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面向物联网室内定位的新型iBeacon布局
Javad Rezazadeh，Ramprasad Subramanian，Kumbesan Sandrasegaran，
孔晓英、Marjan Moradi、Farshad Khodamoradi
摘要
在物联网平台中，室内定位和建筑物内的位置估计仍然具有挑战性，而GPS信号可以成功解决室外定位问题。最近推出的基于RSS的设备iBeacon为估计用户在建筑物内的位置铺平了道路。由于室内射频环境的复杂性，定位精度会受到iBeacons放置位置的影响。无意中，用于提高精度的iBeacon布局的概念仍然没有被当前的研究所关注。本文对iBeacon布局的重要性以及影响信标信号质量的因素进行了全面的分析和实验。此外，我们提出了一种新的信标放置策略——晶体状信标放置(CiP)。作为另一个贡献，开发了用于android的定制应用，用于记录和分析iBeacon信号。我们提出的布局策略比现有的普通iBeacon布局精度高21.7%。
索引术语：iBeacon节点、室内定位、室内定位系统、物联网
一.导言
室内定位系统是智能交通系统的重要组成部分物联网(IoT)，其中一切事物的位置(LoE)在改善物联网中的大多数服务方面发挥着重要作用[1]。我们在哪里，如何到达大医院、零售商场和巨大的工业综合体中的特定位置？这个问题在学术界和工业界引起了极大的兴趣。自从第一颗全球定位系统(GPS)卫星成功发射以来，室外定位和导航比室内环境具有更高的精度。由于各种建筑材料引起的信号衰减，GPS系统在室内环境中会损失大量功率。此外，在室内环境中获得四颗卫星的覆盖是一个挑战[2]。因此，基于GPS的定位概念没有扩展到室内定位系统。IEEE 802.15.4、蓝牙低能耗(BLE)、WiFi和射频识别(RFID)等更新的无线标准的出现有助于开发新的室内定位技术。苹果公司最近推出的位于BLE的设备iBeacon通过提供周期性信标来实现精确的室内定位技术信号[3]。iBeacon技术最近被研究人员应用于调整智能设备在室内环境中的位置。在[5]中提出的研究中，该技术被用于结合wifi接入点来改善室内定位。随意放置iBeacon设备时，未考虑iBeacon部署。在[6]中，基于iBeacon的室内定位采用了相同的方法，但没有有效的iBeacon部署。作者利用扩展卡尔曼滤波器提高了定位精度。
本文研究了室内定位中的iBeacon布局问题。我们重点研究了基于接收信号强度指示器(RSSI)的室内定位技术和基于RSSI的iBeacon motes。iBeacons安装为参考节点，使用BLE信号传输其位置信息。BLE的广播范围可达70米，这使其成为室内定位的理想技术。这些消息由智能手机收集，可用于各种应用，如位置检测、营销目的的推送消息和提示。
基于上述动机，本文的主要贡献如下:
- 我们进行了一项实验研究，以显示基于射频的定位与iBeacons信号质量的问题。
- 针对室内定位任务中的iBeacon，提出了一种基于晶体的I beacon部署策略。摆放方式从纵向和横向进行分析。通过实验测试和评估，验证了其定位精度的有效性。
- 我们为智能手机开发了一个定制的记录android应用程序，用于收集和分析来自I beacon的RSS数据，并为每个不同的I beacon返回查询。
论文的其余部分组织如下:第二部分是对现有文献的回顾。第三节描述了公式化的问题。第四节介绍了提议的iBeacon布局设计。第五节讨论了实验、评估和分析。然后，第六节解释了开发的应用程序。最后，在第七部分得出结论。
二。相关作品
定位作为物联网的一项关键服务，对于室内和室外场景都是一个能量需求过程[7]。定位技术可用于室内导航系统(INS)来定位建筑物内的物体或人[8]。室内定位方法可分为三角测量法、邻近探测法和场景分析法[9]。在三角测量技术中，应用了三角学的几何特征。在hellip;里
图iBeacon布局对本地化的影响。
