基于WIFI指纹定位技术的应用

摘 要：本文主要探讨基于WIFI指纹定位系统在定位、指引、位置查询等方面的应用。随着社会的不断进步，大型公共场所例如机场、商业中心、停车场等设施都在向大型化、综合化方向发展。建筑物结构日趋复杂，功能日渐丰富，在带给大家便利的同时也带来了困扰。基于WIFI的定位系统可以很好的解决上述问题，该系统通过记录空间WIFI信号特征，形成WIFI指纹库，将WIFI信号与空间位置绑定，利用移动终端或查询终端提供实时定位信息以及路径规划等功能，动态实现方向指引。帮助用户用最短的时间寻找目标，从而提高公共场所的服务水平与用户体验。

关键词：WIFI指纹；无线定位；AP；定位系统

中图分类号：TP391.44；TP301.6

位置信息在人们的日常生活扮演者重要作用，典型的位置服务（Location Based Service，LBS）包括对周边人物和资源查找、兴趣点推荐、旅游导航、会议指南等。LBS的核心任务是目标人或物的定位，无论在空旷的室外环境还是遮挡的室内环境下，都要求LBS能够快速准确地获得移动终端位置并提供相应定制化、高质量的信息和服务。

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是迄今为止应用最为成功的定位系统，它通过GPS卫星信号接收机捕获，测量来自在轨卫星的广播信号，可以在全球范围提供高精度、全天候的连续定位能力。但在室内和高楼密布的城区等信号遮挡严重的密集环境中，由于接收机捕获不到足够强度的卫星信号，GPS的定位质量难以得到保证甚至无法完成定位，使其可用性收到严重制约。[1]

针对复杂室内环境下的定位需求，基于WIFI位置指纹的定位系统，对室内移动物体及设备提供高精度定位。系统基于IEEE802.11协议，适用于各种灵活拓扑架构的无线局域网，可部署在博物馆、图书馆、机场、校园、医院、商业区、餐饮娱乐场所和住宅小区等多种场景中，并对PDA、笔记本、智能手机、平板电脑等主流移动终端设备提供广泛支持。

1 WIFI指纹定位原理

无线信号的信号强度在空间传播过程中，会随着传播距离的增加而减弱，接收端设备与信号源距离越近，信号源的信号强度就越强；接收端离发送方越远，接收到的信号强度就越弱。根据终端设备接收到的信号强度和已知的无线信号衰落模型，可以估算出接收方和发送方之间的距离，根据估算接收方与多个发送方之间的距离，就可以计算出接收方的位置。但是由于无线信号并不是直线衰弱，所以采用合适的衰落模型至关重要。

目前基本的无线信号传输模型主要有确定性模型和经验模型。确定性模型又称射线光学或者射线跟踪模型，将高频无线信号看作向不同方向发出的光线，再依靠室内环境信息的详细建模，对每一根射线进行跟踪来建立无线信号传播模型。这种方式在小范围内精度还可以保证，但是在远距离情况下及复杂室内环境情况下效果一般，通过不同路径到达接收天线的电磁波产生的多路径效应会对主信号产生严重的干扰。[2]经验模型基于某特定环境下的实际测量结果，在实际中信号源和接收端置于不同距离和位置，测量其功率损耗，通过采集大量数据导出功率损耗曲线及其函数。根据大量实测结果，经验模型更适合室内定位系统的建模。我们使用式（1）对无线信号的路径损耗平均值进行预测：

其中，nA为环境决定的路径损耗指数，对同一楼层的不同区域根据测量采用不同值；W为实验室测定的墙壁衰减因子；dy为发射天线周围等效为自由空间的距离，通常为2.5米。dx为参考点距离。

进行定位时，移动终端将收集到的各个不同信号源在该点的信号强度数据发送给定位服务器，定位服务器根据信号强度的高斯分布的平均值和标准差，根据当前点实时测得的对应信号源的信号强度，去计算覆盖当前点的所有信号源的联合高斯分布概率。这个概率值越大，表示移动终端当前位置越靠近定位服务器已经保存的点。[3]

由于空间是连续的，要想获得空间每一点信号强度的高斯分布是不可能的。所以我们无法获取理想状态下空间的信号强度，为了解决这个问题，可以在特定空间中按一定密度选择一些特征点，这些特征点可以作为系统的训练点。通过训练点将空间网格化。同时，特征点也作为定位终端的基准点来使用。所有的定位结果都以特征点作为参考点产生的。

对于不同环境的无线局域网，首先构建无线信号强度分布图，及构建信号强度经验值数据库，也叫WIFI指纹库。环境平面图、AP位置、AP发射功率均已确定，在移动终端可能出现的概率较大的地方分不同方向，多次采集信号强度。[4]

2 系统搭建与设计

基于智能终端的反向寻车系统包含以下几部分：（1）WIFI覆盖网络；（2）WIFI数据接入网络；（3）定位服务器；（4）客户端。

WIFI覆盖网络由需定位区域的WIFI接入点信号覆盖而成。完成网络覆盖之后，首先需要获取该区域每个位置点上由WIFI信号强度数据组合而成的指纹信息，继而生成指纹数据库，用于指纹匹配定位。[4]

WIFI数据接入网络提供客户端与定位服务器之间的数据通信通道，客户端需通过接入网络向服务器发送所在位置WIFI指纹特征数据，服务器收到客户端数据后进行匹配计算，发送位置信息给客户端，实现实时定位。在实际操作中，客户端可通过WIFI覆盖网络或数据网络（2G/3G）与服务器端进行通讯。

服务器端存放预先采集的指纹数据，运行数据库服务访问数据，并给应用访问提供通讯接口，在服务器端提供数据访问缓冲池，以提高并发访问处理能力，同时服务器端运行web服务，以便于处理客户端、数据库间的接口通信。

客户端为带有WIFI功能的智能设备，该设备上安装WIFI定位应用，定位应用采集所处位置的各接入点的WIFI信号强度，并与服务器通信上报指纹数据和接收位置信息。位置信息被转换为标准坐标，用户可利用标准坐标实现定位。

3 总结

该系统硬件设备简单，施工难度低，可利用现有WIFI信号建立WIFI指纹库。经实际检测，系统定位精度可达到3至5米。通过本文所描述的WIFI指纹定位系统可方便的布置到诸如停车场、商场、机场实现寻车定位、商场导购、机场信息指引等功能。

参考文献：

[1]林以明，罗海勇，李锦涛，赵方.基于动态 Radio Map 的粒子滤波室内无线定位算法[J].计算机研究与发展，2010.

[2]Ville，Tommi，et al.A Comparative Survey of WLAN Location Fingerprinting Methods. Proc. of the 6th Workshop on Positioning， Navigation and Communication 2009， 243-251，2009.

[3]林玮，陈传峰.基于RSSI的无线传感器网络三角形质心定位算法[J].现代电子技术，2009（02）.

[4]徐凤燕，李宾，王宗欣.一种新的基于区域划分的距离-损耗模型室内WLAN定位系统[J].电子与信息学报，2008（06）.

[5]董梅，杨曾，张健，王能.基于信号强度的无线局域网定位技术[J].计算机应用，2004（12）.

作者单位：北京首都国际机场股份有限公司，北京，100621