室内定位使用调频信号

摘要——基于指纹识别的室内定位的主要挑战是设计的鲁棒性和歧视性的无线签名。即使在室内广泛提供 WiFi 接收信号强度指示 （RSSI） 签名，，他们随着时间的推移会发生显著的变化，容易受到人类的存在，多径，以及由于高的工作频率衰落。要克服这些限制，我们建议使用 FM 广播信号的鲁棒性的室内指纹。较低的频率，调频信号更不易受人类的存在，多径，以及衰落，他们表现出特殊的室内渗透，和根据我们的实验研究它们的变化随着时间的推移更少相比，WiFi 信号。在本文中，我们证明通过详细的实验研究，在三个不同的楼宇内穿过美国 FM 无线电信号 RSSI 值可以用于实现文件室级别室内定位相似或更好的精度，对 WiFi 信号所取得的。此外，我们建议使用在物理层 （即，信噪比、 多径效应等） 的附加信号质量指标来增强无线的签名，并表明超过 5%，可进一步提高定位精度。更重要的是，我们通过实验证明调频和 WiFi 信号的定位误差是独立。当调频和 WiFi 信号相结合，生成无线指纹时，定位精度增加多达 83%（当会计无线信号时空变化） 相比，当 WiFi RSSI 只用作签名。

索引术语 — — FM、 室内定位、 移动系统、 指纹识别、 无线

1介绍

精确的室内定位信息有可能彻底改变人们的方式搜索、 查找和定位到 GPS 彻底改变人们在户外导航的方式以类似的方式在建筑物内部的兴趣点。例如，在一个商场的用户可以利用他的移动设备，配备精确室内的定位技术，以即时搜索、 查找和导航到任何存储在商场里的实时转由转动方向。当走进一家商店，用户的移动设备可以自动提供确切的过道或部分所需的产品所在的方向。同时，企业和广告主可以推向优惠券和优惠用户实时基于他目前的位置在商场或商店，最大化客户定位效果。

启用这些方案已经已具有挑战性的主要原因的 GPS 信号在室内环境中不可用。在没有 GPS 的情况下，基于指纹识别的室内定位技术已经向室内定位 [1] [2] [3] 最准确的方法。基于指纹识别的方法面临的主要挑战是设计的鲁棒性和歧视性的签名。最流行的方法，不需要任何硬件部署，已经能够利用已经可用的无线信号 （例如，WiFi，细胞） 来配置文件的位置，通常在接收到的信号强度指示器 （RSSI） 值 [1]，[4] 的形式。在以往的工作的 WiFi 信号的 RSSI 值有被主要用于这一目的的 WiFi 接入点广泛部署在室内，以及每个移动设备配备一个无线接收器。

即使这种方法已经成功的在本地化人在粗，颗粒 （例如，在建设水平 [5]），它具有几个局限性考虑室内环境中，一个人需要本地化的房间一级的地方时。首先，运行的频率范围的 WiFi 信号使它们易受人类的存在和取向以及对小物体的存在在一个房间里。这将引入变异可能会导致本地化错误的记录的指纹。第二，几个已部署的 WiFi 接入点属商业性质和雇用的优化，频率跳变，从而提高网络的吞吐量。这些优化可以导致在变异中观察到的接收的信号强度 （即 RSSI 值变化跨 wifi 上网渠道），因此在本地化过程中。第三，WiFi RSSI 值表现出随时间，正如我们在本文中，显示可能会反过来影响定位精度的高变化。第四，WiFi 接入点的覆盖区是大大减少在室内环境中，由于存在的墙壁和金属物体，方便地创建盲点 (i.e.,basement，停车场角落房建筑等）。

为了解决这些限制，我们研究的可行性的利用替代的无线信号，以增强或甚至取代 WiFi 信号的指纹。尤其是，我们建议使用 FM 广播信号的指纹的室内环境。调频信号在频率范围为 88-108 MHz，在美国，这使得他们不易的存在和人类和小对象 [6]，[7] 的方向运行。此外，调频信号也明显强于 WiFi 信号意义上它们可以轻松地覆盖地区数百公里，同时实现好室内渗透 （见表 1）。从基础设施的角度来看，有数以千计的正在播放不断在整个世界，消除部署任何自定义的基础结构需要的商业和业余调频信号。此外，大多数移动设备，甚至下端，配备都是低功率的 FM 无线电接收器和成本较低相比 WiFi 接收器 （见表 1）。

