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https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11139
???metadata.dc.type???: | Tese |
Title: | Site Survey-free Indoor Positioning System based on RSSI Diversity and Sequential Least Squares Programming |
???metadata.dc.creator???: | Pinto, Bráulio Henrique Orion Uchôa Veloso ![]() |
???metadata.dc.contributor.advisor1???: | Oliveira, Horácio Antonio Braga Fernandes de |
???metadata.dc.contributor.referee1???: | Assayag, Yuri Freitas |
???metadata.dc.contributor.referee2???: | Lobo, Felipe Leite |
???metadata.dc.contributor.referee3???: | Santos, Eulanda Miranda dos |
???metadata.dc.contributor.referee4???: | Nakamura, Eduardo Freire |
???metadata.dc.description.resumo???: | Indoor positioning systems (IPSs) are essential for enabling location-based services in complex environments such as retail, healthcare, and logistics. However, existing IPSs often require labor-intensive and time-consuming offline fingerprinting phases that limit scalability and adaptability in dynamic indoor settings. This thesis presents OPTIMAPS (Optimized Positioning Technique Integrating Model-based and Pairwise Selection), a novel site survey-free solution leveraging Bluetooth Low Energy (BLE) technology. OPTIMAPS utilizes a log-distance path loss model, with parameters automatically identified from scenario geometry and signal diversity analysis, thus eliminating the need for pre-deployment RSSI collection. During online operation, the system combines a nearest-neighbor (NN) estimation — chosen for its computational efficiency and robustness as an initializer—with Sequential Least Squares Programming (SLSQP) for constrained nonlinear optimization, refining position estimates within a restriction circle empirically matched to testbed granularity. A major innovation in OPTIMAPS is the adoption of the Chebyshev metric for quantifying RSSI vector dissimilarity, which, together with mean pairwise distance analysis, leads to superior signal discrimination and enhances positioning accuracy. The system was rigorously validated in a large-scale real-world scenario — a 720 m² testbed with 15 BLE access points and 148 testing locations — using a publicly available dataset. OPTIMAPS achieved an average positioning error (APE) of 2.65 meters, competitive with state-of-the-art techniques, and outperformed comparable survey-free methods on anchor density-normalized error. Furthermore, OPTIMAPS demonstrated linear computational scaling with environmental size, a critical advantage over metaheuristic optimization approaches such as genetic algorithms, which exhibit quadratic or worse growth in resource demand. Spatially resolved performance analysis revealed that the SLSQP refinement yields the greatest improvements in complex, multipath-rich environments, with error reductions surpassing 30% in the most challenging rooms, and negligible overhead in open spaces. Effect size quantification and statistical testing further established OPTIMAPS’ robustness and practical deployability. Overall, OPTIMAPS proves to be a scalable, accurate, and energy-efficient solution that eliminates the need for site surveys, positioning it as a highly promising option for real-world deployment across diverse and dynamic indoor scenarios. |
Abstract: | Sistemas de localização em ambientes fechados (IPSs) são essenciais para viabilizar serviços baseados em localização, como varejo, saúde e logística. No entanto, os IPSs existentes frequentemente exigem etapas de fingerprinting offline que são trabalhosas e demoradas, limitando a escalabilidade e a adaptabilidade em cenários internos dinâmicos. Esta tese apresenta o OPTIMAPS, uma solução inovadora independente de coleta de fingerprints que utiliza a tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE). O OPTIMAPS emprega um modelo de perda de percurso logarítmica, cujos parâmetros são automaticamente determinados a partir da geometria do cenário e da análise de diversidade de sinal, eliminando assim a necessidade de coleta prévia de RSSI em campo. Durante a operação online, o sistema combina uma estimativa baseada no vizinho mais próximo (NN) — escolhida por sua eficiência computacional e robustez como estimador inicial — com Programação Sequencial de Mínimos Quadrados (SLSQP) para otimização com restrições não-lineares, refinando as estimativas de posição dentro de um círculo de restrição empiricamente ajustado à granularidade do cenário experimental. Uma das principais inovações do OPTIMAPS é a adoção da métrica de Chebyshev para quantificar a dissimilaridade entre vetores de RSSI, que, juntamente com a análise da média das distâncias par-a-par, fornece melhor discriminação de sinais e aumenta a acurácia da localização. O sistema foi rigorosamente validado em um cenário real de larga escala — um cenário de 720 m² com 15 pontos de acesso BLE e 148 locais de teste — utilizando um conjunto de dados publicamente disponível. O OPTIMAPS alcançou um erro médio de localização (APE) de 2.65 metros, competitivo com o estado-da-arte, e superou métodos similares sem fingerprinting considerando-se a métrica de erro normalizado por densidade de pontos de acesso. Ademais, o OPTIMAPS demonstrou escalabilidade computacional linear em relação à área do cenário de testes, uma vantagem crítica sobre abordagens meta-heurísticas, como algoritmos genéticos, que apresentam crescimento quadrático ou maior em relação à demanda por recursos computacionais. A análise de desempenho espacial revelou que o refinamento via SLSQP proporciona os maiores ganhos em ambientes complexos e ricos em multipercurso, com reduções de erro superiores a 30% nas salas mais desafiadoras e impacto irrisório em espaços abertos. A quantificação do "efeito de tamanho" e testes estatísticos adicionais reforçaram a robustez e a aplicabilidade prática do OPTIMAPS. De modo geral, o OPTIMAPS se mostra uma solução escalável, precisa e eficiente em consumo de energia, que elimina a necessidade de coleta de fingerprints e se posiciona como uma proposta altamente promissora para implantação em cenários de ambientes fechados reais, diversos e dinâmicos. |
???metadata.dc.subject.cnpq???: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA: CIENCIA DA COMPUTACAO: SISTEMAS DE COMPUTACAO: TELEINFORMATICA ENGENHARIAS: ENGENHARIA ELETRICA: TELECOMUNICACOES: RADIONAVEGACAO E RADIOASTRONOMIA CIENCIAS EXATAS E DA TERRA: PROBABILIDADE E ESTATISTICA: ESTATISTICA: ANALISE DE DADOS |
???metadata.dc.subject.user???: | Bluetooth low-energy Indoor positioning Path loss model RSSI Optimization |
Language: | eng |
???metadata.dc.publisher.country???: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal do Amazonas |
???metadata.dc.publisher.initials???: | UFAM |
???metadata.dc.publisher.department???: | Instituto de Computação |
???metadata.dc.publisher.program???: | Programa de Pós-graduação em Informática |
Citation: | PINTO, Bráulio Henrique Orion Uchôa Veloso. Site Survey-free Indoor Positioning System based on RSSI Diversity and Sequential Least Squares Programming. 2025. 81 f. Thesis (Doctorate in Computer Science) – Institute of Computing - Federal University of Amazonas, Manaus, 2025. |
???metadata.dc.rights???: | Acesso Aberto |
???metadata.dc.rights.uri???: | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
URI: | https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11139 |
Issue Date: | 20-Aug-2025 |
Appears in Collections: | Doutorado em Informática |
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TESE_BraulioHenriquePinto_PPGI | 1.22 MB | Adobe PDF | ![]() Download/Open Preview |
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