接近检测的第二种方法是基于已知物体的接近度来估计目标的位置。场景分析的第三种方法基于两个阶段:1)离线阶段和2)在线阶段。离线阶段包括指纹数据库的创建。在这个数据库中，接收信号的强度被收集在想要执行定位的感兴趣区域中。通过将接收到的信号与指纹数据库进行匹配来确定目标的位置。在线阶段，在建筑物中安装一组参考节点(RN ),这些节点向室内定位系统发出参考信号。需要知道位置的目标节点测量来自RN的接收信号强度(RSS)以确定位置。影响目标节点估计位置准确性的关键因素之一取决于信标放置[10，11]。作者在[4]中提出了基于智能手机惯性传感器的室内定位和跟踪，并使用iBeacon进行了校正。在这种方法中，作者考虑了重要的问题，如步检测、行走方向估计和初始点估计。使用iBeacon重新校准在这种方法中获得的步行距离的漂移。在分析了漂移之后，他们提出了扩展卡尔曼滤波器来重新校准距离。这种方法的主要缺点是作者没有提出传感器应该放在哪里。如果传感器放置不当，可能会导致高漂移和位置估计。在[12]中，作者提出了基于邻近的定位。该方案利用BLE来实现高水平的协同定位精度。[13]中提出了一种控制理论方法，即粒子滤波，以使用iBeacon提高室内环境的跟踪精度。作者给出了误差精度低至0.27米的实验结果。这种方法的主要缺点是增加了计算的复杂性，并且这种技术在更广泛领域的应用仍然是推测性的。对于大型室内环境，在[14]中提出了使用BLE信标的位置指纹识别。作者有600平方米的试验台来放置消费设备。他们已经证明了如何减轻BLE对快速衰落的高度敏感性。此外，他们还研究了BLE定位系统中关键参数的选择，如信标密度、发射功率和频率。他们已经提出了与WiFi指纹的定量比较。但是作者没有考虑信标位置和每平方米所需信标数量之间的关系。在[15]中，已经提出了使用扩展卡尔曼滤波器的基于信标的室内定位方法，该方法递归地处理包括噪声的数据。这项研究认识到，信标位置在提高定位精度方面起着重要作用，但作者的工作并没有在这方面展开。在[16]中提出了另一种粒子滤波方法，在该方法中，采用非参数高斯过程(GP)模型来描述估计的和观察的RSS之间的关系。然后根据训练好的遗传规划更新粒子的权重。采用GP的优点是考虑了接收信标信号中的传感器噪声以及多径效应、人体遮挡效应等。
三。问题陈述
在这一节中，我们分析了基于射频的室内定位系统的问题，该系统使用苹果公司生产的新型蓝牙低能耗发射器iBeacon。据我们所知，这是第一项调查和实验证明iBeacon放置对于精确室内定位至关重要的研究。为了估计未知移动设备的位置，必须利用其通信范围内3个iBeacons的协作[17]。基于这一原理，我们将3个iBeacons(具有相似的技术特征)放置在随机选择的位置，与接收器的距离相同(以补偿RSS的影响)。系统模型如图1所示，其中三个紫色三角形表示iBeacons，接收器节点(蓝色圆圈)位于中间。从图中可以明显看出，通过不同的放置，估计位置(红色矩形)和实际位置(蓝色圆圈)之间的差异发生了变化。在图1(a)和1(b)中，随机放置的iBeacons提供的定位精度低于图1(c)。定位误差是通过测量节点的实际位置与其估计位置之间的距离来计算的。事实上，在这个基本实验中，我们使用相同类型的信标设备iBeacon [3]执行了相同的定位算法，即精度优先三边测量(APT) [11]，以评估精心选择的iBeacon放置的影响，从而实现精确的室内位置估计。
总之，室内环境中的定位误差是以下因素的函数:
Le = f(M，A，B，P) (1)
其中M表示映射误差，A表示定位算法引起的误差，B表示信标的技术特征(在我们的文章中，使用的节点类型是iBeacon)，P表示iBeacon放置。
四。建议的方法:晶体形状的IBEACON放置(CIP)
如第三节所述，作为室内定位的参考节点，iBeacons的位置分析是一项必须完成的任务，以实现最大精度。在本节中，我们将介绍我们提出的用于移动设备定位的室内环境中iBeacons的放置方法。
A.期望高度
放置方案必须满足关键的定位要求，例如定位覆盖率、成功率和准确性。让我们假设LiBNr显示了为特定感兴趣区域(RoI)安装的Nr个iBeacons的位置。这些Nr iBeacons应该以这样的方式输入:
- RoI中的每个位置(针对用户的智能手机)必须确保被至少3个不同的iBeacons覆盖
(本地化覆盖率)。
- iBeacon的3个贡献者的LiBNr应该是不一致的(本地化成功和准确性)。
- 需要提供LiBNrs和接收器设备之间的最短可能距离(定位精度)。
- 必须部署最佳数量的iBeacons以实现最大覆盖(有效的网络成本)。
在室内布局中，从轮椅高度(60厘米)到平均身高175厘米，所有用户都必须接受服务。之间的区域似乎是iBeacons接收信号的候选区域。图2表示通过所解释的理想空间的不同可能部署。
