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I 摘要 隨著無線定位技術(shù)的迅速發(fā)展，基于定位的服務(wù) (逐漸普及到各個領(lǐng)域，例如航海導(dǎo)航車載定位以及人員跟蹤等。盡管基于 術(shù)的室外定位已經(jīng)達(dá)到了很高 的定位精度，但是由于 號無法達(dá)到室內(nèi)的特性，在 適用于室內(nèi)環(huán)境的條件下，室內(nèi)定位面臨著各種技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，所以它也成為當(dāng)前研究和關(guān)注的熱點。 現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)主要有紅外線定位、超聲波定位、 頻識別定位以及 位等。其中，基于 定位近幾年來倍受人們的關(guān)注。 位有多種算法，本文采用最近點搜索法來實現(xiàn)定位，這個算法是先采集一定數(shù)量的樣點，計算出它們到每個 的信號損耗，將這些數(shù)據(jù)輸入進(jìn)數(shù)據(jù)庫，然后通過自身位置到各個 之間的信號損耗和數(shù)據(jù)庫中各個樣點到每個 的信號損耗作對比，最后定位出實際位置。 本算法是通過 真來實現(xiàn)的 ， 仿真了在 100m*100m 范圍內(nèi)，取 5 個，在步長和實際位置不同的情況下的定位結(jié)果。其中步長分別取了 1m 到 10m，實際位置隨機(jī)取了 5 個點。最后從仿真結(jié)果 可以看出步長的選取與實際位置的坐標(biāo)存在關(guān)系。當(dāng)實際位置的橫縱坐標(biāo)除以步長取的余數(shù)越小，定位的結(jié)果就會越準(zhǔn)確。當(dāng)余數(shù)為 0 時，定位的結(jié)果就是實際位置。 關(guān)鍵詞 ： 室內(nèi)定位技術(shù) 最近點搜索法 真 of to as of PS a of PS of to is of so it of of in a of to is to a of of to ap to ap of as to ap is 00 * 100, 5 AP in of 0, of of be of of by in of be is of is 目錄 第一章 緒論 .......................................................... 1 內(nèi)定位研究背景 .................................................. 1 內(nèi)定位研究的意義 ................................................ 1 究發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................................... 2 文的主要工作 .................................................... 4 第二章 定位相關(guān)理論 ................................................. 5 內(nèi)定位技術(shù)簡介 .................................................. 5 內(nèi)定位主要技術(shù) ............................................... 5 響室內(nèi)定位因素 ............................................... 6 信技術(shù)原理 .................................................. 7 術(shù)概述 ................................................... 7 絡(luò)拓?fù)? ................................................... 8 基本服務(wù) ................................................ 10 內(nèi)信號傳播模型 ................................................. 11 介 ...................................................... 11 第三章 最近點搜索法定位法 ......................................... 13 內(nèi)定位常用算法 ................................................. 13 于參考點的定位 .............................................. 13 離無關(guān)的定位 ................................................ 15 近點搜索法 ..................................................... 17 近點搜索法流程 .............................................. 