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基于WLAN室内定位系统的AP快速部署算法分析.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I摘 要 随着无线通信技术的快速发展和人们对定位服务需求的日益增多 ,无线定位技术获得原来越多的关注 。室外定位可以由 GPS 系统实现 ,而对于 GPS 信号覆盖较差的室内环境 ,用户定位需求是由 WLAN 室内定位系统完成的 。WLAN 系统的信号覆盖在满足通信需求的基础上 ,还要达到定位要求 ,因此如何组建 WLAN 室内定位系统 ,确定接入点的数目和位置对定位系统的性能非常重要 。本文主要研究在 WLAN 室内定位系统中如何实现接入点的快速部署 。 首先本文提出了接入点部署好坏的依据 ,找到一个衡量信号覆盖是否有利于定位的量 ,即参考点间信号空间欧氏距离 。论证了在一定范围内 ,参考点间信号空间欧氏距离越大 ,则定位精度越高 。以此为依据 ,提出一种 AP 快速部署的最优化方法 ,并详细说明利用遗传算法求解的具体流程 。 其次将本文提出的部署 AP 的最优化方案应用于空旷的室内环境 。首先讨论了 为给定的目标环境 确定 参考点 网格大小 的原则 ,然后 依据 AP 快速部署最优化方案并 结合室内环境的信号传输模型 ,给出四种空旷环境下 AP 的合理 数目和最优放置位置 ,并与经验布置方式进行了比较 ,得到本方案可以减小定位误差的结论 ,最终 实现空旷的室内环境中 AP 的快速最优部署 。 然后将本文提出的部署 AP 的最优化方案应用于室内多墙环境 。首先依据室内多墙环境的 实测数据 ,提出一种可以较好的反应信号在室内多墙环境下传输特性的 信号 传输模型 ,此模型是在经典的对数传输模型的基础上进行改进 ,同时满足走廊和办公室内信号传输特性的数学模型 。然后以哈工大科学园 2A栋楼的 12 层为实验对象 ,利用遗传算法给出 AP 的最优化部署结果 。 本文针对室内定位系统的信号覆盖特性 ,提出了室内环境下 AP 的快速最优部署 方案 ,并将此方案具体应用于两种典型的室内环境中 ,最终验证本方案的可行性 。本文的研究工作为室内定位系统提供了一种可以弥补定位算法不足 、提高定位精度的有效方式 。 关键词 WLAN 室内定位 ;信号覆盖 ; AP 快速部署 ;信号空间欧氏距离 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IIAbstract With the rapid development of wireless communication technology and the growing demands of location-based services, wireless location technology obtains more and more attention. For outdoor environments GPS can provide accurate positioning ination, while for the indoor environments, GPS can’t give users’ position because of the poor signal coverage. So the users’ location-based service needs are met by the WLAN indoor positioning system in the indoor environments. The signal coverage in WLAN positioning system should not only meets the requirement of the wireless communication, but also meet positioning requirements, so how to set up WLAN indoor positioning system including determining the number of the access points and deploying them have great impact on the perance of positioning in the system. This paper studies on how to achieve the rapid deployment of access points in WLAN indoor positioning system First, the signal space Euclidean distance between the access points is proposed as the judge basis of the deployment, which also tells if the signal coverage is favorable for the positioning or not. The paper demonstrates that in a certain range, the signal space Euclidean distance between reference points is larger, the probability of fault location is smaller. On this basis, an optimization for rapid deployment of APs is proposed, and the specific process of the deployment using genetic algorithm is detailed. Second, the optimal algorithm for APs’ deployment proposed is applied to the open indoor environment. First the paper discusses the principle of determining the size of reference points in the target environment, and then combining with the signal transmission model for indoor environment and the optimization solutions for rapid deployment, the optimal number and APs’ placement in four kinds of