室内被动定位项目方案建议书

1、-. z.室被动定位市场需求案例1：系统的基本设想是利用AP检测周围的打开wifi的wifi设备（主要是智能手机）的信号，从而得到这些设备的MAC地址和wifi 信号强度等信息。统计这些信息，并根据信号强度可以计算出粗略的用户位置。这些信息对于线下商场等商务场合统计用户信息，挖掘潜力用户是很有价值的；另一类是马路边统计车流。案例2：主流技术手段及已有项目积累对于室定位而言，确定性定位算法和概率性定位算法是两个主要的室定位算法。确定性定位算法一般是基于TOA、TDOA、角度类信息来计算目标位置，这类方法多用于UWB（抗多径能力强）、超声波系统（时间要求精度低）。概率性算法一般基于RSSI构建的指

2、纹库搜索定位或RSSI反推传播距离，这类算法定位精度低，多用于wifi、蓝牙等系统。解决方案及系统架构考虑到本项目的应用目的，建议采用基于wifi/蓝牙的指纹定位方法，一方面不需要定制终端，直接利用手机自带的wifi模块或蓝牙模块即可完成定位；另一方面考虑到被动定位的需求，可以不再终端上安装任何软件，只在网络侧完成定位。下面对该定位方案及系统处理流程详述。基于地理指纹的室被动定位所有的WiFi终端有两种方式可以获取周围的无线网络：一种是被动扫描，移动终端通过监听周围AP发送的Beacon（信标帧），该帧提供了AP及RSS信息；另一种是主动扫描，移动终端主动发送一个探测请求帧（Probe Req

3、uest帧），通过收到探测响应帧（Probe Response）获取网络信号。本方案利用移动终端主动扫描接入AP时，AP被动接受其RSS来完成被动定位。研究发现，移动终端发出的探测请求帧里面包含有MAC地址，监听由移动终端发出的探测请求帧（Probe Request帧），提取其中的MAC地址、时间戳、RSS。基于以上分析，本方案提供一种被动定位数据采集方法，移动终端MT（mobile terminal）具有WiFi模块，利用移动端在WiFi打开时，会发出扫描信号，通过室部署的AP检测扫描信号，捕获移动终端MT的信号强度RSS，交由服务器在已经体现训练好的指纹数据库中进行匹配搜索，完成室被动定位

4、。方案示意图：本方案提供一种新型的获取RSS技术来监督无线终端。在获取RSS值时，移动终端并未和接入点设备，在移动终端仅仅打开WiFi功能，即可实现移动终端的RSS捕获。被动定位系统处理流程：构建地理指纹数据库：离线阶段在室各个参考点处，检测移动终端的RSS离散值，每个AP获取的RSS组成一个向量，同时计算在一段时间每个AP上RSS值对应的先验概率。这些概率值和RSS组成一个矩阵离线地图（地理指纹数据库）。预先标定每个参考点位置坐标，建立各AP端捕获移动终端接收信号强度矩阵（ REF _Ref434167799 h * MERGEFORMAT 表 1），一段时间，每个AP共获取n个RSS值，并

5、在统计后获得各个RSS值对应的先验概率矩阵（ REF _Ref434168102 h * MERGEFORMAT 表 2）；表 SEQ 表 * ARABIC 1*参考点RSS矩阵AP1AP2APm时间点1RSS11RSS21RSSm12RSS12RSS22RSSm2n-1nRSS1nRSSmn表 SEQ 表 * ARABIC 2*参考点RSS先验概率矩阵RSSj1RSSj2RSSjnAP1P11P12P1n2m-1mPmn注：构建以上两个矩阵时进行向量预处理，将不满足阈值的值剔除阈值：接收信号强度：；先验概率：在线定位：通过先验概率最近邻”算法与指纹库里每个参考点的RSS值做匹配运算，取出差别

6、最小的前K个参考点，利用选出的参考点的坐标取平均值，得到最终定位结果。KNN算法：根据移动终端在测试点处RSS值、参考点RSS值和先验概率，计算测试点与参考点的欧氏距离（公式 GOTOBUTTON ZEqnNum558923 * MERGEFORMAT REF ZEqnNum558923 * Charformat ! * MERGEFORMAT (1)），提取欧氏距离最短的前K个参考点，求其坐标的平均值作为测试点的定位坐标 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTEqn c * Arabic

7、* MERGEFORMAT 1)其中，表示移动终端在测试点处第j个AP接收的信号强度，共m个AP；表示第j个AP的RSS平均值。定位算法之前简单起见，以KNN算法为例，介绍了整个定位流程，此处重点介绍P-KNN算法。RSS统计分布并不是服从高斯分布，大部分是偏左，这是因为室条件下移动终端与AP间的视距条件，在恶劣情况下，甚至产生严重的2峰值。P-KNN：将离线阶段每个RSS值得先验概率运用到计算欧氏距离中（如公式 GOTOBUTTON ZEqnNum203909 * MERGEFORMAT REF ZEqnNum203909 * Charformat ! * MERGEFORMAT (2)）

8、MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 2)提取欧氏距离最短的前K个参考点，作为地理指纹数据库中的参考点与测试点差别最小的K个参考点。被动定位系统建设手机与AP建立连接的过程：移动终端与AP建立连接的过程包括以下几个步骤：终端在全部13个信道发送探测请求Probe request。AP在收到请求之后做响应应答Probe response。终端通过选择应答数据包号最强的AP连接。终端发送身份认证信息。AP认可了终端的认证信息并注册，建立连

9、接。AP不广播SSID，移动终端是无法知道要向哪个信道去发送连接请求的，所以这时候移动终端会向全部13个信道发送探测请求，直到收到AP的应答，然后就能进行后面的连接过程了。手机探测请求帧的结构：RSSI信号强度获取最上层是Ethernet帧格式。前面12字节分别是目标MAC地址以及源MAC地址。Type字段可以为0*0800，代表后面的数据是IP包；当Ethernet帧要在无线网络上传输时，必须先将其转换为LLC帧，如中间一层所示。这种转换方法由RFC 1042规定。它主要在MAC headers和Type之间增加了4个字段。它们统称为SNAP header；最下层是无线局域网中的帧，网卡添加

10、在802.11 MAC头部前的数据，记录了信号强度、噪声强度和传输速率等物理层信息。找到probe Request帧：找到时间戳和MAC地址注（iOS8使用随机mac发送probe-request）路由器获得探测请求帧”的设备改造使用开源AP通过装有openwrt的wifi设备可以获取到的主要指标就是周围处于打开状态的wifi设备的MAC地址和这些设备的wifi信号强度。原理是通过抓取monitor模式的无线网卡的MAC层的管理包。即可分辨出这些设备的MAC和信号强度。使用到的程序包括iw,iwcap,iwinfo,getmac.sh,getclient.sh等五个程序。所有的这五个程序都是运行在Openwrt平台上的，前三个程序是C程序，后两个是简单的shell script程序。前两个是系统支持的工具，后三个是我们自主完成的程序。表 SEQ 表 * ARABIC 3 Openwrt所加载的程序程序作用iw辅助完成openWRT系统的网卡的管理，创建一个monitor模式的网卡iwinfo获取已连到当前AP的wifi设备列表及设备的MAC和信号强度iwcap抓取特定的prorequest数据包，并且截取这个包中的源MAC地址信息和信号强度数据。经过简单的数据格式的处理后用TCP协议发送到指定的服务器的程序（也是一个TCP客户端）getmac.shiwcap程序会调用这个脚本，获