近年來定位系統在無線感測網路研究領域中引起了極大的注意，其中以依據無線訊號強度(RSSI)特徵為基礎的方法最為常見。這種定位方法是預先在環境中佈建一些已知位置的無線發射器(beacon)，然後利用不同位置收到beacon封包的訊號強度(RSSI)的獨特性，即訊號強度特徵 (RSSI-Signature)來進行定位。這一類的方法必需在使用之預先量測環境中不同位置的訊號強度特徵，建立一個訊號強度特徵的地圖(RSSI-Signature map)。接著在使用追蹤的階段，將目標物收集到的訊號強度特徵與地圖進行比對，找出目標物的預估位置。大部分現有的研究主要專注在設計一個可靠的比對方式，讓目標物的訊號強度特徵與地圖之間對應更加的稳定。這些方法有一部分是以統計為基礎，另一部分是讓系統自我學習，其目的都是要盡量減少無線訊號強度(RSSI)不穩定所造成的定位誤差。然而，在真實的佈建環境中，有一個常常被忽略的問題，就是含有訊號強度資訊的beacon封包有可能會遺失。如何處理這些封包遺失對整體定位系統的準確度有非常大的影響。無論是統計或者是自我學習的方法，都必需在有足夠beacon封包的前題之下，才能進行有效的比對。也就是說，如果收到的beacon封包數量(輸入)不具代表性，那麼所預估的位置(輸出)也不會有意義。

研究中，預先在環境中佈建了一個由14個感測節點所組成的IEEE 802.15.4的無線感測網路，利用K個最接近的鄰近點(K-Nearest-Neighbor; KNN)的演算法實作了一個以無線訊號強度特徵為基礎的定位系統。在這個平台之上，針對beacon封包遺失對定位系統所造成的影響及其可能的解決方法進行探討。實驗的主要發現有以下兩點：(1)定位系統在壅塞或乾淨的頻段之下運作，其效果有顯著的不同。從實驗結果可以觀察到，當定位系統從乾淨的頻段切換到壅塞的頻段時，80百分位數(percentile)的定位誤差增加了300%。由此可知，當定位系統運作的頻段有太多干擾時，适時的跳到另一個乾淨的頻段運作是必要的。(2)即使在beacon封包接收率很高的情況下，封包遺失情形仍是無可避免。大多數的系統在這時候都會將缺漏的beacon的訊號強度補上一個預設的最小值，這樣的做法隱含了遺失的beacon封包其訊號強度一定很低的假設。然而，在實驗之中，訊號強度值與封包接收率並沒有絕對的關聯。經由適當地過濾掉遺失的beacon，而非單純的補上最小值，結果發現80百分位數(percentile)的定位誤差減少了50%。

實驗測試平台

此定位系統是由14個telos motes所組成，沿著走道每隔十公尺放置在系館的天花板上。這14個motes將作為beacon的發射器，每隔200ms會發出一個帶有自己編號(ID)訊息的封包。本系統採用類似於MoteTrack的方法，依據預先收集的訊號強度特徵地圖(RSSI-Signature map)與追踨當下目標物收集到的訊號強度特徵進行比對來估算位置。

在前置的勘測階段，將定位區域分割成小格子，每個格子之間的距離約為30公分，大約是走一步的長度。研究人員會拿著一台電腦並接上接收模組走在走廊上，在每一個格點接收40組的RSSI特徵，求取平均值，以得到該點的RSSI特徵向量。所有格點所收集到的RSSI特徵向量便會組成此定位區域的RSSI特徵地圖。

在追踨階段，目標物配帶的接收模組會收集beacon封包，並記錄此封包的訊號強度(RSSI)，接著將收集到的RSSI特徵向量送回定位系統主機。定位系統會將收到的特徵向量與特徵地圖做比對，計算收到的特徵向量與每一個格點的特徵向量的歐幾里得距離(Euclidean distance)，找出最有可能的位置。使用KNN的方式來找出前K個最有可能的格點(距離最短的點)，然後計算這K個格點的加權平均位置。在實驗中，K值設為3。

定位系統跳頻機制

分別在乾淨以及頻段，於平均分散在走道的4個位置紀錄beacon的訊號強度，每一筆紀錄為五分鐘長。乾淨頻段的中心頻率為2.475GHz、頻寬為5MHz(即IEEE 802.15.4的第25頻段)。這個頻段並不與任何IEEE 802.11b/g的頻段重疊，實驗時也沒有其他IEEE 802.15.4的流量，因此不會有其他干擾。至於壅塞頻段的部分，則選擇與IEEE 802.11b/g的第11頻段中心頻率重疊的頻段，並以筆記型電腦持續的在這個頻段傳送檔案以產生干擾。