表1 WiFi和调频广播信号的基本属性

然而，在 FM 无线电信号的情况下访问点 (调频塔) 位于多达几百公里远的地方从用户和传输信号在很高的功率。其结果是，记录的 FM RSSI 签名可能会不会穿过附近的地点，表现出明显的变化，因此细晶粒本地化可能不可行。以前的工作，已经审查了利用 FM 无线电信号为在户外环境中的定位已经通过展示粗粒度定位精度验证这种直觉 （如 zip 代码级别 [8] 或几万米的 [9]）。然而，在 FM 无线电信号的情况下访问点 (调频塔) 位于多达几百公里远的地方从用户和传输信号在很高的功率。其结果是，记录的 FM RSSI 签名可能会不会穿过附近的地点，表现出明显的变化，因此细晶粒本地化可能不可行。以前的工作，已经审查了利用 FM 无线电信号为在户外环境中的定位已经通过展示粗粒度定位精度验证这种直觉 （如 zip 代码级别 [8] 或几万米的 [9]）。

在本文中，我们通过详细的实验研究表明可用 FM 广播的无线电信号来实现文件室级别室内定位相似或更好的精度，对 WiFi 信号所取得的。即使在附近的户外地点有 FM 收音机的接收效果可能不显著变化，在室内环境的情况下建筑的内部结构会大大影响传播的 FM 无线电信号，提供足够的分辨率在 FM 信号的签名中准确定位的移动设备。

本文进行了以下几个方面的工作：

1.我们通过FM 收音机信号能够实现类似房间级精度时相比，WiFi 信号的室内环境中，美国 （某住宅楼、 办公楼和购物中心） 通过三个具代表性的建筑物的详细实验演示。

2.我们建议利用额外的资料，在物理层上，如多径或频率偏移的信息，以创建更可靠的指纹图谱的室内空间，并证明通过真实的实验，这种方法可以提高基于调频无线电室内定位精度超过 5%时相比，通过 FM 或 WiFi RSSI 只有签名的准确性。

3.我们详细研究无线信号随时间变化的影响，并表明 WiFi RSSI 值表现出随时间相比 FM RSSI 值显著高于变异。这使基于调频的室内定位实现大约 57%更高的房间级的定位精度，在考虑无线信号的时间变化时。

4.我们通过实验证明调频和 WiFi 信号是补充在他们的本地化错误是独立的感觉。我们的实验结果表明当调频和 WiFi 信号相结合来生成指纹，定位精度提高 11%（不随时间变化的会计） 或高达 83%（当会计的无线信号时序变化） 相比，当 WiFi RSSI 只用作签名。

2 体系结构概述

图 1 概述了拟议的 indoorlocalization 方法。在大多数的指纹识别方法，有培训和定位的阶段。训练阶段负责收集形成指纹数据库的 locationannotated 无线信号指纹。指纹数据库可以是自动众包从真正的移动用户，因为他们签入到不同的企业或它可以手动创建通过详细分析。每次业务检查中发生，无线指纹记录在移动设备上，从自由可用的 web 服务中检索的营业地点。正确标注业务的位置信息记录无线指纹并存储在数据库中。在定位阶段，移动设备记录其无线信号指纹和相比较，然后在数据库中可用的指纹。用指纹是最接近记录在移动设备上，在距离度量，如欧几里得距离的指纹数据库中相关联的位置被假定为当前设备的位置。

图 1 (a) 培训和定位阶段的室内定位 (b) 信号指纹使用调频和 wifi 上网

图 2 在我们实验的研究中使用不同建筑物的地图和尺寸

基于指纹识别的定位中最具有挑战性的任务是指纹本身的工程。若要启用准确的定位，指纹需要精心的策划，所以，连附近的位置有足够不同的指纹。大多数以前的方法已经作为接收的信号强度 （RSSI） 附近的 WiFi 接入点的无线信号指纹。在本文中，我们扩展了这种方法的两种基本方式。第一，我们增加无线的指纹，包括获得通过 FM 无线电信号的 RSSI 信息。如图 1b 所示，移动设备记录从一个或多个无线电发射塔播出的几个调频无线电站信号 RSSI 信息。每个调频频率的 RSSI 值可以和 WiFi RSSI 值用于形成无线指纹。通过 WiFi RSSI 结合 RSSI 值从另一个不太容易被人类的存在和取向、 小对象、 和多径衰落由于其较低的波长的无线信号，我们管理要编码的位置到无线信号指纹，因为它将在晚些时候，所示可以导致更好的定位精度更鲁棒概况。

