一種三維wlan室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種定位方法，尤其是涉及一種三維WLAN室內(nèi)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和新業(yè)務(wù)需求的不斷增多，位置感知計(jì)算尤其是基 于位置的服務(wù)（LocationBasedService，LBS)逐漸引起人們的關(guān)注，而如何確定用戶的 位置是LBS的核心問(wèn)題?，F(xiàn)有已經(jīng)普遍存在并廣泛使用的位置服務(wù)系統(tǒng)有全球定位系統(tǒng) (GlobalPositioningSystem,GPS)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)等，在開(kāi)闊的室外環(huán)境下，這些定 位系統(tǒng)能夠?yàn)槿藗兲峁┹^為滿意的定位和導(dǎo)航服務(wù)，然而，在人們經(jīng)常工作和生活的室內(nèi) 環(huán)境中，它們的定位精度卻無(wú)法令人接受。因此很多學(xué)者和研宄機(jī)構(gòu)開(kāi)始研宄室內(nèi)定位技 術(shù)。
[0003] 如今，各種無(wú)線電技術(shù)已被應(yīng)用于室內(nèi)定位的研宄中，如紅外技術(shù)、超寬帶 (Ultra-wideBand,UWB)技術(shù)、射頻識(shí)別（Radio-frequencyIdentification,RFID)技術(shù) 等，基于這些無(wú)線技術(shù)的定位系統(tǒng)在小范圍內(nèi)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)[1]。然而，這些定 位系統(tǒng)均需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)重新部署和額外的信號(hào)測(cè)量硬件設(shè)備，成本比較高，因此在應(yīng)用時(shí)受 到限制。
[0004] 近年來(lái)，無(wú)線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetworks，WLAN)已經(jīng)覆蓋了人們生 活和工作的絕大多數(shù)熱點(diǎn)地區(qū)和室內(nèi)環(huán)境，而且現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦、智能手機(jī)等移動(dòng) 終端也都具備了WLAN接入功能。隨著WLAN的應(yīng)用逐漸普及，基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)也 逐漸發(fā)展起來(lái)，吸引了國(guó)內(nèi)外研宄機(jī)構(gòu)、企業(yè)和學(xué)者的廣泛關(guān)注。此外，基于WLAN的室內(nèi)定 位技術(shù)可以充分利用現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)的資源，不需要額外的網(wǎng)絡(luò)部署或設(shè)施，使得基于 WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)具有其他無(wú)線定位技術(shù)無(wú)法匹敵的低成本優(yōu)勢(shì)。
[0005] 目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)研宄大都采用位置指紋定位法，通常 基于最近鄰搜索、樸素貝葉斯統(tǒng)計(jì)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)的思想。這些基于 位置指紋法的定位技術(shù)更多側(cè)重重于二維平面的應(yīng)用情形，并且相關(guān)實(shí)驗(yàn)也是在二維平面 的室內(nèi)環(huán)境中完成。然而，在實(shí)際中人們會(huì)要求一個(gè)定位系統(tǒng)能在大型購(gòu)物商場(chǎng)、圖書館、 寫字樓、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)大廳、博物館等場(chǎng)所中提供的位置信息不僅包括經(jīng)度和維度或者其他二 維平面的坐標(biāo)表示，也要包括高度或者所在樓層。
[0006] 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的位置指紋定位法存在固有的維度災(zāi)難弊端，當(dāng)描述問(wèn)題的特 征數(shù)目超過(guò)某個(gè)最大值時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)的效果不但得不到改善，反而出現(xiàn)退化。而三維WLAN 室內(nèi)定位問(wèn)題必然需要大量的特征來(lái)刻畫某一位置的指紋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于全場(chǎng)位置 指紋掃描和數(shù)據(jù)壓縮的三維WLAN室內(nèi)定位方法。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0010] (1)將待研宄場(chǎng)景中三維空間分割為若干個(gè)等體積的立方格，對(duì)于每個(gè)無(wú)線接入 點(diǎn)，記錄其所能覆蓋的立方格的信號(hào)強(qiáng)度，構(gòu)成該無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)集并上傳到 服務(wù)器；
[0011] (2)所述服務(wù)器將所述每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)中成簇的非零值通過(guò)擬合 函數(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮，并保存于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中；
[0012] (3)用戶終端實(shí)時(shí)感測(cè)并記錄每個(gè)所述的無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并把該信息上 傳至服務(wù)器以請(qǐng)求服務(wù)器進(jìn)行定位計(jì)算；
[0013] (4)服務(wù)器根據(jù)收到的所述用戶終端的信號(hào)強(qiáng)度信息中每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的強(qiáng)度信 息，計(jì)算用戶終端的估計(jì)位置并發(fā)還給用戶終端。
[0014] 所述的立方格的體積為人體體積的一半。
[0015] 所述的立方格的信號(hào)強(qiáng)度具體為立方格中心處的信號(hào)強(qiáng)度。
[0016] 所述步驟（2)中所述服務(wù)器將所述每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)中成簇的非 零值通過(guò)擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮具體為：
[0017] (1)將成簇的信號(hào)強(qiáng)度非零值的立方格按一定長(zhǎng)度進(jìn)行分段；
[0018] (2)對(duì)于步驟（1)中得到的每一段立方格，通過(guò)擬合函數(shù)來(lái)對(duì)該段立方格進(jìn)行擬 合，記為
[0019]dataJ={[isl,iel,pj, [is2,ie2,f2,p2], [isn,ien,fn,Pn]}
[0020] 其中，data'3表示第j個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)，isk、iek為第k段的起始和結(jié) 束立方格的標(biāo)號(hào)，fk為擬合函數(shù)類型，Pk為函數(shù)的參數(shù)向量。
[0021] 所述的擬合函數(shù)包括線性函數(shù)f(x) =ax+b、平方函數(shù)f(x) =ax2+bx+c和指數(shù)函 數(shù)f(x) =aebx〇
[0022] 所述擬合函數(shù)根據(jù)如下方法選擇：
[0023] ⑴對(duì)于每一段立方格，以xg[isk，isk+1，isk+2，…，ij為自變量，ye
