基于室內LBS技術的IOS平臺點對點通信目標自動定位仿真*

鄒洪宇

(福建水利電力職業技術學院 建筑工程學院,福建 永安 366000)

IOS平臺是具備多點觸控直接操作的服務系統[1],主要應用在蘋果公司出品的電子設備上。近年來隨著手機、運動手表潮流的發展,使用IOS平臺電子設備的用戶越來越多,當用戶進行視頻通話、地圖導航以及位置共享時,均依托IOS平臺點對點通信實現[2-3],此時對IOS平臺點對點通信目標自動定位需求較強?，F在也有很多學者研究IOS平臺點對點通信目標定位方法,其中以傅彬和茍平章等人研究的通信目標定位方法應用最為廣泛。前者將鯨魚算法與生物共生算法融合后,利用其建立IOS平臺點對點通信目標定位函數[4],然后利用自適應優化方法求解該通信目標定位函數后,得到IOS平臺點對點通信目標位置。但該方法在應用過程中受IOS平臺點對點通信時無線傳感網絡節點密度和錨節點比例影響,定位效果較差。后者則通過計算IOS平臺點對點通信時錨節點平均跳距和實際距離之間的差值,使用多通信半徑和多跳跳數偏差對錨節點平均跳距和實際距離的差值進行修正,然后使用WSNs三維節點定位方法得到IOS平臺點對點通信目標位置[5]。該方法在修正錨節點平均跳距和實際距離的差值時,受錨節點跳數較多影響,存在偏差,最終導致該結果應用效果不佳。

隨著移動網絡的發展,基于位置服務的LBS技術越來越融入人們生活。LBS技術也被應用到IOS平臺內,其屬于IOS平臺的無線增值技術,利用LBS技術可獲取IOS平臺點對點通信時無線用戶位置信息。LBS技術目前被應用在位置共享、追蹤、救援等多個領域,應用范圍極其廣泛[6-7]。本文在此以LBS技術作為基礎,提出基于室內LBS技術的IOS平臺點對點通信目標自動定位仿真方法,以提升IOS平臺點對點通信目標定位效果。

1 IOS平臺點對點通信目標自動定位仿真方法

1.1 IOS平臺點對點通信架構

要實現IOS平臺點對點通信目標精準定位目的,需首先利用應用IOS平臺的移動終端獲取用戶當前的地理位置[8],LBS技術也是以IOS平臺為基礎,才可以獲取目標位置。為此給出IOS平臺點對點通信架構,如圖1所示。

用戶可以通過可觸摸層獲取聯系人信息、廣告信息、顯示郵件等信息,同時實現對相關數據類型的信息傳輸交互。也可利用媒體層內的圖像引擎、音頻引擎和視頻引擎實現點對點流媒體類信息交互。IOS平臺點對點通信架構內的核心服務層為用戶提供點對點通信時的網絡訪問功能、數據存儲功能、定位功能以及用戶運動過程中的加速度、方向等相關數據服務。核心系統層為用戶提供各種運算和安全管理等相關功能,保障IOS平臺點對點通信時的安全性。

1.2 點對點通信錨節點分布范圍獲取

以基于LBS技術的IOS平臺點對點通信架構為基礎,利用面向對象程序語言Objective-C訪問IOS平臺熱點訪問接口,通過該接口掃描IOS平臺點對點通信時AP(WiFi信號接入點)的MAC地址(唯一身份標識)、RSSI值(WiFi信號強度)以及其錨節點信息。令Q表示第i個IOS平臺點對點通信目標通信時的錨節點,該錨節點的坐標由(Xi,Yi)表示,表達公式如式(1):

Q(Xi,Yi)={(Mac1,RSSI1),…(Macn,RSSIn)}

(1)

式中,Macn、RSSIn分別表示IOS平臺點對點通信目標參考點數據的AP的MAC地址和RSSI值;n表示IOS平臺點對點通信時AP數量。

由于IOS平臺在點對點通信時,其目標參考點上會出現多個錨節點,當在該目標參考點上采集m個錨節點時,需對MAC地址進行統計,以該統計值為基礎,則式(1)可改寫為:

(2)

式中,ns表示錨節點采集數據組數;nMAC表示AP數量。

IOS平臺點對點通信時受WiFi信號強度影響,其點對點通信時的錨節點存在時變特性和波動性[9-10],因此需對其噪聲進行抑制處理。利用式(2)得到IOS平臺點對點通信目標參考點數據錨節點后,利用ROF(Rudin Osher Fatemi)去噪模型去除IOS平臺點對點通信目標參考點數據錨節點內存在的噪聲。

