南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章 WiFi 指纹系统采样阶段算法研究
3.2 WiFi 指纹采集
以往的 WiFi 室内定位系统在采集 WiFi 信号的时候，手机的指向是单一的，不会考虑方 向因素，因此本文考虑手机指向不同方向时接收信号强度的差异性。
为了研究不同方向与 WiFi 信号强度的关系[36][37]，本文设计一组实验，选择图科楼二楼为 实验场景，选取悬挂于地面 2.5 米高的某个 AP 热点，分别如图 3.2 和 3.3 所示。
图 3.2 图科楼二楼实验场景图
图 3.3 AP 热点示意图
利用华为荣耀 3x 作为测试设备，分别让手机指向东、南、西、北四个方向来测量该 AP 热点的信号强度，如图 3.4 所示。实验以 1s 为一个周期采集一次数据，每个方向都连续采集 30 次，得到不同方向的 WiFi 信号强度如表 3.1 所示。
20
南京邮电大学硕士研究生学位论文
指向北
第三章 WiFi 指纹系统采样阶段算法研究
指向西
指向东
指向南
图 3.4 不同方向采集示意图
表 3.1 指向四个方向的接收信号强度对比
手机指向 信号强度 最大值（dBm） 最小值（dBm） 均值（dBm）
指东 -49 -55 -51.97
指南 -50 -64 -55.73 指西 -55 -61 -56.90 指北 -47 -54 -49.57 从表可以看出，手机指向东、南、西、北四个不同方向时接收到的信号强度差异很明显， 首先四个指向的信号强度均值就有很大的差异，其次信号的从最小值到最大值的波动区间也
各不相同。因此，如果只在单一方向上采集 WiFi 信号，而不考虑不同方向的信号差异性，这 样的处理方式欠妥。
21
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章 WiFi 指纹系统采样阶段算法研究
本文在采样阶段分别从四个不同方向采集 WiFi 信号,而且在每个方向上采集若干组信号， 再进行后续阶段的信号预处理后存入数据库。采集不同方向法流程图如图 3.5 所示。
每个采样点采集四个 方向 每个方向采集若干组 信号 WiFi信号预处理 存入数据库 图 3.5 采集不同方向法流程图
3.3 WiFi 指纹预处理
3.3.1 WiFi 信号和时间的关系
在研究 WiFi 信号预处理算法前，先来探究 WiFi 信号和时间的关系，本文选择图科楼二 楼为实验场景，选取距某个 AP 10m 远的某个固定位置，使用 Android 手机―华为荣耀 3X‖， 按每 1s 的间隔共收集 50 次 WiFi 信号强度，得到如图 3.6 所示的信号强度随时间变化图。
22
南京邮电大学硕士研究生学位论文
-50 -55 -60 -65
信号强度（dBm） 0
5
10
15
20
25 时 间 （ s）
30
第三章 WiFi 指纹系统采样阶段算法研究
35 40 45 50
图 3.6 信号和时间的关系
从图上我们可以看出，同一点的 WiFi 信号强度随着时间变化并非一成不变，而是在上下 波动。在室内环境中，主要有三种因素造成了 WiFi 信号的不稳定。 (1)多径传播
多径传播[38]是指从发射源发射的无线信号，经过多个不同的传播路径到达同一接收端，因 此接收端所接收到的信号是由直达波和多个路径的反射波合成的。由于空气折射率随时间变 化，因此传播路径差也会随时间和地形地物的变化而变化，因此如果多路信号同相，则接收 端总的信号变强；如果反相，则接收端总的信号会变弱，导致信号衰落。室内环境中的门窗、 墙壁等会在一定程度上导致无线信号发生多径传播现象，改变了信号在传播过程中的时延拓 展、幅度等，从而使信号强度不稳定。 (2)人体的影响
水的共振频率与 WiFi 信号的共振频率都是 2.4GHz,而人体的含水百分比高达 70%，因此
室内定位系统中的 WiFi 信号在传播过程中会受到人体内水分的同频干扰[39]，并且随人员的密 度的变化而变化。 当室内人员较少时，信号强度的波动范围较小，分布比较集中。而当室内 人员较多时，信号强度的波动范围较大，分布比较分散。 (3)室内障碍物的影响
在实际的室内环境中，传播的 WiFi 信号会受到建筑物内部结构格局、室内障碍物如木材、
金属、玻璃，塑料等各种因素的影响[40],比如建筑物内的门窗的开闭就会造成接收端的接收信 号强度的差异性。
既然 WiFi 信号随时间上下波动，那么就需要在每个采样点采集多组 WiFi 信号，并进行
23
预处理再存入数据库。接下来讨论 WiFi 信号预处理算法。
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章 WiFi 指纹系统采样阶段算法研究
3.3.2 均值滤波
常见的 WiFi 信号预处理方法是均值滤波法[41][42]。均值滤波法就是在采样点采集多次值， 然后取均值作为该采样点的信号强度，如下图所示，在某一位置点以 1s 为间隔，连续采集 50 次，得到 50 组数据信号强度曲线如图 3.7。
-50 -52
信号强度 均值
-54
-56 信号强度（dBm）
-58
-60
-62
-64
-66
-68
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
时 间 （ s）
图 3.7 均值滤波法
接收信号强度因多径传播、人体影响、障碍物等干扰而产生波动，均值滤波法在一定程 度上可以减小这种波动而对定位系统造成的影响。从上图可以看出，在某一采样点的 WiFi 信号强度除了围绕均值上下波动，有时也会出现一些与均值偏差较大的小概率点，而均值滤 波法把这些小概率点也算入总和取平均，势必会影响采集的指纹的准确度，所以需要对均值 滤波法进行改进。
3.3.3 高斯滤波
根据 3.3.2 节实验采集到的 50 次信号强度值，可以绘出该采样点的信号强度概率分布图， 如图 3.8 所示：
24
基于WiFi指纹的室内定位系统中采样和匹配算法研究--毕业论文
