基于局部線性回歸的無線定位技術研究

1、TechniquesofAutomation無線定位WiFiRSSI位置權重中圖分類號:TP391.4文獻標識碼:A文章編號:10037241(2017)12005906WirelessLocationTechnologyResearchBasedonLocalLinearRegressionWANGZhuxianGUANXingminPANXue(HeilongjiangProvinceMeteologicalDataCenterHa

2、rbin150000China)Abstract:Akindofwirelesslocationtechnologyisimplementedinthisresearch.ThealgithmisbasedonlocallinearregressionofmachinelearningitusesWiFiwirelesssignalincoveringroom.Thistechniqueconstructsspecialfittingf

3、mulabylocallinearregressionusesthefittingfmulatoestimatethedistancebetweenthetargetterminalthewirelessrouteitcombinestherangingalgithmtopredictthepositionofthetarget.Indertoimprovethepositioningaccuracythistechniqueimpro

4、vesthetraditionalrangingalgithmbasedonRSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)introducestheconceptoflocationweighttorealizetheglobaloptimizationofthesystem.Theexperimentalresultsshowthatthetechnologyachievestheindoposition

5、ingpredictionerrlessthan2metersofwhich78%ofthetestsampleerrwithin3meters90%within6meters.Thisshowsthatthecombinationoflocallinearregressionalgithmofwirelesspositioningtechnologycaneffectivelycontroltheerrrangeimprovethep

6、ositioningaccuracy.Withwirelessroutingwirelesshotspotsintheindoenvironmentofthefullcoveragethetechnologyintheindopositioninghasaverywiderangeofapplications.Keywds:machinelearningwirelesslocationWiFiRSSIlocationweight收稿日期

7、:201711071引言隨著智能手機的普及使越來越多的人可以享受GPS等衛(wèi)星定位服務[1]輕松找到自己想要到達的目的地無線定位技術已經(jīng)在社會的各個領域扮演關鍵的角色為人們的生產(chǎn)生活帶來了極大便利。而由于建筑物對衛(wèi)星信號有屏蔽作用使GPS定位在室內(nèi)的效果并不理想室內(nèi)定位也因此成為了比較困難的課題。隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展大多數(shù)室內(nèi)場所已經(jīng)被WiFi信號覆蓋結合無線定位技術和智能手機優(yōu)秀的計算能力使基于WiFi無線信號的室內(nèi)定位成為可能。目前室內(nèi)

8、定位系統(tǒng)被廣泛地應用于地理信息系統(tǒng)、室內(nèi)機器人定位[2]、員工簽到、大型商場導航等領域?？紤]到成本和定位精度的雙重限制WiFi定位具備低成本和低功耗等優(yōu)點。目前WiFi定位技術的核心算法主要有測萬方數(shù)據(jù)TechniquesofAutomation&Applications|61《自動化技術與應用》2017年第36卷第12期通信與信息處理CommunicationInfmationProcessingτ是權值變化速率p是待測信號的強度。通

9、過迭代的方式對參數(shù)X和參數(shù)A進行特征估計目的是使損失函數(shù)最小化這一過程可以使用梯度下降的思想實現(xiàn)。圖1損失函數(shù)最小化流程實驗中上述運算總能收斂于某一極小值因此參數(shù)X、A的初始值可以是任意的合適的初始值可以使收斂所需的迭代次數(shù)較少。經(jīng)過一定次數(shù)的迭代計算最終得到如圖2所示的信號傳播模型其中橫坐標表示電信號強度縱坐標表示距離Pd曲線是F(Pi)的估計函數(shù)。圖2P=0A=0N=500時F(Pi)的擬合函數(shù)3無線定位算法無線網(wǎng)絡算法主要包括預測

10、距離和數(shù)據(jù)庫匹配由于基于距離的定位成本低精度高目前大部分定位應用均采用測距的方案。測距算法的核心是解距離方程[9]根據(jù)無線設備間的相對距離和某一端的絕對坐標推測另一端的坐標。無線定位算法的難點是由室內(nèi)環(huán)境導致的無線信號受地形和人為活動等干擾噪聲的影響使定位結果不夠精確。在該研究中采用一種位置權重的思想來淡化噪聲對預測的干擾。3.1測距定位的基本原理測距定位是在一個到多個信號發(fā)生器位置已知的條件下通過接收端收到信號的強度推算距離進而預測接

11、收端位置的技術。當多個信號發(fā)生器不共線時以各節(jié)點為圓心距離為半徑畫圓其公共交點即接收器的位置。如圖3所示最少需要三個節(jié)點可以預測一個接收器的位置前提是該接收器在三個發(fā)射器的信號覆蓋范圍內(nèi)該算法也被稱作三邊定位法。圖3三邊定位原理其中信號接收端坐標必滿足公式(4)并且Xrf=(xaxbxc)Yrf=(yaybyc)Rrf=(rarbrc)。當信號發(fā)射端的坐標已知時公式(6)簡化為公式(7)即輸入接收信號強度就能輸出其所在位置的坐標。(6)

12、(7)3.2位置權重位置權重思想旨在以距離估計為基礎利用信號的統(tǒng)計特性對不同的距離進行有效加權加權結果體現(xiàn)在選擇哪個位置作為最終的結果上[10]。在理想環(huán)境下距離與信號強度是一一映射的關系[11]而在現(xiàn)實環(huán)境中存在信道噪聲、信號衰減系數(shù)、接收天線方向等不確定因素會導致定位精度受到極大的影響。信號強度和距離如公式(6)所示是多對多的映射關系。研究表明干擾噪聲X服從高斯分布[12]通過統(tǒng)計信號的均值μi和方差再根據(jù)方差大小確定加權范圍根據(jù)概