17 近點搜索法工作原 理 .......................................... 18 第四章 最近點搜索法的設(shè)計與實現(xiàn) .................................. 19 計流程 ......................................................... 19 程序 ........................................................ 19 序 ................................................... 20 序 ..................................................... 20 序 .................................................... 21 最近點搜索法的仿真 .................................... 22 真定位場景 ........................................... 22 差分析 ...................................................... 22 長與誤差的關(guān)系 .............................................. 24 第五章 總結(jié)與展望 .................................................. 29 結(jié) ............................................................. 29 望 ............................................................. 29 參考文獻(xiàn) ............................................................. 30 致謝 ................................................................. 33 附錄 ................................................................. 34 1 第一章 緒論 內(nèi)定位研究背景 隨著當(dāng)前移動通信技術(shù)的發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，對于基于定位的服務(wù)(的需求也日益迅速增加，例如，出行路線導(dǎo)航和實時位置跟蹤：商場購物車定位和顧客 消費(fèi)習(xí)慣收集；醫(yī)院重病人跟蹤監(jiān)護(hù)和產(chǎn)房嬰兒防盜等。因此，基于定位的計算和服務(wù) 在入們的日程生活中發(fā)揮的作用越來越重要。 無線定位系統(tǒng)根據(jù)定位的環(huán)境分為室外定位和室內(nèi)定位。對于室外定位，目前主要 有全球定位系統(tǒng) (1及蜂窩網(wǎng)無線定位系統(tǒng) [1]。 要是利用衛(wèi)星導(dǎo)航根據(jù)已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的距離采用三邊測量法來確 定接收機(jī)的具體位置， 最高精度可達(dá) 5m。但是，這種定位方式需要在相對空曠及高層建筑稀少的地方才能保證定位的精確性，室內(nèi)用戶無法使用而且耗電量很高，尤其是 受機(jī)在建筑物之內(nèi)或者樓群密集區(qū)域的時候，由于建筑物對信號強(qiáng)度極大削減，導(dǎo)致定位精度很低甚至無法完成定位。雖然目前存在一種能夠運(yùn)用于室內(nèi)定位的 A— 位技術(shù)，但是利用 A— 定位需要增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇螖?shù)，這對通信運(yùn)營商來說無疑增加了額外的成本。在蜂窩網(wǎng)無線定位中，比較常用的是基于移動臺的定位系統(tǒng)，它的定位原理與 似。由于建筑物對信號的極大衰減，室外定位技術(shù)是無法實現(xiàn)對于室內(nèi)目標(biāo)的定位和跟蹤。當(dāng)前，室內(nèi)定位技術(shù)主要有光跟蹤定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)以及 術(shù)等，其中基于 定位 技術(shù)是當(dāng)前人們關(guān)注和研究的熱點。 02． 1l 發(fā)展至今已日趨完善，隨著 應(yīng)用普及，基于 泛分稚于學(xué)校、工廠、辦公環(huán)境和公共娛樂場所等，智能手機(jī)、筆記本、內(nèi)置了無線網(wǎng)卡的手持設(shè)備也都可以接收附近的 號。因此，通過 術(shù)覆蓋范圍廣泛，易于安裝，傳輸速度快并且成本較低。 鑒于 術(shù)的上述優(yōu)點，基于 定位在無線定位領(lǐng)域中引起了廣泛重視，也成為 了學(xué)術(shù)界研究的熱點。 