(a)理想位置(b)BB的影响(c) BB处理
图2::消除身体阻塞的iBeacon放置策略(BB)
从图2(a)中可以看出，放置高度为1米，与用户手中的移动设备水平相对。尽管在理想高度接收到的信号质量很强，但这种放置方式最有可能面临人体阻塞BB的问题(图2(b))。非视线(NLOS)路径导致通信不良，甚至没有接收到信号。为了克服BB问题，iBeacon应放置在175cm以上的高度，而理想区域必须由I beacon信号覆盖。在这里，我们进行了一个实验性的测量，以找出在目标场景中哪个高度是有效的。图3绘出了每次实验中iBeacon的高度从190厘米变化到240厘米乘10厘米时测得的RSS值。在该图中，x轴示出了iBeacon和接收机设备之间的距离，而y轴是其对应的RSS值。它从1米扩大到5米，以研究不同距离的接收功率趋势。实验的重要发现是，在不同距离上，在210厘米的高度提供较高的RSS。因此，我们认为这个值是iBeacon布局的最佳理想高度hiBeacon。
为了验证期望高度的效率，我们在图2中绘制的三个不同场景中测量RSS值。测量值如图4所示。从图4(a)可以看出，BB场景的RSS测量值最少。但是，建议的纵向战略布局可以增强
图3:不同高度(190-240厘米)的RSS比较。
价值，意义重大。图4(b)报告了三种不同情况下的平均RSS数值。它显示了建议的垂直放置(棕色条)如何克服BB问题并提高RSS，与没有BB(黑色条)的情况相当。图4(c)绘制了40个信号样本的收集RSS。建议的垂直放置提供了几乎相似的实测RSS值。这导致基于稳定的RSS值提供更可靠和精确的定位。
B.水平放置
下一步是水平放置节点，使得每个位置由3个不同的非共线I beacon覆盖，从而以最小可能数量的I beacon实现高度精确的位置估计。我们在第IV-A节中计算出了iBeacons hiBeacon的期望高度，因此3D部署被映射到2D。让我们考虑水平部署面积为tau;。因此:
LBi = {LB1，...，LBNr}isin; tau; (2)
其中LBi是部署平面内放置Nr个iBeacons的坐标集。最初，我们将第一个iBeacon放在LB1的位置，并将其标记为A，如图5所示。iBeacon的覆盖区域理想地形成为以iBeacon通信范围为中心A和半径R的圆。它的覆盖范围phi;可以表示为:
phi;B1 = x2A yA2 = R2 (3)
现在，第二个iBeacon必须放在位置LB2，其中:
lb2isin;phi;B1 ㈠
LB2 = max {phi;B1or;phi;B2 }(ii)(4)
max{phi;b1and;phi;B2 }(三)
需要这些条件来保证:
I .使用户设备能够接收足够数量的iBeacon消息用于定位。二。部署尽可能少的iBeacons。三。使iBeacon的覆盖面积最大化。
从图5中可以看出，等式6中所需的条件由两点满足:C和g。让我们选择C作为LB3的位置。每一对位置AB、AC和BC之间的距离相等(用R表示)。得出的结论是:
图5:晶体形状的iBeacon布局(CiP)
因此，iBeacons在室内定位任务中的最佳可能部署是等边三角形。为了扩大室内定位的覆盖范围，我们需要在部署的等边三角形的相邻位置放置更多的iBeacons。延伸的设计形成了一个水晶形状，这启发我们将该模型命名为Crystal iBeacon Placement，“CiP”。
应该考虑的是，建议的iBeacon布局CiP是通过等式(4-6)中公式化的数学关系进行的。推导出的方程可以满足室内定位精度提高所需的iBeacons的有效布置。与iBeacons的随机放置相比，所提出的数学条件保证了定位所需的三个设备之间的最短可能距离，因此提供了更精确的位置估计。
动词 （verb的缩写）实施和评估
在本节中，我们将描述CiP实施、实验测试设置和CiP放置策略的性能评估。我们在悉尼科技大学(UTS)工程大楼的第八层进行实验，其平面图如图6所示。接下来hellip;
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图4:不同场景下iBeacon垂直放置的实验结果。 |
当且仅当第二iBeacon位于以A(第一iBeacon位置)为中心的圆上时，等式4中列出的条件满足。它将第二iBeacon
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