室内被动定位项目方案建议书Word文档格式.docx
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概率性算法一般基于RSSI构建的指纹库搜索定位或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。
三、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。
6.1基于地理指纹的室内被动定位
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（ProbeRequest帧），通过收到探测响应帧（ProbeResponse）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（ProbeRequest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（mobileterminal）具有WiFi模块，利用移动端在WiFi打开时，会发出扫描信号，通过室内部署的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，完成室内被动定位。
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链接，在移动终端仅仅打开WiFi功能，即可实现移动终端的RSS捕获。
6.2被动定位系统处理流程：
1）构建地理指纹数据库：
离线阶段在室内各个参考点处，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内每个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（表1），一段时间内，每个AP共获取n个RSS值，并在统计后获得各个RSS值对应的先验概率矩阵（表2）；
表1某参考点RSS矩阵
AP1
AP2
…
APm
时间点1
RSS11
RSS21
RSSm1
2
RSS12
RSS22
RSSm2
n-1
n
RSS1n
RSSmn
表2某参考点RSS先验概率矩阵
RSSj1
RSSj2
RSSjn
P11
P12
P1n
m-1
m
Pmn
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：
2）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），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
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。
四、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，这是因为室内条件下移动终端与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）
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。
五、被动定位系统建设
6.3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：
1）终端在全部13个信道发送探测请求Proberequest。
2）AP在收到请求之后做响应应答Proberesponse。
3）终端通过选择应答数据包中信号最强的AP连接。
4）终端发送身份认证信息。
5）AP认可了终端的认证信息并注册，建立连接。
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。
6.4手机探测请求帧的结构：
1）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0x0800，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RFC1042规定。
它主要在MACheaders和Type之间增加了4个字段。
它们统称为SNAPheader；
最下层是无线局域网中的帧，网卡添加在802.11MAC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。
2）找到probeRequest帧：
3）找到时间戳和MAC地址
注（iOS8使用随机mac发送probe-request）
6.5路由器获得“探测请求帧”的设备改造
1）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shellscript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3Openwrt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.sh
iwcap程序会调用这个脚本，获取本AP的MAC地址
getclient.sh
调用iwinfo以获取连接到本AP的wifi设备列表
软件安装及操作步骤：
服务器接收信息
2）使用定制AP：
自己做硬件选型（ProbeRequestSniffer制作）
设备选型1：
MeshliumXtreme
可提供信息
设备选型2：
六、开展计划
6.6算法半实物仿真
6.7基于服务器的工程验证
6.8扩展范围的螺旋式工程开展与回归改进
6.9
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