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辛达维出版公司移动信息系统
2016卷，文章ID 8367638, 13页http://dx.doi.org/10.1155/2016/8367638
研究文章
BLE iBeacon和
基于室内定位的移动应用的几何调整方案
Jeongyeup Paek,1 JeongGil Ko,2 和Hyungsik3
韩国首尔中央大学计算机科学与工程学院水原亚洲大学软件与计算机工程系，韩国首尔弘益大学电子与电气工程学院
1
2
3.
应该写信给申亨植;hyungsik.shin@hongik.ac.kr 2016年8月12日;2016年10月3日录用
学术编辑:崔贤浩
版权所有copy;2016 Jeongyeup Paek等人。这是一篇根据知识共享署名许可协议发布的开放获取文章，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是正确引用了原始作品。
低功耗蓝牙(BLE)和iBeacons最近因支持各种基于邻近的应用服务而引起了人们的极大兴趣。考虑到蓝牙设备(包括移动智能手机)无处不在的特性，使用BLE和iBeacon技术似乎是一个充满希望的未来。这项工作一开始就相信这是真的:iBeacons可以为我们提供精确的邻近和距离估计，从而使许多以前困难的应用程序的开发成为可能，并简化了开发过程。然而，我们对来自不同厂商的三种不同的iBeacon设备和两种类型的智能手机平台的实证研究证明，情况并非如此。信号强度读数在不同的iBeacon供应商、移动平台、环境或部署因素以及使用场景中有显著差异。这种信号强度的可变性自然会使在真实环境中提取准确位置/邻近估计的过程复杂化。我们关于iBeacon技术的局限性的课程让我们通过执行简单形式的几何调整来补偿信标信号强度读数的自然变化，设计了一个简单的课堂考勤应用程序。我们相信，在这项工作中所做的负面观察可以为未来的研究人员提供参考，帮助他们了解在进入系统设计阶段时，iBeacon设备的性能会有多好。
1.介绍
蓝牙在今天的日常生活中无处不在，用于笔记本电脑、移动设备、键盘、耳机和许多其他消费电子产品的电线更换。低能耗蓝牙(BLE)是蓝牙标准4.0版本的扩展，支持低功耗、低成本的短距离无线通信[1,2]。与传统的蓝牙版本相比，它显著降低了功耗和其他扩展功能，现在可以使用硬币电池运行BLE设备几个月甚至几年。这些方面使BLE成为需要不频繁或定期传输少量数据的应用程序的理想选择;因此，它可以广泛应用于医疗、工业和消费领域。
iBeacon是由Apple[3]提出的基于ble的近距离感知框架，允许移动设备进行检测
通过了解iBeacon与低复杂度、低成本的BLE发射机(通常是壁挂式)的距离来确定它与iBeacon接收站的距离(可能还有它的位置)。每个iBeacon定期发送短识别帧，由移动BLE设备接收到，通过接收信号强度指示器(received signal strength indicator, RSSI)估计移动设备与iBeacon之间的距离。基于这种邻近性检测，iBeacons为移动设备上的服务(如广告、优惠券或路线指导)提供自动和特定位置的触发。虽然iBeacon的规格最初是由苹果公司(iOS7或更高版本)提出的，但这只是利用BLE的接近功能的一种方式，因此它是(并可以被制造)与其他使用BLE的设备(例如，Android 4.3或更高版本)兼容。更一般地说，任何BLE设备都可以使用相同的概念来提供类似的邻近功能。从技术上讲,iBeacon
2
技术是BLE信标的一个子集，但是尽管谷歌最近发布了自己的开放信标格式Eddystone (Eddystone是谷歌协议规范，定义了一种用于接近信标消息的蓝牙低能耗消息格式)，但iBeacon和BLE近距离信标几乎成为了今天的synonym。
