基于iBeacon位置指纹的室内定位技术研究与实现
发布时间：2021-09-06 14:15
基于iBeacon的室内位置指纹定位技术是目前研究最深入的技术,主要分为离线采样和在线定位两个部分,室内环境下iBeacon的传播不同于自由空间,由于人为的走动,墙体的遮挡会造成iBeacon路径损耗模型变化,离线阶段和在线阶段RSSI的波动对定位精度都有很大的影响,本文针对这种情况,研究如何得到稳定的RSSI,并且能较好的适应环境的变化以提高室内定位的精度。主要内容如下:首先研究了iBeacon的基本原理和传播模型,得到了iBeacon自由空间的传播损耗公式,根据公示研究了相应了基于距离的室内定位方法,综述各种方法的优缺点,解释为什么选择了基于RSSI接收强度的算法。然后简单介绍了两种基于RSSI接收强度的算法,重点研究了位置指纹算法。改进了位置指纹的匹配算法中常见的KNN算法,提出了更为全面的AWKNN算法,通过搭建实验平台,根据仿真数据的对比,得到AWKNN算法的定位误差下降了55%。接下来研究了位置指纹中离线建立指纹库的方法。考虑无线信号传播会收到干扰,并且根据离线采样数据分析发现RSSI呈现波动性,提出了临界iBeacon滤波方法,自适应高斯滤波方法对数据进行处理,结果中RS...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蓝牙系统组成
第二章IBEACON室内定位技术研究与分析7中，仅有一小部分被物体吸收，几乎检测不到温度的增加；保密性强，蓝牙无线信号和其他信号一样很容易被截取，因此蓝牙链路层中提供了鉴权和加密过程以保证安全，蓝牙采用流密码加密技术，此外，跳频技术[21]保密性也使窃听变得困难；跳频传输，ISM频段[22]是蓝牙的主要工作频段，系统所能达到的最大跳频为1600跳/s，2.402GHz~2.480GHz是蓝牙的工作带宽，共有79个1MHz带宽的频点，此外蓝牙通信协议采用TDD（TimeDivisionDuplexing，时分双工），其设备采用的是GFSK调制。2.1.2蓝牙协议体系结构协议和应用概要组成了蓝牙规范。协议定义了各功能元素(如逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、链路管理协议（LMP）、串口仿真协议(RFCOMM)等)的工作模式，而应用概要则描述了在协议的各个层之间操作协议的相同机制，以实现特定的应用模型。显然，协议是一种水平架构。图2-2简单画出了蓝牙的协议栈。图2-2蓝牙的协议栈上层的应用层、中层协议层（软件部分）和底层硬件层构成了整个蓝牙协议体系结构。图2-2中所示的链路管理层（LMP）、基带层（BB）和射频层（RF）属于蓝牙的硬件模块，其主要功能在2.1.1节蓝牙的组成有介绍。中层协议层包括逻辑链路控制和电话通信协议（TCS，TelephoneControlProtocol）、服务发现协议（SDP，ServiceDiscoveryProtocol）、适配协议（L2CAP，LogicalLinkControlAndAdaptationProtocol）和串口仿真协议（RFCOMM）。其中最基础也是最核心的部分是L2CAP协议，主要负责数据的封装、重组，射频发送质量的控制等。SDP主要是让终端发现蓝牙设备以及蓝牙特征信息封装的协议。TCS为蓝牙设备之间的实现数据的传输和交互，同时提供了数据控制信令。
第二章IBEACON室内定位技术研究与分析9身的相互叠加通也可能导致多径损耗。同时，随着终端和iBeacon之间距离(即T-R距离)的增加，RSSI也将下降。现在主要的研究致力于传播模型的研究，尤其是在于对某一区域内接收功率的变化幅度和平均强度，从而抽象出数学模型。主要分为两大类，一是研究大范围内（上百米）的传播模型，这种称为大规模传播模型。而是研究小范围内的传播模型，小范围一般是指距离上（米级）或者短时间内（秒级）的信号强度变化和信号强度均值，一般称为小规模传播模型这种模型主要会受到小尺度衰落的影响。