随着无线技术的发展,基于无线室内定位技术已收到相当大的来自学术界和工业界的关注。fingerprint-based方法是无线室内定位的主流方法,无需额外的硬件可以很容易地实现。然而,信号波动构成关键问题有关的提取健壮的特性来实现所需的定位性能。本研究提出了一种指纹特征提取方法通常被称为费舍尔score-stacked稀疏autoencoder (Fisher-SSAE)方法。费舍尔分值较低的一些功能被取消,代表SSAE特征被提取。此外,本研究建立了一个混合定位模型使用全球构造模型和子模型,以避免重要的坐标定位错误归因于分区域定位错误。结合三种访问fingerprint-based定位方法,即支持向量回归,随机森林回归,多层感知器分类,实验结果证明该方法提高定位精度和响应时间相对于其他特征提取方法和单一定位模型。与一些先进的方法相比,提出的方法有更好的本地化表演时,大量的使用功能。
一个bstract>随着近年来无线通信技术的快速发展,基于位置的服务(LBS) [
因此,无线定位技术基于RSS的测量仍是主流的研究方法对这些类型的应用程序(
目前,无线指纹定位技术是一种流行的方法实现室内定位。指纹识别方法包括两个阶段:离线训练和在线定位阶段。在训练阶段,APs的RSS测量在不同的参考点(RPs)被收集,之后电台地图构造特征从测量中提取RSS。在定位阶段,当前RSS捕捉测量地图上相应的位置通过匹配最相关的RSS指纹与指纹数据库中的条目。
机器学习方法被广泛用于fingerprint-based本地化。Abdou et al。
在这项研究中,我们提出一种指纹特征提取的方法和混合定位模型。这项工作的贡献包括以下:
利用费舍尔score-stacked稀疏autoencoder (Fisher-SSAE)提取健壮的特性来实现一个更好的定位性能。
建立层次结构模型,采用聚类的方法,对构建的子分区域定位、和测试的影响层次定位几个常见的定位算法。
F我ngerprint-based算法分为确定性和概率算法。概率算法利用RSS的分布测量在rp在离线阶段构建概率模型,为预测提供置信区间位置在网络阶段。卡斯特罗et al。
确定性算法利用确定性的指纹特征来确定目标的位置。例如,雷达系统(
指纹特征提取对定位精度有显著影响。wi - fi信号随时间动态变化的函数不同的情况下,如湿度的阻塞,门的状态,温度的变化,以及其他因素,导致穷人特征提取和定位精度较低。此外,降维是一个有效的策略用于改善分类器的性能(
无数的努力一直在消耗指纹聚类算法,它降低了计算复杂度,提高匹配的速度。陈等人。
定位基于集群区域划分为若干个亚区。后测定的条件测试点(TPs)属于,我们可以确定候选人rp在特定条件为估计坐标定位。在这项研究中,定位方法是定义为一个层次定位。直接定位法没有集群定义为一步本地化。
与一步模型相比,分层定位方法有更好的效率,和模型更符合当地的环境。然而,当用户在边界地区,有时并不理想的定位性能。据我们所知,身体远两个指纹,这并不一定意味着他们非常远的信号空间。事实上,他们可能会非常接近
可以视为multiclassification分区域定位问题。快速消除的功能作用弱,甚至干扰定位任务能有效地节省计算资源,提高分类的准确性。
费舍尔得分是一个代表监督特征选择方法和选择特性与最佳的判别能力
指纹的<我nl我ne-formula>
矿业的内在特征指纹数据可以有效地提高定位的准确性。在这项研究中,SSAE是利用训练之前学习的内在特征指纹数据定位模型。autoencoder (AE) (
作为一种无监督学习算法,单层AE是一个神经网络,包括一个输入,一个隐藏的,和一个输出层。输入和输出层神经元的数目是相等的。数据处理包括两个步骤:原始数据从输入层到隐层编码,表示和特征是解码的隐层到输出层。结构如图
结构的autoencoder (AE)神经网络。
原始数据被表示为<我nl我ne-formula>
