本發(fā)明涉及室內(nèi)定位的實現(xiàn)方法，具體地，涉及一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法。。

背景技術(shù)：

隨著社會和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于位置信息的獲取有了越來越大的需求。與此同時，智能終端在人們生活中也越來越普及，因此利用智能終端來獲取位置信息有了極大的實現(xiàn)意義和價值。據(jù)研究表明，人們有80%以上的時間在室內(nèi)活動，餐飲，購物，智能家居等等方面都需要位置信息。公共安全、應急救援、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市建設(shè)等方面也都需要準確的室內(nèi)位置信息作為支持。因此，如何設(shè)計出合適的室內(nèi)定位方案來滿足人們的日常生活需求就成為一個尤為關(guān)鍵的問題。

全球定位技術(shù)（gps）作為一項成熟的技術(shù)雖然能實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實時室外定位，但是室內(nèi)環(huán)境中接收到的gps信號常由于建筑物以及樹木的遮擋而使信號強度大大降低甚至消失，室內(nèi)定位精度會受到嚴重的影響。

目前，移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)、wlan、zigbee、bluetooth和uwb(ultrawideband)等新興無線電技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)走入了室內(nèi)環(huán)境并得到了廣泛的應用和發(fā)展。利用這些新興技術(shù)進行室內(nèi)定位也成為研究人員關(guān)注的焦點。尤其是基于ieee802.11通信協(xié)議的無線局域網(wǎng)絡(luò)（wlan）和各種智能終端的廣泛普及，使得基于wlan的室內(nèi)定位技術(shù)低成本、廣覆蓋、高精度的應用優(yōu)勢更加明顯?；趙lan的室內(nèi)定位技術(shù)在近幾年得到了飛速的發(fā)展，研究的主要方向是利用測量所得到的rssi值對物體進行定位。但是因為室內(nèi)環(huán)境的復雜性和不確定性，無線局域網(wǎng)接入點位置的不確定性等諸多因素的影響，基于wlan的室內(nèi)定位方法仍然有很深遠的研究前景。

然而，無論哪一種無線通信技術(shù)都受到應用場景、覆蓋范圍和傳輸速率的限制，不能給用戶提供完美的綜合無線接入服務。用戶多樣化的業(yè)務需求決定了未來無限通信網(wǎng)絡(luò)將向多種接入服務相互融合、相互補充的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)（heterogeneouswirelessnetwork，hwn）上發(fā)展。其中，采用wlan和蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行融合室內(nèi)定位就能達到較好的效果。wlan網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高、部署簡單，但覆蓋范圍有限且每個wlan網(wǎng)絡(luò)相互獨立，此時移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、無縫切換的特點正好彌補了上述不足。目前關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合定位方法并不多，本發(fā)明正是結(jié)合wlan和移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點，設(shè)計了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和wi-fi網(wǎng)絡(luò)融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法，旨在解決傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法復雜度較高以及現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位算法定位精度不高以及系統(tǒng)較為復雜的問題。

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：

步驟一：利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號對室內(nèi)環(huán)境進行初定位，確定初定位區(qū)域，其中包含利用單一制式網(wǎng)絡(luò)和多種制式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合的定位方案；

步驟二：利用wi-fi網(wǎng)絡(luò)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)初定位區(qū)域進行精確定位。

進一步地，步驟一中包含離線階段和在線階段兩個階段，其中：

1）離線階段包括：

步驟a：對室內(nèi)環(huán)境進行分析，取適當間隔建立網(wǎng)格指紋庫參考節(jié)點，記錄每一參考節(jié)點的坐標；

步驟b：測量每一參考節(jié)點i接收到的不同制式的接收信號強度值（rss）信息，其中接收到的rss值應多次測量，包括不同天數(shù)，不同時段，以降低信號強度值的隨機擾動；

步驟c：對每一制式的rss值序列進行分析，擬合成高斯分布曲線，得到參考節(jié)點i的信號強度的均值μi和標準差σi，其中均值μi即作為參考節(jié)點i的信號強度值rssi；

步驟d：對室內(nèi)環(huán)境所有參考節(jié)點每一制式的信號強度值方差進行分析，得到整個環(huán)境的平均標準差σ；

步驟e：通過插值建立整個室內(nèi)區(qū)域的信號強度分布圖。

2）在線階段包括：

步驟a：測量未知節(jié)點的信號強度值信息rssun；

步驟b：取信號強度值滿足[rssun?2σ,rssun+2σ]區(qū)間的區(qū)域作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)初定位區(qū)域；特別地，如果可以測量到多制式蜂窩網(wǎng)絡(luò)，則可以利用同時滿足每一制式的[rssun?2σ,rssun+2σ]區(qū)間條件得到的區(qū)域結(jié)果作為聯(lián)合初定位區(qū)域。

進一步地，步驟二中也包含離線階段和在現(xiàn)階段兩個階段，其中：

1）離線階段包括：

步驟a：在室內(nèi)區(qū)域中任選若干個位置點，測量不同時間段來自不同接入點（ap）的信號強度若干次，統(tǒng)計分析信號強度值的分布，計算得到每一點的信號強度波動范圍并利用高斯分布統(tǒng)計擬合出標準差的數(shù)值。

步驟b：計算得到室內(nèi)區(qū)域wi-fi信號的平均信號強度標準差，按照不同大小的網(wǎng)格區(qū)域布置參考節(jié)點并進行模擬仿真，并根據(jù)仿真中的定位精度、定位時間和網(wǎng)格大小與精度轉(zhuǎn)換比三個維度利用層次分析法確定最佳網(wǎng)格大小，其中層次關(guān)系示意圖如圖1所示。