open environments are given. Comparing with the experience deployments for APs, the paper concludes that the deployments proposed in this paper can decrease the positioning errors, so it can provides optimal APs’ deployment ultimately in the indoor environment. At last the paper applies proposed optimal APs’ deployment programs to the multi-wall indoor environment. First, signal transmission model better response to the multi-wall indoor environment is proposed based on the measured data. This model is improved based on the classical logarithm model and it meets the characteristics of the signal transmission both in the corridor and the office rooms. The 12th floor of building 2A in HIT Science Park is used as experimental subject, 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IIIand the results of APs’ deployment using genetic algorithm are given. In this paper, a fast algorithm for APs’ deployment in indoor environment is proposed based on the characteristics of the signal coverage in the positioning system, and which is applied to two typical indoor environments, ultimately verifying the feasibility of the algorithm. The results in this paper provide an effective solution of compensating the lack of location algorithms and improving positioning accuracy. Keywords WLAN indoor positioning, signal coverage, APs’ fast deployment, signal space Euclidean distance 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III目 录 摘 要 ...................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第 1 章 绪 论 .............................................................................................................. 1 1.1 课题背景和研究的目的意义 ........................................................................... 1 1.2 国内外的研究现状及分析 ............................................................................... 2 1.2.1WLAN 室内定位技术发展现状 ................................................................. 2 1.2.2 基于 WLAN 室内定位的 AP 部署研究现状 ............................................ 3 1.3 主要研究内容及本文结构 ............................................................................... 5 第 2 章 AP 快速部署的原理及方案 ........................................................................... 6 2.1 WLAN 室内定位系统基本组成和定位算法 ................................................... 6 2.1.1 系统基本构成 ............................................................................................. 6 2.1.2 位置指纹定位算法 ..................................................................................... 7 2.2 WLAN 室内信号衰落统计特性 ..................................................................... 10 2.3 基于信号欧氏距离的 AP 部署原理分析与验证 .......................................... 12 2.3.1 基于信号欧氏距离的 AP 部署原理 ....................................................... 12 2.3.2 实验仿真 验证 .......................................................................................... 19 2.4 AP 快速部署方案 ............................................................................................ 