在这种情况下,<我nl我ne-formula>
通过比较输入向量和输出向量,我们可以表达成本函数<我nl我ne-formula>
第一项是输入和输出之间的误差。第二项是重量衰减项可以解决过度拟合问题,<我nl我ne-formula>
添加稀疏约束的基础上,AE集最隐层节点的抑制状态,这样的组合少量激活神经元用于表示输入。通过这种方式,更容易学习的基本特征,即稀疏autoencoder (SAE)。SAE的成本函数添加一个稀疏惩罚项,和损失函数表示为
第一项是AE的成本函数,第二项是稀疏惩罚项,<我nl我ne-formula>
多个SAE SSAE有多层结构和堆栈。训练基地在一层基础上产生了权重向量矩阵和偏见。输入指纹数据的抽象特性。这导致了低维特征表示。与单一SAE相比,训练速度较高,和一个更有效的表达。
特征提取的目的和培训的混合模型,指纹数据预处理,包括零均值归一化和FCM聚类,利用。零均值归一化应用
FCM聚类算法应用于本研究。指纹数据的集合<我t一个l我c>n我t一个l我c>数,表示为<我nl我ne-formula>
此外,成员的更新矩阵可以表示为
本研究提出了被称为Fisher-SSAE指纹特征提取算法。我们希望代表特性可以提高定位性能。Fisher-SSAE算法中描述的算法
输入:
培训指纹数据
费舍尔的标准选择的特性<我nl我ne-formula>
隐藏层的最大尺寸<我nl我ne-formula>
最大深度为SSAE<我nl我ne-formula>
输出:
隐层的结构SSAE包括尺寸<我nl我ne-formula>
指纹特征提取
计算每个AP的费舍尔得分功能
费舍尔得分排名根据其价值(大,小),并保持特性,对应于第一<我t一个l我c>k我t一个l我c>值
设置初始SSAE的深度<我nl我ne-formula>
设置初始隐层的维度<我nl我ne-formula>
重复
计算分类的准确性是用来实现分区域定位<我nl我ne-formula>
直到<我nl我ne-formula>
确定<我nl我ne-formula>
重复
计算分类的准确性是用来实现分区域定位<我nl我ne-formula>
直到<我nl我ne-formula>
确定<我nl我ne-formula>
培训通过SSAE指纹数据
返回数据的隐藏层
本文提出混合定位模型分为训练和本地化阶段。我们需要脱机指纹特征提取的Fisher-SSAE列车定位模型和在线指纹特征提取()相同的方式,确定候选人的位置。因此,特征提取最初应该在离线阶段或在线阶段完成。层次定位方法允许为每个次区域子模型的建设。基于这种定位方法,全球定位模型被用来预测TPs的位置可能位于边界地区。相应地,我们希望避免的重大错误引起的分区域定位错误。基于上述考虑,在训练阶段,四分类或回归模型需要训练,包括(a)的边界分类依赖于确定是否TP是一个边界点,(b)的分区域分类利用定位次区域的TP属于,(c)的精确定位分类(或回归)高精度定位在每一个亚区,和(d)全球定位分类(回归)。训练阶段可以概括如下:
准备所有训练数据和马克他们分区域,边界和位置标签。
使用Fisher-SSAE提取特征。
火车四个分类(回归):边界,分区域,精确定位,全球定位分类(回归)。
离线训练的过程如图
离线阶段的过程。
本地化阶段可以概括如下:
在线指纹数据的集合。
提取指纹特征使用一样的训练阶段。
确定TP是基于边界的边界点的分类。
如果TP是一个边界点,位置可以通过全球估计模型。
如果TP是nonboundary点,采用分层定位的策略。的次区域TP属于第一个决定,可以随后估计和精确的坐标位置。
在线过程如图
online-localization阶段的过程。
测试各算法的性能在实际环境中,所有的数据来自一个实际的环境。实验wi - fi走廊被视为实验区域。实验环境的范围包括走廊和楼梯。84年rp的布局图所示
实验环境。
通过聚类,84 rp分为四类。分区域标签集。结果显示在图