將式(2)結果帶入到ROF去噪模型內,其表達式如式(3):

(3)

對式(3)進行能量泛函處理,得到全變分去噪能量泛函E,其表達公式如下:

(4)

式中,TV(Qm(Xi,Yi)表示錨節點能量函數,其表達公式如下:

(5)

利用歐拉-拉格朗日方程對式(4)進行最小化處理,則有:

-Qm(Xi,Yi)′)≈0

(6)

式中,E′表示能量泛函E對Qm(Xi,Yi)的梯度。當該公式成立時,則完成IOS平臺在點對點通信時數據錨節點噪聲抑制[11-13],得到不含噪聲的IOS平臺在點對點通信時數據錨節點Qm(Xi,Yi)′。

利用式(6)得到不含噪聲的IOS平臺在點對點通信時數據錨節點后,利用均值方法計算Qm(Xi,Yi)′內每個AP的信號強度,其表達公式如式(7):

(7)

以式(7)結果為基礎,構建IOS平臺點對點通信錨節點數據存儲格式,其表達公式如下:

(8)

式中,H表示IOS平臺在點對點通信錨節點數據存儲格式。

依據式(8)的IOS平臺點對點通信錨節點數據存儲格式,則其錨節點分布范圍表達公式如式(9):

D=[Q1,Q2,…,Ql]

(9)

式中,l表示IOS平臺在點對點通信目標室內參考點總數。

基于上述過程,設置掃描IOS平臺點對點通信錨節點采集次數、時間,采集IOS平臺點對點通信錨節點[14-15]并對其進行噪聲抑制和按照其存儲格式進行存儲后,得到IOS平臺在點對點通信時室內錨點分布范圍。

1.3 基于LBS的點對點通信目標定位方法

1.3.1 點對點通信目標移動區域路徑獲取

在IOS平臺點對點通信錨節點分布范圍D=[Q1,Q2,…,Ql]內,使用非線性模型中的無損卡爾曼濾波器獲取IOS平臺點對點通信時目標移動區域路徑,其詳細過程如下:

第i(i=1,2,…,I)個IOS平臺點對點通信錨節點在第k(k=1,2,…,K)個迭代周期時的狀態方程表達如式(10)所示,其中I表示錨節點個數,K表示錨節點通信迭代周期個數。

Xi(k)=Xi(k-1)+?i(k)

(10)

式中,?i(k)表示第i個錨節點權重數值;Xi(k)表示錨節點狀態向量。

依據錨節點在迭代周期內的狀態,計算目標錨節點對第i個錨節點的量測值,其量測方程表達如式(11):

Zi(k)=g(Xi(k))+ζi(k)

(11)

式中,Zi(k)表示第i個錨節點的量測向量;g(·)表示量測函數;ζi(k)表示錨節點移動速度。在式(11)中,Zi(k)也表示目標錨節點節點和第i個錨節點之間的距離,該距離表示第i個錨節點在IOS平臺點對點通信時移動的總路徑。

1.3.2 目標錨節點位置計算

三邊測量法是基于測距的定位方法,其是室內LBS技術的一種。該方法通過在平面內選取一系列控制點,將其連接成若干個三角形后,形成網狀圖形,再依據已知的控制點坐標和邊長,解算三角形即可得到三角形坐標方位角,依據該方位角計算未知點的平面坐標。三邊測量法計算未知點坐標較為精準,通常被應用在測繪、建筑設計、勘探等多個領域。在此將三邊測量法計算應用到IOS平臺點對點通信目標自動定位過程中,其實現步驟如下:

令A1、A2、A3為三個已知的IOS平臺點對點通信錨節點,其分布位置如圖2所示。

圖2 IOS平臺點對點通信錨節點分布示意圖

(12)

利用式(12)即可得到待定位目標錨節點P的位置坐標。

依據三邊測量法計算待定位目標錨節點位置坐標和1.3.1小結得到的第i個錨節點在IOS平臺點對點通信時移動總路徑,設計基于三邊測量法的IOS平臺點對點通信目標自動定位策略,該目標自動定位策略步驟如下:

第一步:依據式(11)得到的第i個錨節點在IOS平臺點對點通信時移動總路徑數值,錨節點i遍歷錨節點分布范圍D=[Q1,Q2,…,Ql]。該錨節點在遍歷過程中,持續向四周發送無線信號,當有未知節點進入到錨節點i的通信半徑內,錨節點i會接收到未知節點進入信號。