20 2.5 遗传算法解决 AP 最优化部署问题 .............................................................. 22 2.5.1 遗传算法数学模型 .................................................................................. 22 2.5.2 遗传算法实现 AP 最优化部署流程 ....................................................... 23 2.6 本章小结 ......................................................................................................... 27 第 3 章 室内空旷环境的 AP 快速部署方法 ............................................................. 28 3.1 实验环境说明 ................................................................................................. 28 3.2 室内空旷环境信号传输模型 ......................................................................... 28 3.3 位置指纹数据库建立 ..................................................................................... 29 3.3.1 参考点尺寸的确定原则 ........................................................................... 29 3.3.2 位置指纹数据库建立 ............................................................................... 32 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV3.4 AP 部署仿真结果及分析 ................................................................................ 32 3.4.1 遗传算法参数选取 ................................................................................... 32 3.4.2 四种室内空旷境下 AP 部署结果 ............................................................ 35 3.4.3 不同 AP 部署方案定位误差比较 ............................................................ 37 3.5 本章小结 ......................................................................................................... 39 第 4 章 室内多墙环境的 AP 快速部署方法 ............................................................. 40 4.1 实验环境说明 ................................................................................................. 40 4.2 室内多墙环境信号传输模型 ......................................................................... 41 4.2.1 走廊环境信号传输特性 ........................................................................... 41 4.2.2 办公室环境信号传输特性 ....................................................................... 43 4.3 位置指纹数据库建立 ..................................................................................... 45 4.4 AP 部署仿真结果及分析 ................................................................................ 47 4.5 本章小结 ......................................................................................................... 50 结 论 ....................................................................................................................... 51 参考文献 ................................................................................................................... 52 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 ........................................................... 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授 权说明 .......................................... 57 致 谢 ....................................................................................................................... 