內(nèi)定位研究的意義 在無線通訊中，用戶的位置信息是極其重要的，尤其是在繁華的市區(qū)以及高層建筑之內(nèi)，用戶大部分時間都是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行工作學(xué)習(xí)、日程生活等。所以對于室內(nèi)定 位的需求和重要性都在日益倍增。除了對人員的定位外，實現(xiàn)對設(shè)備以及商品的位置信 息追蹤也會帶來更多的便利和商業(yè)價值。例如，對兒童出行進(jìn)行安全定位監(jiān)控，醫(yī)院中 對便攜設(shè)備進(jìn)行實時定位以及工廠里面對自動化機(jī)器的位置跟蹤和操作等，所以能實現(xiàn) 低成本且高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)是極具現(xiàn)實意義的。 2 而目前逐漸普及的 術(shù)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛、傳輸不易受非視距誤 差 多徑衰落因素影響等優(yōu)點，基于 定位具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。這種定位可以利用位置 指紋信息識別通過 絡(luò)中可以隨意獲得的接入點 移動終端進(jìn)行定位，避免了對無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的依賴，同時也彌補(bǔ)了 位在建筑密集以及室內(nèi)應(yīng)用的限制，提高定位精度，降低配置成本，提高了設(shè)備的利用率，對實現(xiàn)低成本且高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)具有重要的意義。 究發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，全球定位服務(wù)的發(fā)展主要集中在歐美和亞太兩大市場，早在上個世紀(jì) 60年代，就出現(xiàn)了自動定位系統(tǒng)，但是該技術(shù)的應(yīng)用很有限。 80 年代后， 蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)的 出現(xiàn)迎來了無線定位技術(shù)新的時代。 1996 年美國 布 全條款 [3]， 該條款明確 指出通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須提供定位服務(wù)，之后，其他國家和地區(qū)也做了類似的規(guī)定，例如歐洲國家和日韓兩國。日本運(yùn)營商在 2000 年就開始推出移動基于定位的服務(wù) (并且 內(nèi)容非常豐富。之后韓國也通過成立相關(guān)定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會促進(jìn)韓國市場的 定位服務(wù)迅速發(fā)展，主要的 營商包括。 2006 年之后，隨著 策的系統(tǒng)設(shè)備更新逐步完成，北美通信運(yùn)營商也開始積極推廣 用。 由于技術(shù)更新以 及推動策略等因素，相對于亞太和北美，歐洲定位服務(wù)的發(fā)展相對落后。 就定位技術(shù)的發(fā)展而言， 術(shù)是定位技術(shù)發(fā)展的一大里程碑。它是起步最早也是 發(fā)展最成熟的無線定位技術(shù)?，F(xiàn)在大部分航海和飛行以及車載定位都離不開且它 也在向其他領(lǐng)域延伸。 術(shù)是從早期的美國軍用導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展起來的，定位原理是利用三邊測量的方法，用三個位置已知的衛(wèi)星確定接收機(jī)的位置。因為在估測 接收機(jī) 的距離時是采用時間度量非常準(zhǔn)確的原子鐘來計算射頻信號傳輸時間，所以 位能夠擁有非常高的精度。另外，伴 隨著無線蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展，由于蜂窩網(wǎng)無線移動 用戶的劇增，使得對移動用戶的定位需求越來越迫切，基于蜂窩網(wǎng)的各種定位技術(shù)也逐 漸提出并迅速發(fā)展。定位的方法主要有以基于到達(dá)時間 (方法、基于到達(dá)時問差 (方法 )基于到角度的方法(及混合定位 方法等，定位精度大概在 150m 左右。 上個世紀(jì) 90 年代末，越來越多的研究工作者開始從事無線定位技術(shù)的研究，為此成 立了專門的組織和聯(lián)盟并掀起了對無線定位研究的熱潮，包括更多的無線定位技術(shù)發(fā)明專利的出現(xiàn)、國外大型通信公司對定位的研究開發(fā)和性能測試評估以及各大科研院校從事定位理論和方法的研究。 相比以 術(shù)和蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)為主的室外定位技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展起步比較晚，而且室內(nèi)環(huán)境的諸多因素使得室內(nèi)無線定位面臨著很多技術(shù)難題。當(dāng)3 前室內(nèi)的定位技術(shù)主要有紅外線定位技術(shù)超聲波定位技術(shù)、 頻識別定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)、 術(shù)和 位技術(shù)等 [4]。 