第二，若要启用独特的指纹，即使对于附近的地点，我们打算提取更详细的信息，这是超越 RSSI，在物理层 （见图 1b）。即使 RSSI 已被证明是一个良好的高级别信号指示器，它不提供必要的粒度，使鲁棒的细晶粒本地化。例如，RSSI 值在不同的房间，一座大厦内可能是相同的因为不同的原因，例如人类的存在和多径效应。然而，较低级别的信息，在物理层上，例如信号信噪比 （SNR） 和多径指标，可以提供足够的洞察力 RSSI 值如何生成的。例如，在一个房间里反映了无线信号的方式很独特，它取决于房间的设置和建设中的位置。其结果是，多径指标可能会在房间不同，即使这些房间的 RSSI 值可能相同。通过增加额外的低级信号指标的无线信号指纹，我们启用指纹来捕捉更强大信息无线信号传输，它从当前的房间结构受影响的方式。此信息最终可以用于区分具有相同的 RSSI 值的两个房间。

请注意，此信息可加以利用的任何无线信号 （例如，WiFi），只要它暴露了通过软件驱动程序。事实上，最近的 Senetal。[12] [13] 利用 802.11 n PHY 层 （OFDM） 脉冲响应和报告显著定位精度增益。在本文中，我们专注于调频无线电信号，因此利用 FM 无线电信号的唯一的附加信号指标。不过，我们相信 WiFi、 FM 附加信号指标也获得 PHY 层可以提高定位精度的其他无线信号。

3 实验装置

为评价方法，提出我们进行了详细的试验 （参见图 2） 的三种典型的建筑环境中： 一个办公楼 a 大企业校园，组成各种餐馆和零售商店的购物中心和一个典型的美国住宅公寓。办公室和购物中心的建筑是位于美国西海岸主要企业校园的一部分。两座建筑有一个钢骨架，和他们的外围由大窗户。办公大楼由三个不同的楼层，用含有大约 40 个房间的 9 英尺 9 英尺大小，每个每层楼组成。购物中心建设包括单层 13 大房间总人数 （即 100 英尺 30 英尺） 不同大小和形状 （见图 2b）。住宅建筑位于在美国东海岸的主要城市，采用钢-钢筋混凝土。特定的寓所异形在这项研究包括五个不同的房间中图 2c 所示。

图 3 数据收集安装程序基于 SI 4735 FM 无线电接收机从硅实验室和英特尔 WiFi 链接 5300 无线网卡连接到联想 T61p 笔记本电脑。

所有建筑物都有特殊的 WiFi 和 fm 调频信号覆盖。在数据收集过程中我们分别录得 434、 379 和在办公室、 购物中心及住宅楼宇的 117 独特的 WiFi 接入点。在办公大楼的每个房间里，我们可以听，平均来看，32 的 WiFi 接入点。每个房间的所有三个建筑物，调频接收机得以调到超过 32 的调频广播电台。

3.1 硬件

调频无线电签名收集使用 SI-4735 FM 无线电接收机从硅实验室 [11] （见图 3）。特定接收器被选为两个原因。首先，硅实验室 FM 无线电接收机是各种各样的消费产品如汽车、 手机、 便携式媒体播放器中很受欢迎。这使我们得以今天实验与最广泛使用的调频接收机的市场之一。第二，特别是接收机是那些低级的接收信号将信息暴露给应用程序层的几间。尤其是，除了 RSSI 值报告，它提供的信号接收三个附加指标： 信号噪声比，多路径 （多路径） 和频率偏移量 （FREQOFF）。信噪比 0 和 128 分贝之间的值，指示接收到的信号如何强相比噪音 （即，干扰、 信号反射等）。多径以介于 0 和 100 之间的值，指示当前的信号接收的多径效应 （即数量和功率的无线信号反射） 的严重级别。FREQOFF 大多需要介于 10 和 10 之间的值，并量化实际接收到的信号与标称频率 （例如，88.1 兆赫） 在载波频率上的区别。即使载波频率变化的主要来源是参考晶体频率发射器和接收器之间的差异，其他来源，如多普勒的传播，也有助于 FREQOFF。尤其是，传输信号的多径分量，通过不同的路径长度可变，导致静态的到达接收器或移动附近的对象，助长多普勒波及效应，增加信号的带宽，并影响 FREQOFF 值。RSSI、 信噪比、 多径干扰和 FREQOFF 指标组合表示 FM 签名收集在每个地点在数据收集过程中 （见图 1b）。

为嵌入式系统，比如手机，在空间和大小很重要，调频接收机可以连接到可以直接实现该设备的主要 PCB 贴片天线。这将使该设备以获取可靠的信号的读数，消除当前用作 FM 天线在大多数手机上的松散的耳机线的不可预见性。不幸的是，我们没有能够找到任何符合设计标准的硅实验室当前的调频接收机的贴片天线。其结果是，我们选择使用典型的 FM 天线提

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[505841]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word