58 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1第 1 章 绪 论 1.1 课题背景和研究的目的意义 本课题来源于国家 863 项目 “基于模糊逻辑算法的 WLAN 室内定位技术 ”(项目编号 2008AA12Z305)。 该项目旨在研究如何快速组建一套基于 WLAN系统定位的试验网 ,并在此基础上 ,应用基于模糊逻辑的信号强度指纹识别定位原理建立具有较高定位精度的 WLAN 室内定位试验系统 。本课题针对该项目的前期组网进行深入研究 ,其中涉及无线局域网 WLAN 室内信号的 传输特性的研究以及在任意给定建网环境下 ,研究如何通过对建网环境的特性研究快速实现网络部署的问题 。 随着无线通信技术的快速发展和人们对定位服务需求的日益增多 ,无线定位技术获得原来越多的关注 [1]。全球定位系统 GPSGlobal Position System是20 世纪 70 年代由美国研制的 以为陆 、海、空三大领域提供实时 、全天候和全球性的导航服务 为目的的 空间卫星导航定位系统 [2]。 GPS 系统是专门为实现无线导航定位功能而组建的具有特定结构的定位系统 。对于信号到达较为容易的开阔的室外环境 , GPS 可以提供高精度的定位信息 [3]。而对于室内环境 ,由于建筑物本身的遮挡以及建筑物内部结构包括墙壁 、门窗 、各种摆设和实时变化的人员走动 ,使得在室内环境中接收到的 GPS 信号极其微弱 ,无法从中获得定位所需的有效信息 ,因此人们考虑建立一种室内的 定位系统 ,为日益增长的室内定位需求提供可靠的定位信息 。建立室内定位系统 ,较多的是基于现有的通信框架 [4],对其进行改进 ,使其在实现无线通信的基础之上融入 无线 定位技术为室内用户实现定位 。目前室内的无线通信框架主要是基于 WLAN。 WLAN的广泛应用源于它的诸多优点 WLAN 网络布局简单并具有较高的通信速度符合现代社会对于移动通信 ,移动办公以及移动的娱乐生活要求 。并且无线局域网的大容量 、多用户 、广覆盖的特点使得它的应用更加普及 [5]。 WLAN 主要的应用环境 是室内环境和人们活动的热点地区 [6]。由于 WLAN 系统在室内环境的广泛应用 ,基于 WLAN 通信系统 的室内 定位技术研究在这种 背景下发展起来 。 WLAN 的优点显而易见 ,但是它同时也存在一些不可忽视的缺点 ,例如网络安全保障 、系统兼容问题 、信号连接问题 、无线电磁干扰以及信号稳定性等都是需要进一步深入研究的问题 。其中信号连接问题最为关键 [4]。由于室内空间相对狭小 ,结构相对复杂 ,障碍物密集以及很多实时变化的因素都对室哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2内信号的连接造成难以忽略的影响 。例如 ,信号传播中会受到墙壁 、天花板 、屋内摆设 、门窗等静止物体的影响而产生反射 、折射 、衍射以及散射 ,从而导致信号传输的多径效应 ,使得接收信号有时延扩展 、频率弥散以及信号幅度衰减的现象产生 ;而室内的人员走动 、甚至站立姿势的变化都会使信号的传播发生显著变化 ;另外 ,室内的各种电磁设备如手机 、微波炉等也对信号传输形成一定的干扰 。基于以上原因 ,研究 WLAN 系统的信号覆盖 ,采取改善无线覆盖效果的优化措施即深入研究 WLAN 的组网设计问题以解决信号遮挡 、信号衰减严重 、信号冷点覆盖等问题 [7]显得尤为重要 。另外 ,对于 WLAN 室内定位系统 ,由于定位算法的要求 ,对网络内信号的覆盖要求更加严格 ,因此对WLAN 系统中接入点 AP( Access Point)的快速部署的研究具有重大意义 。 1.2 国内外的研究现状及分析 1.2.1WLAN 室内定位技术发展现状 WLAN 系统中 , AP 在正常工作模式下 ,要实时向外广播烟火信号 ,用以告知自己的存在和 WLAN 网络的工作状态 。网络中的用户终端可以通过 扫描不同 AP 发射的信号 ,获得网络的基本状态信息 ,并存储不同 AP 的信号强度值。客户端根据获得的信号信息最终选择合适的 AP 接入到无线网络中 。 WLAN 室内定位技术的发展主要源于发展较早的室外定位算法 。目前广泛使用的 WLAN 室内定位技术主要有 到达时间 TOATime of Arrival定位 [8],到达时间差 TDOATime Difference of Arrival定位 [9],到达角度 AOAAngle of Arrival定位 [10],信号强度定位法 ,以及位置 指纹 Fingerprint定位也称数据库相关定位 [11,12]。 到达时间 TOATime of Arrival定位 是一种基于反向链路的定位方法 。它由网络中至少三个已知位置接收机接收来自移动台的信号 ,通过 测量移动台信号到达时间来确定用户的位置 。利用 3 个以上 接收机 接收到移动台的信号 根据三角定位算法计算出 用户 位置 。 TOA 的定位精度 与接收用户信号的接收机的位置关系分布很大 。由于时间测量的较小误差都会引起距离的较大误差 ,因此TOA 定位 误差较大 。 到达时间差 TDOA Time Difference of Arrival定位 是另一种基于反向链路的定位方法 ,通过 测量用户 信号到达两个 接收机 的时间差来确定 用户 位置。到两个接收机距离的差为某个定值的点位于以两个接收机为焦点的双曲线 某个分支上 。因此确定用户的 坐标需要建立两个以上双曲线方程 ,也哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3即至少需要 3 个以上 接收机 接收 用户 信号 。两组 双曲线的交点即为 用户的位置坐标 。 TDOA 方法较 TOA 方法有个较大的优势 ,就是 TDOA 方法 并不要求知道 信号从用户到接收机 传播的 精确 时间 ,因此它 消除或减少接收机信道产生的共同误差 。因此 TDOA 方法的定位误差比 TOA 方法 定位精度高 。 到达角度 AOAAngle of Arrival定位 要获得用户发射的 无线 信号角度信息,需要在定位系统内的两个以上位置点放置方向性天线或阵列天线 ,从而估计终端的位置 。与 TDOA 等技术的定位体制相比 , AOA 系统要获得较高的定位精度 ,就要求天线阵具有高灵敏度和高空间分辨率 。一般而言 ,AOA 系统的定位精度要次于 DOA 和 TDOA 系统的定位精度 。因此 ,在室内的多径环境下 , AOA 定位技术一般只作为辅助定位方法 。 信号强度定位法是利用信号强度与传输距离的关系 ,根据用户的信号强度定位用户的方法 。文献 [11]中表述了 无线信号在室内传输时 ,其路径损耗与 传输距离 之间满足 对数正态模型 。