以AP为中心的企业级Wi-Fi室内定位系统的研究与部署

摘要

随着无线网络技术的发展以及移动智能终端的普及，各种移动互联网应用如雨后春笋般进入人们的日常生活。为了满足人们日益增长的基于位置服务的需求，许多科研人员致力于研究在不同的环境中（特别是室内环境）提供更准确的位置估计，越来越多的无线通信技术也被应用到了室内定位的研究当中。其中利用Wi-Fi实现室内定位系统以其实现简单、部署成本低、扩展性强等优点，成为室内定位领域的研究热点。 针对企业级部署的应用场景，本文提出了一种以AP为中心的Wi-Fi室内定位系统。该系统充分利用现有企业级Wi-Fi网络架构，无需额外的硬件设备，部署成本低，扩展性强；定位过程无需Wi-Fi连接、无需安装特定软件，集多目标感知定位与用户主动定位于一体。本文的研究对Wi-Fi室内定位技术实用化做了积极探索。论文的主要工作如下： （1）本文从无线通信理论及IEEE802.11协议层面对常用于Wi-Fi定位的两种信号特征，RSSI与CSI，进行了深入的分析，并通过实验对Wi-Fi信号特征进行提取与对比。针对企业级部署的应用场景，最终选择从AP端嗅探与解析Probe Request帧提取RSSI作为本系统的定位数据源。 （2）本文针对企业级部署场景下的大样本指纹匹配问题，对传统的指纹建立过程及指纹匹配算法进行了改进，使其在定位时效性与定位准确度方面的性能得到了提升。首先本文通过分区域分表建立指纹数据库以及使用K-Means算法对指纹表进行聚类划分，减少了指纹匹配算法的搜索空间，从而提升了算法的时间效率。然后针对传统WKNN算法进行改进，引入AP序列匹配度的计算，进一步消除了由较远参考点引入而带来的定位误差。最后针对大规模部署的指纹更新过程耗时耗力问题，提出了一种基于聚类的指纹局部更新算法。 （3）结合文章的理论分析与定位算法改进，本文实现了以AP为中心的室内定位系统，并将其部署于学校科研楼B座2楼部分区域。最后通过系统实验验证分析了本系统多目标感知定位与用户主动定位的效果与性能。

目录

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缩略词表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究目标和内容

1.4论文章节安排

第二章 Wi-Fi室内定位技术概述

2.1 Wi-Fi技术概述

2.2室内定位算法概述

2.2.1几何映射

2.2.2指纹映射

2.3本章小结

第三章 Wi-Fi信号特征提取与选择

3.1接收信号强度

3.1.1 802.11中的RSSI

3.1.2 RSSI的提取

3.2信道状态信息

3.2.1 CSI的提取

3.3信号特征对比与选择

3.4本章小结

第四章 基于指纹的位置解算方法

4.1 RSSI数据预处理

4.2企业级部署场景下的指纹算法改进

4.2.1分表建立指纹数据库

4.2.2基于K-Means聚类的指纹子簇划分

4.2.3改进的动态WKNN算法 — ApID_WKNN

4.2.4指纹局部更新算法

4.3算法仿真实验与分析

4.4本章小结

第五章 以AP为中心的企业级室内定位系统实现

5.1系统总体架构与技术方案

5.2系统功能模块分析与实现

5.2.1 Wi-Fi嗅探模块

5.2.2指纹与实验数据采集模块

5.2.3定位模块

5.2.4室内地图模块

5.2.5系统展示模块

5.3实验环境与系统部署

5.3.1实验环境介绍

5.3.2室内定位系统部署

5.4系统实验与分析

5.4.1指纹数据采集

5.4.2系统定位时效性及准确度分析

5.4.3多目标感知定位效果

5.4.4主动定位效果

5.4.5系统优势分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果