對于國外的基于 定位研究，早在 2000 年， 微軟公司就開發(fā)了一套基于指紋定位的試驗系統(tǒng)，這套系統(tǒng)通過離線階段對指紋數(shù)據(jù)庫的建立實現(xiàn)在線階段的定位匹配，使用的方法也主要是最近鄰法以及 K 近鄰法。另外， 司也曾開發(fā)了一套基于 絡(luò)的實時定位系統(tǒng)，能夠在所有支持 無線網(wǎng)絡(luò)上對目標(biāo)進(jìn)行定位，精度能夠具體到房問號、樓層數(shù)。該實時定位系統(tǒng)主要通過保存在數(shù)據(jù)庫中某些特定位置的信號強(qiáng)度對比當(dāng)前移動終端收到的信號強(qiáng)度，并以條件概率作為參考來確定移動終端的位置。同時能夠保存冗余定位信息到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)移動終端位于真實環(huán)境進(jìn)行定位的時候，定位服務(wù)器 把環(huán)境內(nèi)的障礙物等因素考慮進(jìn)去之后，再結(jié)合之前建立的指紋數(shù)據(jù)庫中的信息估算出移動終端的定位位置，同時利用數(shù)據(jù)庫中冗余信息實現(xiàn)對移動終端定位位置的修正從而得到比較精確的定位結(jié)果。 基于 號的定位可以用于車載定位系統(tǒng)當(dāng)中，文獻(xiàn) [5]就對一種基于 能夠?qū)崿F(xiàn)對指紋數(shù)據(jù)庫的實時更新，來保證定位的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)今，隨著智能手機(jī)平板電腦等支持 能的移動終端的推出，基于這些終端的 位系統(tǒng)的研究也成為了定位的熱點，文獻(xiàn) [6]設(shè)計了一種基于安卓智能手機(jī)的定位系統(tǒng) ，離線階段選取幾個信號較強(qiáng)的 行指紋數(shù)據(jù)的采樣后，在線定位階段時可以選用貝葉斯概率算法或者 K 近鄰算法對安卓手機(jī)用戶進(jìn)行定位。 從國內(nèi)來看， 絡(luò)建設(shè)起步比較晚，但是最近幾年發(fā)展迅速。上海市計劃在 2010 年前建立起覆蓋全市的高速無線網(wǎng)絡(luò)：北京市預(yù)計在 2011 年底以前完成五環(huán)以內(nèi)的城區(qū)普及無線寬帶高速上網(wǎng)：其他許多城市也相繼開始大規(guī)模建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)。個人位置服務(wù)的發(fā)展在法律層面，還牽涉到用戶隱私的保護(hù)問題。我國法律在《民法》中確定了了對公民名譽(yù)權(quán)的保護(hù)，但對于用戶位置的隱私性質(zhì)沒有詳細(xì)的闡述或明確 規(guī)定。這一立法上的相對滯后，可能影響 業(yè)的發(fā)展。如何促進(jìn)用戶認(rèn)識各種深入的增值應(yīng)用服務(wù)，并形成有效需求和使用習(xí)慣，成為 場的關(guān)鍵。 目前我國的 屬于相對匾乏的階段。但國內(nèi)己有一些公司開發(fā)出可以能夠基于 術(shù)的實時定位解決方案。 2009 年， 司宣布將其開發(fā)的 時定位系統(tǒng)正式應(yīng)用于北京地壇醫(yī)院。該定位系統(tǒng)主要用于醫(yī)院追蹤資產(chǎn)、設(shè)備和病人，及時了解和掌握關(guān)鍵工作人員、資產(chǎn)和醫(yī)療設(shè)備的實時位置信息等，這套系統(tǒng)的應(yīng)用減少了醫(yī)療保健的成本、提高工作效率和改善了工作流程。 4 文的主要工作 本論文的主要工作包括： 第一章介紹了室內(nèi)定位的研究背景、意義和發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章介紹了室內(nèi)定位的相關(guān)理論知識，包括室內(nèi)定位的主要技術(shù)， 信技術(shù)原理及室內(nèi)信號的傳播模型，還有對 簡單介紹。 第三章介紹了室內(nèi)定位常用的幾種算法和本設(shè)計用到的最近點搜索法。 第四章介紹了最近點搜索法的設(shè)計與實現(xiàn)，包括設(shè)計思想和通過 其進(jìn)行的仿真。 第五章介紹了做本次設(shè)計的一些總結(jié)，還有對最近點搜索法定位的一些展望。 5 第二章 定位相關(guān)理論 室內(nèi)定位技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，精確的室內(nèi)定位已成為商業(yè)、公共安全和軍事等應(yīng)用的迫切要求。本章首先介紹室內(nèi)定位技術(shù)和 術(shù)原理，然后著重介紹室內(nèi)定位用到的主要方法。 內(nèi)定位技術(shù)簡介 內(nèi)定位主要技術(shù) 室內(nèi)定位技術(shù)是找到一個接受信號的終端在某一個時間點位于一個坐標(biāo)系的其中一個位置。在存在各種因素的室內(nèi)環(huán)境中，如停車場，超市，圖書館，倉庫，飛機(jī)場大廳、等環(huán)境中，因此，許多有關(guān)專業(yè)的高端學(xué)者找到了多種在室內(nèi)進(jìn)行定位的技術(shù)方法。