基于壓縮感知的RSS室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著人們對(duì)室內(nèi)定位信息需求的不斷增長(zhǎng),基于位置的服務(wù)和由此帶來(lái)的一系列應(yīng)用在近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注,并日漸呈現(xiàn)出廣闊的商業(yè)前景和巨大的市場(chǎng)價(jià)值。其中,精確、實(shí)時(shí)的室內(nèi)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)基于位置服務(wù)的必要前提和關(guān)鍵。
　　 由于基于無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)的定位系統(tǒng),充分利用了現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,能以

2、純軟件的方式在任何一臺(tái)具有Wi-Fi適配器的智能終端獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)定位,而無(wú)需額外的硬件設(shè)備輔佐,并以低成本的方式將定位系統(tǒng)應(yīng)用到絕大多數(shù)人類的室內(nèi)活動(dòng)范圍,進(jìn)一步滿足室內(nèi)用戶的定位需求,成為本文研究的出發(fā)點(diǎn)。然而,室內(nèi)復(fù)雜電波傳播環(huán)境的特性,對(duì)基于WLAN接收信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。由于RSS受電波傳播距離、室內(nèi)布局、建筑材料、人體吸收、氣候等多方面的影響,僅通過(guò)RSS來(lái)精確描述位置信息較為困難,而現(xiàn)有的室外定位技術(shù)很難滿足室

3、內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的高精度定位需求。
　　 論文對(duì)基于RSS的WLAN室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,基于當(dāng)今信號(hào)處理領(lǐng)域的前沿理論,提出了一套新的定位方案,并在資源受限的智能終端上獨(dú)立開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。論文的最終目的在于提高現(xiàn)有的基于RSS室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度,并在智能終端上開發(fā)一整套室內(nèi)定位、追蹤、導(dǎo)航系統(tǒng),提供給多倫多CNIB1的視力低弱人群,為他們提供室內(nèi)基于位置的服務(wù),具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 1)在定位問(wèn)題上,論文

4、成功地將當(dāng)今信號(hào)處理領(lǐng)域的前沿理論——壓縮感知理論、仿射傳播聚類理論應(yīng)用于室內(nèi)定位機(jī)制[33][66][69][92]。定位原理基于指紋法進(jìn)行,具體包括兩個(gè)過(guò)程,即基于仿射傳播聚類和類匹配的粗定位,以及基于壓縮感知的精定位。在精定位過(guò)程中,論文將定位問(wèn)題描述為稀疏信號(hào)的重構(gòu)問(wèn)題,因而定位系統(tǒng)僅根據(jù)終端設(shè)備對(duì)來(lái)自少量無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point,AP)RSS的測(cè)量,應(yīng)用壓縮感知原理,通過(guò)一個(gè)l1范數(shù)最小化求解而實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)?？紤]到

5、RSS的時(shí)變特性,算法采用不同的粗定位機(jī)制和不同的AP選擇機(jī)制,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。算法較現(xiàn)有同等技術(shù)下的定位機(jī)制,在定位精度和實(shí)時(shí)性上具有較大的提高。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,在使用5個(gè)AP實(shí)現(xiàn)定位的情況下,算法的平均均方根定位誤差為2.1m,同等條件下,較傳統(tǒng)的KNN2確定性算法和高斯Kernel概率性算法的定位精度分別提高了17.3％與12.5％。從誤差累積分布來(lái)看,系統(tǒng)95％概率所能達(dá)到的定位精度,較KNN和高斯Kernel定位機(jī)制分

6、別提高了28.4％與10.2％。論文接著對(duì)該定位機(jī)制在RSS不完全采樣下信號(hào)的重構(gòu)性,和在RSS不精確采樣下系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析,給出壓縮感知實(shí)現(xiàn)精確定位下,AP數(shù)目M與參考點(diǎn)數(shù)目N間的數(shù)量級(jí)關(guān)系,即M=O(logN),并對(duì)精定位過(guò)程中引入的正交化預(yù)操作給予相應(yīng)的理論解釋。論文最后對(duì)不同定位機(jī)制下算法的復(fù)雜度進(jìn)行分析和比較,并將提出的定位機(jī)制在資源受限的智能終端上實(shí)現(xiàn)。
　　 2)論文將定位與追蹤相結(jié)合。在追蹤過(guò)程中,不同于

7、傳統(tǒng)的卡爾曼濾波,論文將來(lái)自室內(nèi)地圖、加速計(jì)、指南針等信息充分融合,在無(wú)線接入點(diǎn)位置未知的情況下,提出基于信息融合的濾波系統(tǒng)[67][91]。該系統(tǒng)將當(dāng)前時(shí)刻的RSS觀測(cè)向量、歷史位置估計(jì),及來(lái)自3D加速計(jì)的運(yùn)動(dòng)模型相結(jié)合,共同完成當(dāng)前時(shí)刻的粗定位；在確保粗定位機(jī)制準(zhǔn)確性的前提下,進(jìn)一步利用卡爾曼濾波器在線性軌跡上對(duì)精定位所得的位置估計(jì)進(jìn)行修正和平滑,而在轉(zhuǎn)角處對(duì)濾波系統(tǒng)進(jìn)行重置,簡(jiǎn)單而成功地在終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)追蹤。在11個(gè)AP的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下

8、,動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的平均均方根定位誤差和系統(tǒng)最大定位誤差分別可達(dá)1.2m和4.2m。從誤差累積分布來(lái)看,系統(tǒng)95％概率所能達(dá)到的定位精度,在同等條件下,較提出的基于壓縮感知的靜態(tài)定位系統(tǒng)、基于KNN和卡爾曼濾波的動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)、基于壓縮感知和卡爾曼濾波的動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng),分別提高了29.4％,44.7％和18.8％。論文接著針對(duì)CNIB特殊人群,設(shè)計(jì)特定的路由尋找和路由分析機(jī)制,并在終端設(shè)備上提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航服務(wù)。
　　 3)論文進(jìn)一步提出相同

9、的壓縮感知原理可用于離線指紋庫(kù)的重構(gòu)[68]。論文將離線階段2D空間上來(lái)自每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度指紋庫(kù)視為一張圖像,由于該圖像在對(duì)應(yīng)頻域內(nèi)傅立葉系數(shù)具有一定的稀疏性,因而可根據(jù)空間少量隨機(jī)參考點(diǎn)上指紋的采集,利用壓縮感知理論和全變分范數(shù)最小化求解對(duì)該圖像進(jìn)行重構(gòu)。該方法為指紋法中離線指紋庫(kù)采集工作量大的問(wèn)題,提出了一種可行的解決途徑,推進(jìn)了指紋法在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用,也為該領(lǐng)域提出了一個(gè)新的研究方向。
　　 4)最后,論文將所提出的定

10、位、追蹤和導(dǎo)航方案進(jìn)一步在PDA(HP iPAQhx4700)和智能手機(jī)(Samsung OMINIA-Ⅱ)兩個(gè)平臺(tái)上開發(fā)并實(shí)現(xiàn)[93]。系統(tǒng)的開發(fā)基于C＃,并將手勢(shì)和語(yǔ)音作為與用戶友好交流的接口,實(shí)現(xiàn)一套完整的室內(nèi)定位、追蹤與導(dǎo)航應(yīng)用。開發(fā)的系統(tǒng)在多倫多大學(xué)Bahen大樓、多倫多Bayview Village購(gòu)物商場(chǎng)測(cè)試,獲得非常理想的效果,并進(jìn)一步在多倫多的CNIB進(jìn)行測(cè)試和推廣,幫助視力低弱人群進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,完成室內(nèi)導(dǎo)航,并由他們