聚类的参考点(RP)的结果。
rp与边界标签。
测试的性能Fisher-SSAE在特征提取中,应该建立一个有效的模型。美联社所有功能需要评估使用费舍尔得分。初始特征的数量是181。归一化后的这些特性如图所示
费舍尔得分美联社的功能。
特征选择后,SSAE建于获得原始特征的降维表示。培训RPs复制50次,收集的数据和随机噪声添加改进模型对噪声的敏感性。SSAE的参数选择的过程中给出的算法
在图
精度随输出SSAE维度。
在图
精度随SSAE的深度。
精度的变化作为稀疏的目标函数和稀疏的重量训练数据集。
变异的准确性作为稀疏的目标函数和稀疏的重量的测试数据集。
图
F我sher-SSAE与其他特征提取方法相比:平均值(
分区域本地化的过程中,我们测试了不同方式的特征提取能力。的准确性与不同的功能如图
分区域定位精度不同的算法包括平均值,主成分分析(PCA), autoencoder (AE)和费舍尔score-stacked稀疏autoencoder (Fisher-SSAE)。
图
在这个实验中,不同的特性也被应用于一步定位和层次定位验证特征提取的影响。均值、AE Fisher-SAE深度= 1,和Fisher-SSAE深度= 2被应用于两个室内定位方案,即在SVR和射频回归。采用标准量化误差距离定位性能。具体来说,如果估计位置之间的距离<我nl我ne-formula>
定位性能不同的特征提取方法采用一步支持向量回归(SVR)。
定位性能不同的特征提取方法使用一步法随机森林(RF)。
本地化使用分层的射频性能不同的特征提取方法。
不同特性的表现基于SVR一步定位如图
图
在图
在分层定位的过程中,条件的子。作证是否分级室内定位方法具有积极的影响,三种室内定位方法是考虑:匹配方法(WKNN)回归方法(RF回归),和分类方法(MLP分类)。数据
累积分布函数(CDF)比较的一步法和分层WKNN方法。
提供比较的一步射频和分层射频方法。
提供比较一步多层感知器(MLP)中长期规划和层次。
不同的定位方法的定位性能。
在图
在数据
后提出的特征提取方法的有效性和层次定位模式,混合模式的影响,利用全局模型估计的TPs在边界地区和使用子模型估计TPs位于nonboundary地区进行了测试。TP的本地化的边界区域内或外部由训练有素的边界点判断分类器。MLP分类器分类被选为边界点。我们证实,该模型可以避免重大错误在次区域定位的结果错误。
在这个实验中,TPs本地化错误被定义为错误点大于4米。错误率是比例的数量的比例错误指向测试点的总数。几种层次定位方法被采用,包括射频回归,SVR,和MLP分类。用该方法提取的特性。通过比较他们与混合模型方法和方法不依赖于使用的混合模型,我们发现,该混合模型有效地避免大的定位错误。表
不同的定位方法的错误率。
同时,比较三种算法的基础上,提出方案。表
定位性能不同的定位算法基于该模型。
基于该方案CDFs的不同算法。
最后,图
CDFs不同的算法。
定位不同的定位算法的性能。
在这项研究中,两个问题突出。常见的代表性特征提取方法由于信号波动。提出了一种特征提取方法被称为Fisher-SSAE获得强劲的指纹特征。这导致定位精度的改善。更重要的是,鉴于分区域的错误定位,大的错误发生。面对这个问题,TPs分为边界和nonboundary点,并提出了一种混合动力方案有效地解决这个问题。此外,定位移动目标没有考虑在这项研究中,因此需要更详细地研究未来。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。
这项研究得到了国家重点研发项目(批准号2016 yfb0502102),江苏省自然科学基金(批准号BK20181361),中央大学的基础研究基金(批准号2011 qna02)。
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