请注意，BLE信标的最初目标是提供基于邻近的应用程序服务，可能是将特性扩展到粗粒度的基于位置的应用程序。考虑到BLE信标只专注于RSSI测量，结合从基于射频定位的长期研究历史中吸取的经验教训，在室内定位服务中，它可能只能实现有限的精度。众所周知，射频信号相对于室内环境的可变性使精确估计移动设备的位置或其与BLE信标发射器设备的相对距离变得复杂。然而，以往大多数基于双目标定位的室内定位工作只是说明了由于信号变化而产生误差的可能性，而没有对其进行量化，其报告的结果只显示了积极的一面。例如，[5]的工作报告定位精度为0.53米，但这项工作的范围是9 times; 10平方米。[6]的工作报告了1.2米的准确度与指纹，但仅在47.4 times; 15.9平方米的面积。最近[7]的工作表明，当测量信号RSSI随时间变化时，距离估计误差会随着距离的增加而显著增加，但不显示其他可能的误差维度。
在这项工作中，我们进行了一系列广泛的实验，以量化各种室内障碍对BLE信号方差的影响。具体来说，我们展示了来自不同供应商的不同iBeacon设备以及配对的移动设备平台(例如，iOS或Android)可以对RSSI测量产生重大影响，从而使设计一个普遍可接受的距离/位置估计模型的过程复杂化。此外，诸如部署高度或环境因素等实际因素也会对RSSI值产生重大影响，从而在使用iBeacons设计高精度位置估计系统时增加了额外的复杂性。来自这些经验研究的教训引导我们设计一个“可实际设计”的应用程序。“具体来说，我们设计并评估了一个课堂考勤监控应用系统，结合了从本地可获取的iBeacon信号进行的距离估计，以及从我们的经验信号测量中设计的估计调整方案。
本文的结构如下。第2节介绍了RSSI读数和估计距离之间的关系，然后推动我们对这一关系的实证研究。第3节描述了我们对实证研究和实验设置的方法，包括我们在研究过程中改变的各种参数。第4节是主要的部分，它描述了我们的测量数据，并说明了我们基于数据的分析结果。第5节是一个应用案例研究，一个自动考勤监控系统，这是基于我们的实证研究。该系统还提出了一种新的几何方法来克服实际iBeacon系统的局限性。
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第6节回顾了之前和相关的工作，最后第7节总结了本文。
2.蓝牙低能量定位系统的局限性
随着蓝牙低能耗(BLE)和苹果的iBeacon协议开始被广泛采用和部署，室内邻近和/或位置支持的应用程序迅速渗透到我们的日常生活和消费空间。iBeacon已经在美国的苹果商店安装，提供产品信息和客户服务，美国国家橄榄球联盟(NFL)在大都会人寿体育场使用iBeacon，在超级碗比赛[8]期间为球迷提供个性化广告。此外，iBeacon还可以用于机场[9]的行李跟踪、博物馆[10]的游客互动体验、应急引导系统[11]的疏散路径规划、急诊室[12]的患者跟踪、室内外路线引导[13,14]、房间占用情况检测[15,16]。iBeacons和BLE邻近应用程序可以应用的应用空间非常大。这些应用程序都使用基于接收信号强度指示器(RSSI)的接近测量作为唯一的信息源;因此，这些应用程序利用移动设备离iBeacon有多近的信息，而不是试图确定移动设备的确切和绝对位置。
iBeacon技术最初的目的是提供基于近距离的应用服务和仅基于近距离的粗粒度室内位置定位和导航。请注意，接近(接近某个对象)与位置(您所在的位置)有关，但不一定是相同的。一个位置(或位置)不仅仅是邻近，它是一个绝对值，通常由一些坐标系统(例如，GPS的纬度和经度)定义。然而，最近有几项使用BLE进行室内定位的建议，扩展了先前使用其他技术的几项工作，如超声波、红外、WiFi、GSM、RFID、IEEE802.15.4、以及用于室内定位的蓝牙的早期版本[17-22](还有很多使用其他无线技术的室内定位相关的前期工作，但为了简单起见，我们只列出了其中的一个子集，因为涉及的内容太多，所以我们只列出了BLE)。室内定位和定位仍然是一个活跃的研究领域，BLE正在利用其新的无线特性扩展文献。
有几种方法(除了简单的基于邻近的[12])可以应用于基于ble的室内定位。在所有情况下，iBeacon都会定期广播一个包含唯一ID和对应于1米距离(?0)的校准RSSI值(?0)的通告报文。该值允许我们使用(1)中的模型来确定iBeacon和设备之间的距离，其中?是路径损耗指数的校准参数。基于RSSI或iBeacons与移动设备之间的估计距离，加权平均模型[5]、三边化/三角化模型[23]或指纹[7,24]可以
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3.