第二步:判斷未知節點是否具備三個或者三個以上的非共線錨節點信息,若是則進行下一步,反之則忽略該未知節點。

第三步:利用式(11)計算未知節點三個或三個以上非共線錨節點到錨節點i的距離,依據該距離,利用式(8)計算未知節點坐標。

至此,經過上述步驟,完成IOS平臺點對點通信目標自動定位。

2 仿真實驗分析

為驗證本文方法在自動定位IOS平臺點對點通信目標的性能,以某公司室內辦公區內的IOS平臺為實驗對象,IOS平臺的無線傳感網絡區域呈不規則拓撲形狀,無線傳感網絡節點分布如圖3所示。使用MATLAB仿真軟件搭建IOS平臺無線傳感網絡環境,該無線傳感網絡環境詳細參數如表1所示。

圖3 公司辦公區內無線傳感網絡節點分布示意圖

表1 無線傳感網絡環境參數

在MATLAB仿真軟件內設置采集IOS平臺在點對點通信時錨點頻率為60 Hz。

基于上述MATLAB仿真軟件設置,利用IOS平臺進行點對點通信,使用本文方法對該IOS平臺點對點通信時的目標進行自動定位,驗證本文方法實際應用效果。

2.1 IOS平臺點對點通信錨節點分布范圍獲取

在MATLAB仿真軟件內,使用IOS平臺進行10次點對點通信,使用本文方法獲取該10次點對點通信時,無線傳感網絡內通信錨節點的分布范圍,結果如表2所示。

表2 IOS平臺點對點通信錨節點分布范圍獲取測試結果

分析表2可知,本文方法在獲取10次IOS平臺點對點通信錨節點分布范圍時,僅在第1次和第10次時,獲取的分布范圍在Y軸方向存在0.01 m的偏差,在第6次時,獲取的分布范圍在X軸上存在0.02 m的偏差,該偏差數值在100 m×100 m的無線傳感網絡覆蓋區域內影響極小,因此當該偏差未超過0.5 m時,則可忽略不計。本文方法在其他IOS平臺點對點通信次數時獲取的通信錨節點分布范圍均與其實際分布范圍吻合。上述結果說明:本文方法獲取IOS平臺點對點通信錨節點分布范圍較為準確,也從側面說明本文方法對IOS平臺點對點通信時目標自動定位效果較好。

2.2 點對點通信目標移動區域路徑獲取測試

以某個IOS平臺點對點通信目標錨節點作為實驗對象,使用本文方法獲取該錨節點移動區域路徑,利用MATLAB仿真軟件以圖的形式呈現實驗結果,如圖4所示。

圖4 點對點通信目標移動區域路徑獲取測試結果

分析圖4可知,使用本文方法獲取IOS平臺點對點通信目標錨節點的移動區域路徑與其實際錨節點移動路徑重合度較高。僅在縱坐標為21 m左右和縱坐標為70 m左右時,本文方法獲取的IOS平臺點對點通信目標錨節點移動區域路徑位置與實際錨節點出現偏差,但偏差數值略小。在其余錨節點位置處,本文方法得到計算的錨節點路徑與實際錨節點路徑均相同。上述結果說明:本文方法計算IOS平臺點對點通信目標移動區域路徑較為準確。

2.3 通信目標自動定位測試

利用ISO平臺向13個無線網絡傳感節點進行點對點通信,使用本文方法對該13點對點通信目標進行定位,定位結果如圖5所示。

圖5 點對點通信目標進行定位結果

分析圖5可知,本文方法對IOS平臺的點對點通信目標進行定位時,其定位結果與實際無線網絡傳感節點完全重合。該結果說明:本文方法可有效定位IOS平臺的點對點通信目標,且定位精度較高,具備良好的應用效果。

3 結論

本文研究基于室內LBS技術的IOS平臺點對點通信目標自動定位仿真方法,在該方法中應用到了LBS技術內的三邊測量法,依據IOS平臺點對點通信時的目標點和錨節點的位置,使用三邊測量法得到目標點的位置坐標,使其具備較佳的應用效果。雖然從目前來看本文方法取得了一定成果,但其依然存在缺陷,如本文方法并未考慮室內無線傳感網絡錨節點分布過于密集,目標點周圍存在不共線錨節點過多時,對目標錨節點定位運算過于繁瑣,影響IOS平臺點對點通信目標自動定位效率,因此未來需在上述角度對本文方法加以改進。