Published January 1, 2021 | Version v1
Publication Open

Enhanced Indoor Localization Based BLE Using Gaussian Process Regression and Improved Weighted kNN

  • 1. Hanoi University of Science and Technology

Description

Indoor positioning has attracted commercial developers and researchers in the last few decades.Global positioning system (GPS) cannot well localize in indoor environment.For clinical applications such as workflow analysis, Bluetooth Low Energy (BLE) beacons have been employed to map the positions of individuals in indoor environments.The received signal strength indicator (RSSI) fingerprinting plays a key role in the access point performance services.This paper deals with the issue of indoor localization based RSSI fingerprint using only RSSI vectors without any prior knowledge of the pose.We proposed to use machine learning (ML) combined with modified kNN algorithm to enhance the real-time performance and propose method to detect uncertainty of estimated pose.The mentioned ML algorithm is Gaussian Process Regression (GPR).In the online phase of our system, GPR gives a prediction for the location of the pose using RSSI vector.This prediction helps kNN algorithm therefore limits the searching region leading to reduce the computational cost.An analysis on the distribution of k nearest points is also presented which aims to evaluate the confidence of the estimated pose for extracting a list of trustable points.Furthermore, we also present an extrapolation process using this trust-list to have an optimized trajectory.The accuracy and timing analysis of our proposal was realized on a challenging BBIL dataset which contains very noisy RSSI signals due to a fast moving of the object.The experimental results show that our system exhibits a much better performance than traditional kNN or WkNN algorithms.The RMSE of our optimal trajectory is 1.78 m in the room with a dimension of 10 m x 25 m, which is competitive in comparison to other methods where initial pose is known.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

اجتذب تحديد المواقع في الأماكن المغلقة المطورين والباحثين التجاريين في العقود القليلة الماضية. لا يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التوطين بشكل جيد في البيئة الداخلية. بالنسبة للتطبيقات السريرية مثل تحليل سير العمل، تم استخدام منارات Bluetooth منخفضة الطاقة (BLE) لرسم مواقع الأفراد في البيئات الداخلية. تلعب بصمة مؤشر قوة الإشارة المستلمة (RSSI) دورًا رئيسيًا في خدمات أداء نقطة الوصول. تتعامل هذه الورقة مع مسألة بصمة RSSI المستندة إلى التوطين الداخلي باستخدام متجهات RSSI فقط دون أي معرفة مسبقة الوضع. اقترحنا استخدام التعلم الآلي (ML) جنبًا إلى جنب مع خوارزمية kNN المعدلة لتعزيز الأداء في الوقت الفعلي واقتراح طريقة للكشف عن عدم اليقين في الوضع المقدر. خوارزمية ML المذكورة هي Gaussian Process Regression (GPR). في المرحلة عبر الإنترنت من نظامنا، يعطي GPR تنبؤًا لموقع الوضع باستخدام متجه RSSI. يساعد هذا التنبؤ خوارزمية kNN وبالتالي يحد من منطقة البحث مما يؤدي إلى تقليل التكلفة الحسابية. يتم أيضًا تقديم تحليل لتوزيع k أقرب نقطة يهدف إلى تقييم ثقة تشكل لاستخراج قائمة من النقاط الموثوقة. علاوة على ذلك، نقدم أيضًا عملية استقراء باستخدام قائمة الثقة هذه للحصول على مسار محسن. تم تحقيق تحليل الدقة والتوقيت لاقتراحنا على مجموعة بيانات BBIL الصعبة التي تحتوي على إشارات RSSI صاخبة للغاية بسبب الحركة السريعة للكائن. تظهر النتائج التجريبية أن نظامنا يُظهر أداءً أفضل بكثير من خوارزميات kNN التقليدية أو WkNN. يبلغ RMSE لمسارنا الأمثل 1.78 متر في الغرفة ببعد 10 أمتار × 25 مترًا، وهو تنافسي مقارنة بالطرق الأخرى التي تكون فيها الوضعية الأولية معروفة.

Translated Description (French)