Estimote
GELO
Wizturn卵石
图1:实验中使用了三种不同类型的iBeacons:最上面一行显示了estimmote、GELO和Wizturn Pebble iBeacons的图像。底部一行显示对应的智能手机应用程序的图标。
适用于国产化过程。估计还可以与行人方位推算(PDR)或滤波技术相结合，以改进跟踪或减少定位误差[6,25]。当然，所有这些方法都假设所有安装的iBeacons都拥有其预定义的位置信息，包括确切的坐标。
(1）
如果使用距离而不是原始的RSSI值进行定位，则使用射频传播模型(如(1))将RSSI读数转换为距离。这里的主要挑战是RSSI值对环境变化(如物体移动或障碍物)的敏感性，这些变化会导致信号传播或无线电地图变化。很明显，这种距离估计(以及位置估计)的准确性和效率在很大程度上取决于测量的RSSI值的准确性和用于推导和计算距离的模型，也受到周围环境的显著影响。因此，本文针对不同类型的iBeacon设备和移动设备平台，对基于RSSI测量的位置/距离估计性能进行了详细的实证测量研究。我们考虑了各种环境因素，以收集关于iBeacon技术性能限制的实际观点。
3.方法与实验设置
我们在两个不同的环境中进行实验:一个是大学校园中没有任何障碍的开放足球场，另一个是办公大楼中畅通的走廊，以确保视线(LOS)信号传播。在这些环境中，我们使用了三种不同类型的iBeacons: estimot[26]、Wizturn Pebble[27]和GELO [28] iBeacons来检查差异
在供应商之间的表现。此外，我们使用了两种不同的移动设备:iOS 7.1.2的iPhone 5和Android 4.4.2的Galaxy Round (SM-G910S)，以验证任何现有的特殊性。用于数据收集的移动应用程序是由相应的iBeacon开发者提供的应用程序:用于estimmote iBeacons的“estimmote app”，用于GELO iBeacons的“GELO toolkit app”，用于Wizturn Pebble iBeacons的“Wizturn beacon manager”应用程序(图1)。
实验中使用的默认配置参数如下。iBeacon的传输(TX)功率设置为最大4dbm，除非另有说明，以验证任何iBeacon可以覆盖的最大距离。我们还用最小TX功率(根据设备的不同，最小TX功率为minus;19 ~minus;23 dBm)进行实验，以观察连接的下限。iBeacons的发布间隔设置为950毫秒，这是所有三种设备的出厂默认值。除非另有说明，iBeacons和手机设备离地面的放置高度都设置为1.2米。我们选择1.2米的高度来模拟用户手中移动设备的高度。最后，将iBeacon的朝向设置为面向移动设备的LOS方向。使用这些配置，移动应用程序持续检测来自iBeacon的信号并记录他们的RSSI测量，同时iBeacon和移动设备之间的距离从1米增加到最大距离并手动记录，直到达到最大距离。在这里，我们注意到，最大距离被定义为设备可以检测到RSSI值的最远距离。在每个位置(例如，与iBeacon的相对距离)，我们对每个配置进行了20次RSSI测量。
4.测量数据分析
在本节中，我们将重点确定和量化与性能相关的各种特征
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minus;50
minus;60
minus;70
minus;80
minus;90
minus;100
minus;50
minus;60
minus;70
minus;80
minus;90
minus;100
1
10
20.
30.
真正的距离(米)
40 50 60
iOS
70
80
90
One hundred.
1
10
20.
30.
真正的距离(米)
40 50 60
安卓
70
80
90
One hundred.
RSSI
RSSI
25% 75%平均
图2:iOS和Android的距离与RSSI对比图。(估计，4 dBm TX功率，1.2 m高度，LOS)。
iBeacons用于本地化应用程序，仔细分析我们收集的大量测量数据。
4.1。iOS和Android手机的区别。我们首先比较iPhone 5与iOS 7.1.2和Galaxy Round (SM-G910S)与Android
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