步驟c：利用主元分析法對定位結(jié)果進行分析，得到最優(yōu)ap個數(shù)的確定方案，在計算時只取前若干ap個數(shù)進行計算。

步驟d：根據(jù)上一步得到的網(wǎng)格大小在室內(nèi)布置指紋參考節(jié)點，在每個參考節(jié)點測量從不同ap接收到的信號強度信息，并用向量表示為，其中i表示第i個參考節(jié)點，n表示第n個ap節(jié)點。

步驟e：將參考節(jié)點的信號強度向量和它對應的物理位置信息存儲在指紋數(shù)據(jù)庫中。

2）在線階段包括：

步驟a：測量待定位節(jié)點的信號強度信息，并用向量表示為：。

步驟b：利用曼哈頓距離計算待定位節(jié)點與初定位區(qū)域內(nèi)每一個參考節(jié)點的信號強度“距離”，并只取待測節(jié)點收到信號強度最強的前若干個ap點的信息進行計算。待定位節(jié)點與第i個參考節(jié)點之間“距離”的計算公式為：

其中曼哈頓距離是每一維向量的絕對值的累加，m表示截取的前m個ap節(jié)點。

步驟c：對di進行排序，取出前k個信號強度“距離”最近的參考節(jié)點。對它們的物理位置信息加權(quán)計算得到待定位節(jié)點的位置信息。權(quán)值計算公式為：

其中的值之和為1。

步驟d：利用k個節(jié)點的權(quán)值和其對應物理位置計算得到待定位點物理位置信息。

與傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位算法和基于wknn的wi-fi室內(nèi)定位算法相比，本發(fā)明的有益效果是：

1）采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)初定位，wi-fi網(wǎng)絡(luò)精確定位的方法，很好的降低了系統(tǒng)復雜度，減少待定位點定位的計算時間；

2）采用基于標準差參數(shù)的網(wǎng)格大小確定方案，使得網(wǎng)格大小的選擇有據(jù)可循，定位更加高效精確；

3）采用多制式的蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合定位，充分利用可以獲取的信息，減小初定位區(qū)域，降低后續(xù)計算時間；

4）采用基于曼哈頓距離的wi-fi定位方法改進方案，提高了定位精度。

附圖說明

圖1是實驗的平面區(qū)域圖。

圖2是實驗流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，下面結(jié)合基礎(chǔ)基論、公式附圖，按照基本原理、宏觀流程、具體步驟的順序?qū)Ρ景l(fā)明做進一步的詳細說明。

實驗地點選在中南大學新校區(qū)物理樓6樓區(qū)域，實驗的平面區(qū)域圖見圖1。實驗區(qū)域長23米，寬16.5米，其中小房間長為7.5米，寬為4米，大房間的大小是小房間的兩倍，其中長為7.5米，寬為8米。其中布置若干路由器接入點用于定位，用五角星表示。蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用手機接收到的信號制式進行實驗。

實驗階段分為兩個步驟，離線階段和在線階段，其中每個階段都包含對蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號和wi-fi網(wǎng)絡(luò)信號的處理，實驗流程圖如圖2。

步驟一：離線階段構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫。

特別地，步驟一分為如下幾個步驟：

步驟a：選取蜂窩網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點，節(jié)點間的間隔為3-5米，在參考節(jié)點測量記錄信號強度信息，插值擬合得到室內(nèi)區(qū)域信號強度分布圖，并記錄信號強度平均標準差。

步驟b：在室內(nèi)環(huán)境的不同區(qū)域選取若干個點進行測量，多次測量記錄每一點的wi-fi信號強度值，并分析測量的信號強度標準差，取測量點的標準差平均值作為整個環(huán)境的信號強度測量標準差，標準差的值一般在2-4之間。

步驟c：利用室內(nèi)環(huán)境的標準差，根據(jù)所用層次分析法的三個要素定位精度、定位時間和間隔大小與精度轉(zhuǎn)換比對不同的網(wǎng)格間隔進行模擬仿真，取最優(yōu)的參數(shù)作為網(wǎng)格間隔大小的參考依據(jù)。同時利用仿真，利用主元分析法減少利用的ap個數(shù)，減少計算時間。

步驟d：按照上步得到的網(wǎng)格大小在室內(nèi)環(huán)境分布參考節(jié)點，并分別計算來自每個ap的信號強度值，并用向量表示，建立信號強度向量和實際物理位置的一一對應關(guān)系，保存在指紋庫中。

步驟二：在線階段得到待定位點位置信息。

特別地，步驟二分為如下幾個步驟：

步驟a：測量待定位點的蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號強度值rssun，取蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號分布圖中滿足[rssun?2σ,rssun+2σ]區(qū)域作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)初定位區(qū)域；若存在多制式蜂窩網(wǎng)絡(luò)，則去每個制式分布圖中均滿足[rssun?2σ,rssun+2σ]的區(qū)域作為初定位區(qū)域。

步驟b：測量待定位節(jié)點得到的來自不同ap的wi-fi信號強度值，并計算與在初定位區(qū)域的wi-fi指紋庫參考節(jié)點的信號強度“距離”。

步驟c：對“距離”進行排序，取前k個“距離”最近的參考節(jié)點，分別給他們分配權(quán)值，并計算得到待定位點的位置。

需要指出的是，本發(fā)明所訴的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其它實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。