于指紋的WLAN室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者也提出了相應(yīng)的AP選擇算法。最簡(jiǎn)單的AP選擇算法是將所有能接收到信號(hào)的APs都作為采樣對(duì)象，這樣可以增加指紋庫(kù)的存儲(chǔ)并且加大在線定位的計(jì)算量。下面總結(jié)了幾種AP選擇算法。

3.1 MaxMean方法

摘要：在二十世紀(jì)九十年代左右，世界開(kāi)始進(jìn)行信息時(shí)代，信息時(shí)代主要是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的，信息技術(shù)與其他行業(yè)緊密地聯(lián)系在一起，促進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展。目前，很多的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)發(fā)展信息化，是時(shí)代發(fā)展的需求，也是企業(yè)自身進(jìn)行發(fā)展的需求。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的過(guò)程中，信息化水平已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是判斷一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力強(qiáng)弱的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，世界上多數(shù)國(guó)家都將信息化建設(shè)作為本國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著信息時(shí)代的不斷深入，信息化已經(jīng)滲入到各行各業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，成為行業(yè)發(fā)展的重要支柱，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，為信息化提供更好的發(fā)展空間，成為新的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：信息時(shí)代；電力系統(tǒng)；信息化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0238-02

在信息時(shí)代發(fā)展的過(guò)程中，各行各業(yè)和國(guó)家都開(kāi)始普遍關(guān)注經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，電力行業(yè)作為國(guó)家的壟斷行業(yè)，直接關(guān)乎到國(guó)計(jì)民生。在電力行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，需要對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的狀況有一定的了解，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息化是國(guó)家和社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息化，有助于社會(huì)人群對(duì)國(guó)家電力行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀有個(gè)大致的了解。此外，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息化，需要建立起有效的信息監(jiān)督機(jī)制，增強(qiáng)各電力部門(mén)對(duì)信息化電力系統(tǒng)的管理，推動(dòng)電力系統(tǒng)管理過(guò)程中的透明化。在信息時(shí)代背景下，我國(guó)的電力行業(yè)需要建立起一套以信息技術(shù)為中心的電力系統(tǒng)信息化的管理機(jī)制，不斷深化電力行業(yè)的改革，促進(jìn)電力行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1 信息時(shí)代的概述

隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，信息技術(shù)隨之發(fā)展起來(lái)。計(jì)算機(jī)具有處理速度快、處理功能強(qiáng)大、儲(chǔ)存容量大、方便快捷等特點(diǎn)[1：1-63]，因此，在信息處理的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，信息資源的共享已經(jīng)成為資源發(fā)展的新追求?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)世界擁有了超強(qiáng)的信息處理機(jī)器——計(jì)算機(jī)，可以有效的促進(jìn)資源的開(kāi)發(fā)和利用，可以將信息資源轉(zhuǎn)化為各種知識(shí)產(chǎn)品，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。信息時(shí)代的出現(xiàn)，主要是以計(jì)算機(jī)為處理工具的信息技術(shù)的運(yùn)用，可以有效的對(duì)信息資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)、利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，創(chuàng)造出更多的信息資源產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的附加值。

在信息時(shí)代的發(fā)展過(guò)程中，信息技術(shù)開(kāi)始與現(xiàn)代各種通信手段進(jìn)行融合，開(kāi)始影響人們的生活形式和生產(chǎn)勞動(dòng)模式。在信息時(shí)代中，人們?cè)趯?shí)際的生活中都會(huì)用到信息資源，信息技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的完美結(jié)合，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。隨著信息時(shí)代的不斷深化，信息產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中占據(jù)很大的比例，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)提供了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

2 在信息時(shí)代的影響下需要電力行業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的改革

2.1 電力行業(yè)的管理更加透明化

隨著信息時(shí)代的不斷深化，國(guó)家對(duì)電力行業(yè)的發(fā)展和管理越來(lái)越重視，由于電力行業(yè)在運(yùn)行的過(guò)程比較復(fù)雜，增加了電力管理工作的難度。競(jìng)爭(zhēng)作為一個(gè)行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，可以有效的提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、促進(jìn)企業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動(dòng)力[2：1-56]。在社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，要想實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，就需要對(duì)電力資源進(jìn)行優(yōu)化配置，采用最低的價(jià)格，獲得最好的質(zhì)量，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。電力資源關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息化需要對(duì)電力行業(yè)管理模式進(jìn)行改變，需要對(duì)電力行業(yè)的內(nèi)部管理機(jī)制、經(jīng)營(yíng)模式等方面進(jìn)行改革，逐步實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)管理的透明化，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。

2.2 為電力行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，各種通訊技術(shù)、電力技術(shù)、信息技術(shù)開(kāi)始在電力行業(yè)得到廣泛的運(yùn)用，為電力行業(yè)安全運(yùn)營(yíng)提供相應(yīng)的技術(shù)支持，也為電系統(tǒng)信息化提供豐富的信息資源，推進(jìn)電力行業(yè)在生產(chǎn)、傳輸、經(jīng)營(yíng)等方面管理的公正化和公開(kāi)化[3：1-59]。為政府電力資源信息化管理提供依據(jù)，加大了政府對(duì)電力資源的監(jiān)控力度，提高了政府對(duì)電力資源的管理水平。在電力資源的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)等方面，都需要利用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，提高電力行業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。

3 電力通信為電力系統(tǒng)信息化發(fā)展提供機(jī)遇

3.1 有利于建設(shè)覆蓋全國(guó)的電力信息網(wǎng)

隨著我國(guó)電力通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，在電力行業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等方面都占據(jù)重要的地位，可以有效的推動(dòng)電力行業(yè)的發(fā)展。目前，我國(guó)的電力通信網(wǎng)已經(jīng)覆蓋了全國(guó)大部分電力行業(yè)，隨著電力通信網(wǎng)的數(shù)字微波通信線路的不斷發(fā)展，電力通信網(wǎng)的覆蓋面也會(huì)越來(lái)越廣。有些地區(qū)的電力行業(yè)開(kāi)設(shè)了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)，組建一個(gè)的電力集群移動(dòng)通訊系統(tǒng)。此外，在電力資源的調(diào)度、遠(yuǎn)程信息的傳播、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的共享等方面都建立了電力通信網(wǎng)，還設(shè)立了電力行業(yè)發(fā)展的國(guó)家電話會(huì)議網(wǎng)，有效的提高國(guó)家電力行業(yè)的管理水平。

3.2 不斷改革我國(guó)的輸變電網(wǎng)絡(luò)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力光纖通信隨之產(chǎn)生，并在電力通信行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，將電力光纖通信運(yùn)用于我國(guó)的輸變電網(wǎng)絡(luò)中，提高電力資源的利用效率。目前，很多城鄉(xiāng)的輸電線路建設(shè)中，都采用電力光纖通信技術(shù)，建立許多的變電站，將發(fā)電站的信息、繼電保護(hù)情況、數(shù)據(jù)信息等方面的信息通過(guò)電力光纖通訊網(wǎng)傳遞至全國(guó)各地[4：1-57]，實(shí)現(xiàn)電力資源的管理、建設(shè)資源的共享。

3.3 豐富我國(guó)中低壓電力線資源

電力通信在電力行業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)過(guò)程中占據(jù)著重要的地位，而我國(guó)的中低壓電力線通信在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不斷完善電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)通訊設(shè)備，還在電力資源的中高壓電力纜路等方面進(jìn)行發(fā)展，不斷將低壓入戶電力線路進(jìn)行完善。

4 電力自動(dòng)化為電力系統(tǒng)信息化提供機(jī)遇

4.1 形成全方位的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)