如下圖 示，有超寬帶技術(shù)、 術(shù)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、超聲波技術(shù)、射頻識別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、光跟蹤技術(shù)，以及信標(biāo)定位、圖像分析、計算機(jī)視覺定位技術(shù)等等。我們可以將這些室內(nèi)定位技術(shù)大體分為幾種類型，即 術(shù)，無線定位技術(shù)，其他定位技術(shù)，以及 無線定位兩種定位技術(shù)組合的定位技術(shù) ( 4]。 算機(jī)視覺 紅外線 射頻識別 超聲波 牙 寬帶 光跟蹤 室內(nèi)定位技術(shù) 圖 內(nèi)定位技術(shù) 6 響室內(nèi)定位因素 在無線定位網(wǎng)絡(luò)中，為了提高定位精度，我們除了研究提高定位準(zhǔn)確度的方法算法外，還需要對影響定位精度的誤差進(jìn)行研究，尋找對策以最大程度地消除誤差。由于現(xiàn)實中的無線傳輸并不是理想狀態(tài)下的，終端與 間會存在非視距傳播。在無線傳輸中，多徑干擾的問題也是無法避免的，另外還有一些設(shè)備人為上的因素等等。以上各種因素都會影響到信號的傳播，從而最終影響定位準(zhǔn)確度。采取適當(dāng)措施降低或者消除這些因素，是提高定位精度的關(guān)鍵。定位誤差的來源主要包括： (1) 多徑傳播。 多徑傳播是指無線電波沿著兩個或多個不同的路徑到達(dá)另一個天線的傳播現(xiàn)象。利用 位技術(shù)來進(jìn)行定位時，即使在 間電波可以距 )傳播，多徑傳播也會對時間的測量產(chǎn)生影響 [17]。 (2)非視距傳播問題。 of 播是信號在發(fā)射端與接收端之間傳播過程中，被障礙物 阻擋，而導(dǎo)致不能在接收端與發(fā)射端之間直接進(jìn)行信號傳播。而是經(jīng)過反射、折射及衍 射傳播。所以利用接收端接收到的信號強(qiáng)度計算出的發(fā)射端與接收端之 間的距離會遠(yuǎn)大于視距傳播直接距離 [18]。 ①反射 當(dāng)傳播中電磁波遇到一個大小遠(yuǎn)大于本身波長的平坦物體時，會有反射現(xiàn)象發(fā)生。 通常發(fā)生在地面、大型建筑物和墻壁。反射物體通常會吸收部分發(fā)射信號一部分的能量，這樣就導(dǎo)致到達(dá)接收端的信號變?nèi)酢? ②衍射 繞射發(fā)生在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播過程中被遠(yuǎn)大于本身波長的障礙物阻擋時， 在障礙物頂端二次波成分能夠經(jīng)過障礙物到達(dá)接收端。所以繞射是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直接路徑時，電磁波的傳播現(xiàn)象。其中障礙物大小與到達(dá)接收端的二次波能量成反比。當(dāng)傳播路徑被不可穿透的障礙 物遮蔽時，衍射可以到達(dá)接收端。 ③散射 當(dāng)電磁波遇到障礙物的大小與傳播的電磁波波長差不多或小于波長時，對于電磁波 來說障礙物如同多面的反射體，使得電磁波的能量散射到各個方向，會產(chǎn)生散射現(xiàn)象。 散射一般發(fā)生在有粗糙表面的障礙物上。 在實際的傳播環(huán)境中，如果是 播，則可以對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確地定位。但是在現(xiàn)實的實際傳播環(huán)境中，在發(fā)送端和接受端之間實現(xiàn) 播通常是不可能的。因此，降低 傳播路徑的影響并提高目標(biāo)定位精度，是現(xiàn)在無線定位技術(shù)研究的關(guān)鍵。目前，降低 播的影響通常采用以下幾種方法： 1)利用測距誤差統(tǒng)計將 量 值調(diào)節(jié)到接近 測量值，因為 i， 0S 傳播的測距標(biāo)準(zhǔn)差要比7 播的低得多： 2) 根據(jù) 播條件 K 實際距離總是小于距離測量值這一特點，在非線性最 4,測量算法進(jìn)行改進(jìn)，從而提高定位精度； 3)最后一種方法是降低非線性最小二乘算法中 量值的權(quán)重來降低 (3)頻率干擾以及室內(nèi)障礙物材質(zhì)。 室內(nèi)環(huán)境由于存在各種使用不同信號頻率的設(shè)備，例如藍(lán)牙設(shè)備、 備、備等，這些設(shè)備之間會 存在一定的頻率干擾進(jìn)而會影響各自的信號傳輸穩(wěn)定性，使用這些信號頻率的定位裝置就也會受到其他設(shè)備頻率的干擾而影響定位的精度。 另外，當(dāng)發(fā)射端和接收端設(shè)置在不同房間內(nèi)時，會因障礙物材質(zhì)的不同例如不同材質(zhì)的墻以及玻璃等而影響信號的傳播。因為不同障礙物的材質(zhì)有不同的衰減系數(shù)，而這些衰減系數(shù)導(dǎo)致信號強(qiáng)度的衰減程度也不同。尤其在室內(nèi)環(huán)境下的厚木板、水泥墻都會引起信號強(qiáng)度大幅度的衰減，這樣直接造成接收端的信號強(qiáng)度不穩(wěn)定。 2.2 信技術(shù)原理 線保真 [19— 20]，在無線局域網(wǎng)內(nèi)是指“無線相容 性認(rèn)證”，是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。