Le positionnement intérieur a attiré des développeurs commerciaux et des chercheurs au cours des dernières décennies.Le système de positionnement global (GPS) ne peut pas bien localiser dans un environnement intérieur.Pour des applications cliniques telles que l'analyse de flux de travail, des balises Bluetooth Low Energy (ble) ont été utilisées pour cartographier les positions des individus dans des environnements intérieurs.La prise d'empreintes de l'indicateur de force du signal reçu (RSSI) joue un rôle clé dans les services de performance du point d'accès.Cet article traite de la question de l'empreinte RSSI basée sur la localisation intérieure en utilisant uniquement des vecteurs RSSI sans aucune connaissance préalable de la pose.Nous avons proposé d'utiliser l'apprentissage automatique (ML) combiné à un algorithme kNN modifié pour améliorer les performances en temps réel et proposer une méthode pour détecter l'incertitude de la pose estimée.L' algorithme ML mentionné est la régression du processus gaussien (GPR).Dans la phase en ligne de notre système, le GPR donne une prédiction de l'emplacement de la pose à l'aide du vecteur RSSI.Cette prédiction aide donc l'algorithme kNN à limiter la région de recherche, ce qui permet de réduire le coût de calcul.Une analyse de la distribution des k points les plus proches est également présentée, qui vise à évaluer la confiance de l'estimation pose pour extraire une liste de points fiables. En outre, nous présentons également un processus d'extrapolation utilisant cette liste de confiance pour avoir une trajectoire optimisée. L'analyse de précision et de synchronisation de notre proposition a été réalisée sur un ensemble de données BBIL difficile qui contient des signaux RSSI très bruyants en raison d'un déplacement rapide de l'objet. Les résultats expérimentaux montrent que notre système présente une bien meilleure performance que les algorithmes traditionnels kNN ou WkNN. Le RMSE de notre trajectoire optimale est de 1,78 m dans la pièce avec une dimension de 10 m x 25 m, ce qui est compétitif par rapport à d'autres méthodes où la pose initiale est connue.

Translated Description (Spanish)

El posicionamiento en interiores ha atraído a desarrolladores e investigadores comerciales en las últimas décadas. El sistema de posicionamiento global (GPS) no puede localizarse bien en entornos interiores. Para aplicaciones clínicas como el análisis de flujo de trabajo, se han empleado balizas Bluetooth de baja energía (ble) para mapear las posiciones de las personas en entornos interiores. La huella digital del indicador de intensidad de señal recibida (RSSI) juega un papel clave en los servicios de rendimiento del punto de acceso. Este documento trata el tema de la huella digital RSSI basada en la localización en interiores utilizando solo vectores RSSI sin ningún conocimiento previo de la pose. Propusimos utilizar el aprendizaje automático (ML) combinado con el algoritmo kNN modificado para mejorar el rendimiento en tiempo real y proponer un método para detectar la incertidumbre de la pose estimada. El algoritmo ML mencionado es la regresión de procesos gaussianos (GPR). En la fase en línea de nuestro sistema, GPR da una predicción para la ubicación de la pose utilizando el vector RSSI. Esta predicción ayuda al algoritmo kNN a limitar la región de búsqueda que conduce a reducir el costo computacional. También se presenta un análisis sobre la distribución de los k puntos más cercanos que tiene como objetivo evaluar la confianza del pose para extraer una lista de puntos confiables. Además, también presentamos un proceso de extrapolación utilizando esta lista de confianza para tener una trayectoria optimizada. El análisis de precisión y tiempo de nuestra propuesta se realizó en un conjunto de datos BBIL desafiante que contiene señales RSSI muy ruidosas debido a un movimiento rápido del objeto. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema exhibe un rendimiento mucho mejor que los algoritmos kNN o WkNN tradicionales. El RMSE de nuestra trayectoria óptima es de 1.78 m en la habitación con una dimensión de 10 m x 25 m, que es competitivo en comparación con otros métodos donde se conoce la pose inicial.

Files

09583255.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:aeef5e07808d9f3ab608cd1bb193d927
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحسين BLE الداخلي القائم على التوطين باستخدام انحدار العملية الغاوسية وتحسين kNN المرجح
Translated title (French)
Ble amélioré basé sur la localisation intérieure en utilisant la régression du processus gaussien et le kNN pondéré amélioré
Translated title (Spanish)
Ble basado en localización de interiores mejorada mediante regresión de procesos gaussianos y kNN ponderada mejorada

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3208268217
DOI
10.1109/access.2021.3122011

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1968099658
  • https://openalex.org/W2004396426
  • https://openalex.org/W2040213547
  • https://openalex.org/W2295894764
  • https://openalex.org/W2550856709
  • https://openalex.org/W2620740922
  • https://openalex.org/W2753857670
  • https://openalex.org/W2770804382
  • https://openalex.org/W2776080237
  • https://openalex.org/W2890858785
  • https://openalex.org/W2897093100
  • https://openalex.org/W2901866722
  • https://openalex.org/W2902536584
  • https://openalex.org/W2907153016
  • https://openalex.org/W2912623183
  • https://openalex.org/W2922174720
  • https://openalex.org/W2926974107
  • https://openalex.org/W2947789327
  • https://openalex.org/W2962018862
  • https://openalex.org/W2972355358
  • https://openalex.org/W2973010884
  • https://openalex.org/W3008702594
  • https://openalex.org/W3027934792
  • https://openalex.org/W3042956813
  • https://openalex.org/W3106220687
  • https://openalex.org/W3113291456
  • https://openalex.org/W3113374561
  • https://openalex.org/W3120697286
  • https://openalex.org/W3126386703
  • https://openalex.org/W3138597573