Site Survey-free Indoor Positioning System based on RSSI Diversity and Sequential Least Squares Programming

dc.contributor.advisor1Oliveira, Horácio Antonio Braga Fernandes de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9314744999783676eng
dc.contributor.referee1Assayag, Yuri Freitas
dc.contributor.referee2Lobo, Felipe Leite
dc.contributor.referee3Santos, Eulanda Miranda dos
dc.contributor.referee4Nakamura, Eduardo Freire
dc.creatorPinto, Bráulio Henrique Orion Uchôa Veloso
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/2044598311458637eng
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8885-5609eng
dc.date.issued2025-08-20
dc.description.abstractSistemas 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.eng
dc.description.resumoIndoor 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.eng
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superioreng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationPINTO, 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.eng
dc.identifier.urihttps://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11139
dc.languageengeng
dc.publisherUniversidade Federal do Amazonaseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentInstituto de Computaçãoeng
dc.publisher.initialsUFAMeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Informáticaeng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/pt_BR
dc.subjectBluetooth low-energyeng
dc.subjectIndoor positioningeng
dc.subjectPath loss modeleng
dc.subjectRSSIeng
dc.subjectOptimizationeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA: CIENCIA DA COMPUTACAO: SISTEMAS DE COMPUTACAO: TELEINFORMATICAeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS: ENGENHARIA ELETRICA: TELECOMUNICACOES: RADIONAVEGACAO E RADIOASTRONOMIAeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA: PROBABILIDADE E ESTATISTICA: ESTATISTICA: ANALISE DE DADOSeng
dc.thumbnail.urlhttps://tede.ufam.edu.br/retrieve/87396/TESE_BraulioHenriquePinto_PPGI.jpg*
dc.titleSite Survey-free Indoor Positioning System based on RSSI Diversity and Sequential Least Squares Programmingeng
dc.typeTeseeng

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