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將待研宄場(chǎng)景中三維空間分割為若干個(gè)等體積的立方格，對(duì)于每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)， 記錄其所能覆蓋的立方格的信號(hào)強(qiáng)度，構(gòu)成該無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)集并上傳到服務(wù) 器； (2) 所述服務(wù)器將所述每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)中成簇的非零值通過(guò)擬合函數(shù) 實(shí)現(xiàn)壓縮，并保存于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中； (3) 用戶終端實(shí)時(shí)感測(cè)并記錄每個(gè)所述的無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并把該信息上傳至 服務(wù)器以請(qǐng)求服務(wù)器進(jìn)行定位計(jì)算； (4) 服務(wù)器根據(jù)收到的所述用戶終端的信號(hào)強(qiáng)度信息中每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的強(qiáng)度信息， 計(jì)算用戶終端的估計(jì)位置并發(fā)還給用戶終端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的立方格的 體積為人體體積的一半。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的立方 格的信號(hào)強(qiáng)度具體為立方格中心處的信號(hào)強(qiáng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述步驟⑵中 所述服務(wù)器將所述每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)中成簇的非零值通過(guò)擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)壓 縮具體為： (1) 將成簇的信號(hào)強(qiáng)度非零值的立方格按設(shè)定長(zhǎng)度進(jìn)行分段； (2) 對(duì)于步驟（1)中得到的每一段立方格，通過(guò)擬合函數(shù)來(lái)對(duì)該段立方格進(jìn)行擬合，記 為 data. - { [i sl，iel，f\，P1]，[is2，i e2，【2，P2]，· · ·，[isn，ien，fn，Pn] } 其中，data·3表示第j個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)，i sk、iek為第k段的起始和結(jié)束立 方格的標(biāo)號(hào)，fk為擬合函數(shù)類型，P k為函數(shù)的參數(shù)向量，K k < η。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的擬合函數(shù) 包括線性函數(shù)f (X) = ax+b、平方函數(shù)f (X) = ax2+bx+c和指數(shù)函數(shù)f (X) = aebx。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述擬合函數(shù)根 據(jù)如下方法選擇： (1)對(duì)于每一段立方格，以X e [isk， isk+1，isk+2，· · ·， i J為自變量，y E
為因變量分別代入如下公式進(jìn)行線性函數(shù)、平方函數(shù)和指數(shù)函 數(shù)的擬合；其中n = ek - sk， 線件1?數(shù)f (X) = ax+b的參數(shù)的擬合公式為
平方函數(shù)f(x) = ax2+bx+c的參數(shù)的擬合公式為
(2)對(duì)第（1)步中得到的三個(gè)擬合函數(shù)分別計(jì)算最小誤差平方和SSE，選擇最小誤差平 方和SSE最小者為該立方格段的擬合函數(shù)，最小誤差平方和SSE的計(jì)算公式如下，
其中，Wi表示每一個(gè)樣本數(shù)據(jù)的權(quán)重，y i表示實(shí)際測(cè)量值，f1:表示擬合值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的最小誤差 平方和SSE的計(jì)算公式中的樣本數(shù)據(jù)權(quán)重^為1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4-7中任意所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的 每段立方格的格數(shù)不小于10。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4-7中任意所述的一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述用 戶終端估計(jì)位置的計(jì)算方法為： 所述服務(wù)器根據(jù)收到的所述用戶終端的信號(hào)強(qiáng)度信息中每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的強(qiáng)度信息 在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該無(wú)線接入點(diǎn)與該信號(hào)強(qiáng)度相等的立方格集合；服務(wù)器將針對(duì)每個(gè)無(wú) 線接入點(diǎn)求得的立方格集合做交集運(yùn)算，并求得該交集中所有立方格的質(zhì)心作為用戶終端 的估計(jì)位置。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維WLAN室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：(1)將待研究場(chǎng)景等分為若干個(gè)立方格，對(duì)于每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)記錄其所能覆蓋的立方格的信號(hào)強(qiáng)度；(2)服務(wù)器將每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)分布數(shù)據(jù)中成簇的非零值通過(guò)擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮；(3)用戶終端實(shí)時(shí)感測(cè)并記錄每個(gè)所述的無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，上傳至服務(wù)器以請(qǐng)求服務(wù)器進(jìn)行定位計(jì)算；(4)服務(wù)器根據(jù)收到的所述用戶終端的信號(hào)強(qiáng)度信息中每個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的強(qiáng)度信息，計(jì)算用戶終端的估計(jì)位置發(fā)還給用戶終端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明避免傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法維度災(zāi)難問(wèn)題，將定位范圍擴(kuò)展到三維空間；記錄全場(chǎng)AP信號(hào)強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少存儲(chǔ)空間。
【IPC分類】H04W64-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104684080
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510070419
【發(fā)明人】程久軍, 陳福臻, 鄢晨丹, 吳瀟, 楊陽(yáng), 邵劍雨, 廖競(jìng)學(xué), 秦鵬宇
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月10日