由 盟 (持有。目的是使基于02． 11 標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性 (兼職性 )變得更好。其中 02． 1l 是無線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入。從 1997 年 1l 標(biāo)準(zhǔn)開始實施以后，先后有 802． 1 02． 1 802． 119 等標(biāo)準(zhǔn)制定或者在構(gòu)思，但是 是面對漫游不方便、網(wǎng)管 不強(qiáng)大、系統(tǒng)不安全和沒有殺手級的應(yīng)用等多種問題。為了使 務(wù)能夠具有高質(zhì)量，并且可以達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，所以 802． 1運(yùn)而生。 表 出 802． 1l 幾個 重要協(xié)議的通信參數(shù)。 802． 11． a：高速 議， 802． 1準(zhǔn)工作在 5— 帶，物理層速率最高可達(dá) 54輸層速率最高可達(dá)25提供 25無線 口和 以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及 空中接口；支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)；一個扇區(qū)可接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。 802． 11． b： 802． 1無線局域網(wǎng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。其載波的頻率為 2． 4送速度為 l 102． 11b 是所有無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中最著名，也是普及最廣的標(biāo)準(zhǔn)。在 2． 4段共有 14 個頻寬為 22頻道可供使用。 02． 1后繼標(biāo)準(zhǔn)是 02． 1 傳送速度為 54 8 協(xié)議 發(fā)布日期 標(biāo)準(zhǔn)頻寬 最大速度 室內(nèi)最大速度 室外最大速度 997 年 s / / 999 年 54s 約 30 米 / 999 年 1s 約 30 米 約 100 米 003 年 4s 約 30 米 約 100 米 006 年 540s 約 50 米 約 125 米 802． 11：在這個版本，介質(zhì)訪問接入控制層 ( )和物理層被定義。2． 4段上的兩種無線調(diào)頻方式和紅外線傳輸方式在物理層被定義了，傳輸速率為 2～ s。設(shè)備問通信可采用直接方式、基站和訪問點的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。 除了以上幾個重要的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)外， 802． 11． 目前主流廠商正在開發(fā)的協(xié)議版本，它使用 5 6段，并采用更寬的基帶 (最高擴(kuò)展 160更多的及高密度的調(diào)制解調(diào) (256 理論上 802． 11以為多個站點服務(wù)提供 1帶寬，或是為單一連接提供 500傳輸帶寬。 絡(luò)拓?fù)? 絡(luò)的基本單元組成結(jié)構(gòu)如下圖 示，主要包括了接入點 (P)、站點 (無線傳輸介質(zhì) ( )以及終端服務(wù)器( (1)點 點是 絡(luò)的基本組成單元，與有線網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)， V／ 線網(wǎng)絡(luò)中通常作為客戶端使用，其具各 線網(wǎng)絡(luò)的接口，一般稱為網(wǎng)絡(luò)接 點可固定也可移動，其支持鑒權(quán) 、數(shù)據(jù)加密、取消鑒權(quán)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?絡(luò)中可以包含多個站點，其覆蓋范圍內(nèi)的所有 點均可相互通信。 (2)入點 表 議族 9 接入點類似無線蜂窩網(wǎng)中的基站 (是 絡(luò)的重要組成部分， 當(dāng)于一個連接有線網(wǎng)和無線網(wǎng)的橋梁，其主要作用是將各個無線網(wǎng)絡(luò)客戶端連接到一起，然后將無線網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)。 要分為單純型 擴(kuò)展型 者缺少了路由功能，相當(dāng)于無線交換機(jī)，僅僅是提供一個無線信號發(fā)射的功能。而后者通常指無線路由器，通過路由功能，可以實現(xiàn)與 絡(luò)連接共享，也能實現(xiàn)帶的無線共享接入。 (3)無線傳輸介質(zhì) 無線傳輸介質(zhì)是 寬帶服務(wù)器的連接媒介。通常， ^P 與 輸介質(zhì)就是空氣，而 ^P 與寬帶服務(wù)器之間既有無線傳輸也有以電話線職絞線等作為傳輸介質(zhì)的有線傳輸。 (4)終端服務(wù)器 根據(jù)需要，我們需要將 終端服務(wù)器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。