《圖一 位置估計誤差之累積分佈函數(CDF) 乾淨頻段VS.壅塞頻段》

位置估計誤差的累積分佈函數(CDF)呈現在圖一。系統在壅塞的頻段運作時，定位的準確度明顯下滑，80百分位數的定位誤差是13.7公尺;而在乾淨的頻段運作時只有4.5公尺，將近小了三倍，而造成如此大差異的原因在於beacon封包的遺失。在乾淨頻段的平均封包遺失率是42%，然而在壅塞頻段卻高達83%。這樣的現象使得訊號強度特徵向量接收不夠充足、完整，因此得到較差的位置估算。

《圖二 三小時內於802.15.4第11-26頻段的封包接收率隨時間之變化》

為了解beacon封包被日常生活中其他運作於2.4GHz的無線傳輸協定所影響的程度，進行了一項封包接收率的實驗。IEEE 802.15.4通訊協定在2.4GHz的頻帶上共有16個頻段(從第11到第26)，在佈建的測試平台上測量所有頻段的封包接收率。實驗中，將其中一個節點設定為發送器，其餘的都作為接收器。發送器每隔60毫秒發送一個封包，並依序從第11到第26頻段循環發送。實驗進行了三個小時而所得到的封包接收率結果則呈現於圖2。由圖二可以看出，在日常生活中，某些IEEE 802.15.4的頻段在某些時刻會進入到壅塞的狀態。這些壅塞的期間通常為20至30分鐘，而這段期間的封包接收率下降至只有20%。雖然有很多頻段的封包接收率看似沒有變化，但如果無線區域網路的佈建更加密集或者有其他802.15.4感測網路建構在同個環境中，這些頻段的封包接收率仍然會受到影響。

因此，對於一個必需長期運行的定位系統而言，讓beacon固定在某一個頻段運作並不是一個可靠的方式，因為不知道這個頻段甚麼時候會變得壅塞。此外，壅塞的頻段並不會一直處在壅塞的狀態，當這些頻段變得乾淨的時候，也可以讓定位系統運做在這個頻段上。因此，利用同步的跳頻基制适時的變換運行頻段，對於一個在實際應用中必須長期而可靠的運作的定位系統而言，是一個可行性相當高的解決方案。跳頻基制已經在其他的無線通訊協定中被廣泛的使用，但是一個具有跳頻能力的室內定位系統還有待努力。

《圖三 訊號強度VS.封包接收率 每個資料點為在測試平台中的一個無線連結量測10小時所得》

如何處理beacon封包遺失

從實驗中也發現，即使定位系統運行在乾淨的頻段，封包的接收率也並非一直保持完美。換言之，目標物上的接收器所收到的訊號強度向量並不會永遠都是完整的。在傳統上，當系統在估算位置的時候，會將缺漏的值補上最小的訊號強度值(以射頻晶片CC2420為例，此值為-100dBm)。然而，從量測的結果(圖三)顯示，訊號強度和封包接收率並不是成線性對應的關係。也就是說，愈高的訊號強度並不代表有較高的機率會成功收到該封包。相反的，所有高過某門檻的訊號強度(於實驗中為-85dBm)，封包接收率都差不多，類似的結果也在其他的文献中被提出。將缺漏的beacon訊號強度補上最小值，會造成估計位置時偏倚向某些低訊號強度的格點。為了移除這樣的偏倚，會在位置估計的運算過程中過濾掉這些缺漏的值，這個方法被稱為「正規化KNN」(Normalized KNN)。這個方法的運算方式是在格點比對時，將出現在特徵地圖，但卻在目標物收集到的特徵向量中缺漏的beacon排除，再計算歐幾里得距離(Euclidean distance)。接著將計算出的歐幾里得距離進一步除以實際上被納入考量的beacon數量。值得注意的是，如果有一個beacon在特徵地圖的格點和收集到的特徵向量中皆缺漏時，該beacon仍然被納入考量的總數量之中，但其所產生歐幾里得距離會設為零，以避免該格點被低估。

《圖四 位置估計誤差之累積分部函數(CDF) KNN VS. NKNN》

圖四為NKNN方法估計的位置準確度，在壅塞和乾淨的頻段，80百分位數的定位誤差分別減少了53%和45%。當然，可以試著延長接收節點的接收時間以確保收到較完整的特徵向量，但相對的也會降低位置估計的即時性。如果實際應用需要即時的位置更新資訊，NKNN可以在這樣的條件限制下提升定位的準確度；如果定位系統可以接受較長的接收時間，NKNN也可以做為一個互補的基制。

結論與未來展望

初步的實驗結果顯示即使在乾淨的頻段，beacon封包仍然會遺失，進而影響定位的準確度。這個問題必須小心地處理，不能單純的將遺失的beacon補上最小值。在某些情況下，使用的頻段被其他頻譜使用者如802.11b/g嚴重影響時，缺漏的beacon封包數量太多，可能會差到沒有辦法進行任何可靠的位置估算。此時定位系統應該找尋另一個乾淨的頻段繼續運作。目前，我們最迫切的工作是設計並實作一個具有跳頻能力的室內定位系統。如此一來，定位系統才能在日常生活的實際應用之中，有效的對抗各種干擾，達到長時間持續且可靠的運作的目的。