当终端的移动距离非常小时，也有可能使得接收场强的剧烈波动，也就是小尺度衰落，主要原因是接收到的信号是来自不同方向的信号的组合。因为信号服从瑞利衰落分布，所以信号相位是随机的，尤其是在波形叠加的部分，信号的变化度变大。在小规模传播模型中，当蓝牙的波长和终端的移动距离相当时，其接收场强变化幅度最大，最高可达到40dB。图2-3[23]表示了一个室内无线通信系统的小尺度衰落和慢速大尺度变化情况。图中说明，随着接收机的移动，信号衰落得很快，但是随距离的变化很慢。考虑到蓝牙技术使用背景，接下来主要研究小尺度衰落模型在移动无线环境下测量多径传播以及构造模型的方法。图2-3小尺度和大尺度衰落2.2.2iBeacon自由空间传播模型利用自由空间传播模型预测终端和iBeacon之间的视距路径完全畅通时接收端信号的场强。无线微波视距链路[24]和卫星通信系统都是自由空间最经典的传播模型。与大多数大型无线电波传播模型相似，自由空间模型预测iBeacon的衰减是
【参考文献】：
期刊论文
[1]电波环境及微波超视距传播[J]. 康士峰,郭相明. 微波学报. 2020(01)
[2]基于蓝牙的室内定位离线阶段指纹库优化算法[J]. 袁钰涵,刘正熙,熊运余. 中国新通信. 2019(15)
[3]基于近邻法的WIFI室内定位改进算法研究[J]. 田家英,张志华. 测绘工程. 2018(12)
[4]基于低功耗蓝牙技术的室内定位应用研究[J]. 刘明伟,刘太君,叶焱,吴丽. 无线通信技术. 2015(03)
[5]一种基于卡尔曼和线性插值滤波的改进三角质心定位算法[J]. 赵大龙,白凤山,董思宇,李洪书. 传感技术学报. 2015(07)
[6]基于指纹技术的蓝牙室内定位系统[J]. 陈国平,马耀辉,张百珂. 电子技术应用. 2013(03)
[7]从国际卫星导航系统发展谈加速中国北斗卫星导航系统建设[J]. 朱筱虹,李喜来,杨元喜. 测绘通报. 2011(08)
[8]卡尔曼滤波的基本原理及应用[J]. 彭丁聪. 软件导刊. 2009(11)
[9]基于移动端多天线系统的无线衰落信道模型[J]. 李焱,张璐,许家栋. 电波科学学报. 2003(06)
[10]有教师的线性基本函数前向三层神经网络结构研究[J]. 高大启. 计算机学报. 1998(01)
博士论文
[1]跳频信号的侦察技术研究[D]. 陈利虎.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]马尔科夫模型预测方法的研究及其应用[D]. 何成刚.安徽大学 2011
[2]BP神经网络算法改进及应用研究[D]. 黄丽.重庆师范大学 2008
本文编号：3387611
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蓝牙系统组成
第二章IBEACON室内定位技术研究与分析7中，仅有一小部分被物体吸收，几乎检测不到温度的增加；保密性强，蓝牙无线信号和其他信号一样很容易被截取，因此蓝牙链路层中提供了鉴权和加密过程以保证安全，蓝牙采用流密码加密技术，此外，跳频技术[21]保密性也使窃听变得困难；跳频传输，ISM频段[22]是蓝牙的主要工作频段，系统所能达到的最大跳频为1600跳/s，2.402GHz~2.480GHz是蓝牙的工作带宽，共有79个1MHz带宽的频点，此外蓝牙通信协议采用TDD（TimeDivisionDuplexing，时分双工），其设备采用的是GFSK调制。2.1.2蓝牙协议体系结构协议和应用概要组成了蓝牙规范。协议定义了各功能元素(如逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、链路管理协议（LMP）、串口仿真协议(RFCOMM)等)的工作模式，而应用概要则描述了在协议的各个层之间操作协议的相同机制，以实现特定的应用模型。显然，协议是一种水平架构。图2-2简单画出了蓝牙的协议栈。图2-2蓝牙的协议栈上层的应用层、中层协议层（软件部分）和底层硬件层构成了整个蓝牙协议体系结构。图2-2中所示的链路管理层（LMP）、基带层（BB）和射频层（RF）属于蓝牙的硬件模块，其主要功能在2.1.1节蓝牙的组成有介绍。