終端服務(wù)器大體有兩類．一類是以太網(wǎng)寬帶服務(wù)器，通過 口實現(xiàn)因特網(wǎng)資源的獲取。另一種則是局域網(wǎng)服務(wù)器，此類服務(wù)器往往是用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)送的服務(wù)終端。 根據(jù)組網(wǎng)的元素的成分， 信網(wǎng)絡(luò)分為 絡(luò)、 絡(luò)以及 絡(luò) [19] (1)絡(luò) 絡(luò)是一個獨立的 上圖 示。這種網(wǎng)絡(luò)的另一種叫法為對等結(jié)構(gòu)網(wǎng)， 絡(luò)中所有無線節(jié)點地位都一樣，不需要其他別的控制節(jié)點。這種網(wǎng)絡(luò)的工作站互相不需要太多步驟，可以直接互相訪問。但是兩者之間的距離不能太遠(yuǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點需要具有普通移動終端的功能和具有報文的轉(zhuǎn)發(fā)能力。這種網(wǎng)絡(luò)具有地位等同、動態(tài)結(jié)構(gòu)、靈活性好、和高可靠性等多種優(yōu)點。 絡(luò)結(jié)構(gòu) 10 (2)絡(luò) 與獨立基本服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)不同的 求有一個接入點作為連接中心，所有的 網(wǎng)絡(luò)的訪問都是被接入點 ^P 控制。接入點所能管轄的范圍內(nèi)，所有連接到該接入點的 成一個基本服務(wù)集 本服務(wù)集 中的數(shù)據(jù)再進(jìn)行傳輸?shù)臅r候，只有通過接入點才能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。使用接入點的 址作為網(wǎng)絡(luò)的作站想要獲得網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)首先要做的就是和接入點取得聯(lián)系，同時需要注意的是工作站與接入點只能同時一對一連接。 (3)絡(luò) 為了實現(xiàn)工作站跨越自己所屬的基本服務(wù)集的范圍進(jìn)行與其他基本服務(wù)集之間的通訊， 02 1準(zhǔn)對擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了規(guī)定。擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)利用分布式系統(tǒng) (基本服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)都互相連接到一起，同一個擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)中的接入點需要用一樣地標(biāo)志和服務(wù)，并且通過分發(fā)服務(wù)進(jìn)行合作。基本服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的最小單元，和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)單元差不多，每個基本服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)中接入點在進(jìn)行互相連接的時候都是用的有線連接。 基本服務(wù) 從 準(zhǔn)開始，體系結(jié)構(gòu)允許分布式系統(tǒng)可以使用不同的技術(shù)來構(gòu)建分布式系統(tǒng)，不限制分布式系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)鏈路層還是基于網(wǎng)絡(luò)層，也不限制分布式系統(tǒng)是集中式的還是分布式的。而是詳細(xì)說明了所包含的服務(wù)內(nèi)容，大體上這些服務(wù)可以 被分為兩類：站點服務(wù)和分布式系統(tǒng)服務(wù)。站點服務(wù)服務(wù)包括認(rèn)證、解除認(rèn)證、加密；分布式系統(tǒng)服務(wù)包括關(guān)聯(lián)、分離、分發(fā)和整合 (1)站點服務(wù) 認(rèn)證服務(wù)是 02 1l 提供訪問控制的手段．能夠被所有工作站用來確定與其通信的站點的身份，任何一個站點要想發(fā)送數(shù)據(jù)需要先去證明自己的身份，在認(rèn)證機(jī)制中，不是去強(qiáng)制使用一些特定的認(rèn)證方案，而是擴(kuò)展某些受支持的方案。1 提供鏈路級認(rèn)證，但是不提供用戶之間的認(rèn)證。認(rèn)證是關(guān)聯(lián)的必要前提，用戶只有在被認(rèn)證了才能夠接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)與 行連接時 ，一般需要通過好多次的認(rèn)證才行。 與認(rèn)證服務(wù)相反，結(jié)束認(rèn)證服務(wù)是為了結(jié)束一組身份認(rèn)證關(guān)系，這個過程無需請求，因為關(guān)聯(lián)的前提是認(rèn)證，所以也不應(yīng)該被任意一方隨意的拒絕，所以說一旦認(rèn)證解除，工作站之間的關(guān)聯(lián)也會自動解除。 