因此根据环境中的一些已知参考点的信号强度的实验采集数据和其距离对模型参数进行估计 ,建立适合目标环境的传输模型 。对于待定位的用户 ,根据其接收的信号强度和信号距离的对数正态模型即可实现用户的定位要求 。由于环境的实时变化 ,信号的传输具有极高的不确定性 ,路径损耗与 传输 距离 的对数正态模型 不能实时准确的跟踪环境的不稳定变化 ,因此定位精度较差 。 位置指纹定位方法是构建信号强度的指纹地图 。首先将室内的目标区域划分为网格 ,在每个网格 中心多次采集信号强度 ,构建无线信号强度的数据库 。定位的时候 ,移动台 接收来自接入点的信号 ,通过 一定的搜索匹配算法在位置指纹数据库中找到最适合的参考点坐标作为移动台的定位结果 [13]。因此目前广泛应用的位置指纹定位方法的基本思路总体来说由两部分构成 一部分就是建立信号强度指纹数据库 ,这个过程是离线阶段完成的 ,也即在用户提出定位请求之前就已经存在的 。另一部分是对未知位置信息的无线信号进行搜索匹配得到其物理位置 。这种室内定位技术不需要在局域网中 增加额外的设备即可实现较高精度的定位需求 。目前室内定位系统中 定位算法 的主流技术即是 采用位置指纹定位的方法 。 1.2.2 基于 WLAN 室内定位的 AP 部署研究现状 对于 AP 的部署 ,主要有两种研究方案 ,一个是采用现场调研的方法 ,就是在进行系统的设计和建设之前 ,先对目标环境进行调查测量以获得必要的参数。很明显 ,这种方法花费大量的人力 、财力还有时间 ,成本较高 。每次进行哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4新环境的组网时 ,都要重复上述的大量工作 。而环境又是随时间变化的 ,所以不能得到依赖于建筑物结构的一般性结论 。这种方法是不可取的 。 为了节约花销 ,用计算机辅助设计的方法被广泛的应用 。通过建立数学模型找到 AP 的最佳数目和放置位置 。解决最优化模型的方法有很多 ,其中大部分都用离散的数学模型即整数规划模型找到 AP 的最佳位置 ,少部分用连续的数学模型求解 。 [14-18]使用离散数学模型 。在建立离散模型时 ,需要对目标区域进行划分 ,分成很多网格 , AP 的可能位置只被离散在网格的中心位置 。这种方式的缺点是 如果研究的区域面积较大 ,为了达到一定的精度要求 ,就会划分很多网格 ,在这种情况下 , AP 的可能位置较多 ,模型的计算维度相应增多,计算量加大 。基于这点考虑 , [19-22]使用连续的数学模型 ,但是连续的数学模型求解 是非常 复杂 的; [23-24]使用两种模型比较了结果 。 求解模型时用到很多不同的数学方法 。文献 [25]里,一个简单的遗传算法被用来确定一 个单一 AP 的最佳位置 。在 [26]中,遗传算法被应用解决多目标问题 ,每次算法执行时 , AP 的数目是固定的 。文献 [27-28]用与 [26]类似的方法,并在此基础上仔细 研究了不同障碍物对信号覆盖的影响 。在文献 [22]中,介绍了一种非平滑最优算法 ,可以去除整形变量 ,减少最优化问题的变量数目 ,将混合整数非线性规划问题转变成连续变量的非线性规划问题 。文献 [19]提出一种基于离散梯度算法的最优化方法 ,这种方法 与文献 [22]提到的算法 类似 ,将混合变量的非线性问题转化成连续变量的非线性问题 ,减少了变量数目 。文献 [29]用多目标 遗传算法 MOGA解决 WLAN 中 AP 的放置问题 。文献 [30]使用非平滑最优方法和全局最优算法 AGOP,不需要计算梯度信息 ,广泛适用于非平滑函数 。文献 [23]同时用多种方法求解优化模型 ,并比较了最速下降法 、准牛顿法 、单纯形法 、模拟退火法和遗传算法的仿真结果 。指出不同算法的计算量 、计算时间和对初值的要求有所不同 。其中模拟退火法和遗传算法的仿真结果 近似 。 以上文献研究主题是 WLAN 系统组建时怎样实现全网的信号无缝覆盖问题,文献 [4]则是考虑在 WLAN 定位系统中 ,如何按放 AP 使定位精度提高 。文中以一个小块区域中所有参考点接收信号的欧几里得距离最大为目标 ,优化AP 的放置 ;文献 [31]从 WLAN 定位考虑 ,以减小定位误差 为目标 确定 AP 的位置 。文献 中以“信噪比 ”最大为目标 ,分子是所有参考点的欧几里得距离 ,分母是所有参考点的不稳定度 。文献最后指出利用此方法对 AP 进行位置分配可以减小定位误差 。 从国内外的研究现状来看 ,绝大数对于 AP 部署的研究都是考虑如何放置哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5AP 才使整个 WLAN 网络有高于一定门限值的信号覆盖 ,并且信号干扰低于某值。而很少以 WLAN 系统定位要求考虑如何放置 AP 才能得到更高的定 位精度。文献 [4][31]分别是武汉大学和台湾某大学基于定位考虑的 AP 组网问题 。 1.3 主要研究 内容 及本文结构 本文的主要研究内容是在 WLAN 室内定位系统中 进行 AP 的快速部署 ,使得目标环境的信号覆盖更加有利于 定位 需求 。其中涉及两种主要的室内环境 ,即空旷的室内环境和多墙的室内环境 。为了实现 AP 的最优化部署 ,本文需要研究信号衰落的统计特性以及信号的室内传输模型 。在找到衡量信号覆盖特性好坏 的特征量之后 ,根据信号传输模型即可得到 AP 的最优部署 。因此本文的结构安排如下 第二章首先介绍了 WLAN 室内定位系统的基本 结构和常用的定位算法 ,然后证明了信号衰落的的统计特性 。根据信号衰落的统计特性 ,本章提出了衡量信 号覆盖的特征量 ,即参考点间的信号欧氏距离 。并证明了在一定的范围之内,参考点间的信号欧氏距离越大 ,正确定位的概率就越大 。在此理论基础之上,本章提出了 WLAN 室内定位系统中的 AP 快速部署方案 ,最后叙述了方案的具体内容并结合遗传算法给出了实现流程 。 第三章中 ,根据上一章 提出的 AP 部署的最优 化方案 仿真得到 空旷的室内环境下 AP 的最优部署结果 。首先论证了参考点尺寸的选取原则和空旷的室内环境中信号经典对数传输模型 ,在确定了参考点尺寸和信号传输模型之后 叙述了指纹数据库的建立过程 ,最后在四种不同的实验场景下分别给出了适合目标环境的 AP 数目和最优放置位置 。并与经验方案进行 了定位 误差 的比较 ,得出依照 本方案部署 AP 的优越性 。 第四章 ,将第二章提出的室内环境 AP 的最优化部署方案应用于多墙环境 。首先根据已有数据 ,提出虚拟信源的概念 ,在此基础之上拟合出了一种满足多墙环境中走廊和办公室的信号传输模型 。在选定了参考点尺寸 之后 ,根据本章提出的信号传输模型叙述了建立指纹数据库的过程 ,最后利用遗传算法得到在室内多墙环境中的 AP 最优数目和位置部 署结果 。
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