中层协议层包括逻辑链路控制和电话通信协议（TCS，TelephoneControlProtocol）、服务发现协议（SDP，ServiceDiscoveryProtocol）、适配协议（L2CAP，LogicalLinkControlAndAdaptationProtocol）和串口仿真协议（RFCOMM）。其中最基础也是最核心的部分是L2CAP协议，主要负责数据的封装、重组，射频发送质量的控制等。SDP主要是让终端发现蓝牙设备以及蓝牙特征信息封装的协议。TCS为蓝牙设备之间的实现数据的传输和交互，同时提供了数据控制信令。
第二章IBEACON室内定位技术研究与分析9身的相互叠加通也可能导致多径损耗。同时，随着终端和iBeacon之间距离(即T-R距离)的增加，RSSI也将下降。现在主要的研究致力于传播模型的研究，尤其是在于对某一区域内接收功率的变化幅度和平均强度，从而抽象出数学模型。主要分为两大类，一是研究大范围内（上百米）的传播模型，这种称为大规模传播模型。而是研究小范围内的传播模型，小范围一般是指距离上（米级）或者短时间内（秒级）的信号强度变化和信号强度均值，一般称为小规模传播模型这种模型主要会受到小尺度衰落的影响。当终端的移动距离非常小时，也有可能使得接收场强的剧烈波动，也就是小尺度衰落，主要原因是接收到的信号是来自不同方向的信号的组合。因为信号服从瑞利衰落分布，所以信号相位是随机的，尤其是在波形叠加的部分，信号的变化度变大。在小规模传播模型中，当蓝牙的波长和终端的移动距离相当时，其接收场强变化幅度最大，最高可达到40dB。图2-3[23]表示了一个室内无线通信系统的小尺度衰落和慢速大尺度变化情况。图中说明，随着接收机的移动，信号衰落得很快，但是随距离的变化很慢。考虑到蓝牙技术使用背景，接下来主要研究小尺度衰落模型在移动无线环境下测量多径传播以及构造模型的方法。图2-3小尺度和大尺度衰落2.2.2iBeacon自由空间传播模型利用自由空间传播模型预测终端和iBeacon之间的视距路径完全畅通时接收端信号的场强。无线微波视距链路[24]和卫星通信系统都是自由空间最经典的传播模型。与大多数大型无线电波传播模型相似，自由空间模型预测iBeacon的衰减是
【参考文献】：
期刊论文
[1]电波环境及微波超视距传播[J]. 康士峰,郭相明. 微波学报. 2020(01)
[2]基于蓝牙的室内定位离线阶段指纹库优化算法[J]. 袁钰涵,刘正熙,熊运余. 中国新通信. 2019(15)
[3]基于近邻法的WIFI室内定位改进算法研究[J]. 田家英,张志华. 测绘工程. 2018(12)
[4]基于低功耗蓝牙技术的室内定位应用研究[J]. 刘明伟,刘太君,叶焱,吴丽. 无线通信技术. 2015(03)
[5]一种基于卡尔曼和线性插值滤波的改进三角质心定位算法[J]. 赵大龙,白凤山,董思宇,李洪书. 传感技术学报. 2015(07)
[6]基于指纹技术的蓝牙室内定位系统[J]. 陈国平,马耀辉,张百珂. 电子技术应用. 2013(03)
[7]从国际卫星导航系统发展谈加速中国北斗卫星导航系统建设[J]. 朱筱虹,李喜来,杨元喜. 测绘通报. 2011(08)
[8]卡尔曼滤波的基本原理及应用[J]. 彭丁聪. 软件导刊. 2009(11)
[9]基于移动端多天线系统的无线衰落信道模型[J]. 李焱,张璐,许家栋. 电波科学学报. 2003(06)
[10]有教师的线性基本函数前向三层神经网络结构研究[J]. 高大启. 计算机学报. 1998(01)
博士论文
[1]跳频信号的侦察技术研究[D]. 陈利虎.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]马尔科夫模型预测方法的研究及其应用[D]. 何成刚.安徽大学 2011
[2]BP神经网络算法改进及应用研究[D]. 黄丽.重庆师范大学 2008
本文编号：3387611
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