加密服務(wù)是為了給有線局域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的安全來提供服務(wù)的，一般由有線等效加密協(xié)議 (供。加密服務(wù)不會隨便使用，只有一些重要的才會使用，一般只對數(shù)據(jù)幀和某些鑒權(quán)管理幀這種的去添加加密服務(wù)。 11 (2)分布式系統(tǒng)服務(wù) 關(guān)聯(lián)服務(wù)是用來建立接入點與工作之間映射關(guān)系的過程，這種映射關(guān)系被分布式系統(tǒng)用來 完成信息的分發(fā)服務(wù)。一般地，當(dāng)工作站進(jìn)入一個接入點信號覆蓋范圍內(nèi)，這種服務(wù)就要被用到。關(guān)聯(lián)過程的初始化工作始終是由移動的工作站來完成，并不是接入點本身，一個接入點可以在同一時刻與多個工作站建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。 解除關(guān)聯(lián)服務(wù)是用來從網(wǎng)絡(luò)中移除不需要的工作站用以結(jié)束現(xiàn)有關(guān)聯(lián)關(guān)系，一個工作站在離開關(guān)閉之前需要終止當(dāng)前關(guān)聯(lián)則必須使用這項服務(wù)。接觸關(guān)聯(lián)的服務(wù)可以由相互關(guān)聯(lián)的任何一方調(diào)用，而且不能夠被關(guān)聯(lián)的另一方拒絕。 分發(fā)服務(wù)是工作站經(jīng)常使用的主要服務(wù)，當(dāng)分布式系統(tǒng)要發(fā)送消息數(shù)據(jù)幀時，對于正在運(yùn)行的所有擴(kuò)展基本服務(wù)集中運(yùn)行的工作站，無論是從該工作站發(fā)送數(shù)據(jù)是向工作站輸送數(shù)據(jù)都要調(diào)用分發(fā)服務(wù)，這項服務(wù)通過路由那些發(fā)送給其他工作站的幀，決定是向本地服務(wù)集發(fā)送還是通過有線網(wǎng)絡(luò)向其他服務(wù)集的工作站轉(zhuǎn)發(fā)。 整合服務(wù)主要是用來和一個非 802． 11 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊時要用到的，通過這項服務(wù)可以將 02． 1l 格式的數(shù)據(jù)幀翻譯成目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)要求的幀格式，這項服務(wù)由分布式系統(tǒng)來提供，功能也會因不同的分布式系統(tǒng)而異。 內(nèi) 信號傳播模型 理論上，無線信號在無障礙物和干擾的自由空間內(nèi)，信號強(qiáng)度的衰減可以用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示： 其中，只是發(fā)送端的發(fā)送功率， Pr(d)是接收端的接收功率， 發(fā)射端天線增益， q 是接收端天線增益，九是傳輸波的波長， d 是發(fā)射端與接收端的距離， B 是系統(tǒng)損耗系數(shù)，除了 d 之外，其他參數(shù)都是可以通過測量得到或者提前已知。所以說根據(jù)發(fā)送端與接受端的信號功率就可以估計出兩者之間的距離，并以此距離為半徑以己知位置的發(fā)送端為圓心畫圓。根據(jù)三圓相交與一點的原理，用三組這樣的距離即可估算出接收端的位置。但是，在現(xiàn)實環(huán)境中，由于各種小尺度衰減、信號干擾等影響因素的存在使得接受功率要小于只，所以說估計距離 d 便會有偏差從而影響定位的精度。因此針對室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，又提出了對數(shù)損耗模型、衰減因子模型以及型等。 2.4 介 本設(shè)計最后是通過 真來實現(xiàn)的，好多函數(shù)和圖都是 可以用完成，最后直觀的顯示出來。矩陣和數(shù)組是 核心，因為22() ( 4 )t t ??（公式 2 12 所有的的數(shù)據(jù)都使用數(shù)組表示和存儲的。除了常用的矩陣代數(shù)運(yùn)算之外，提供了多種數(shù)組運(yùn)算功能應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)集合進(jìn)行處理。雖然面向矩陣的編程語言，但它也具有其他計算機(jī)編程語言所具有的編程特性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時， 提供了各種圖形用戶接口工具。以方便用戶進(jìn)行各種應(yīng)用程序開發(fā)。總之一句話， 數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程特性和圖形用戶接口工具集成在一起，成為解決各類問題的強(qiáng)大的工具。 13 第三章 最近點搜索法定位法 內(nèi)定位常用算法 室內(nèi)定位方法主要分為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位，前者主要通過利用已知點的位置信息，采用一定的方法對目標(biāo)進(jìn)行定位，這種定位依賴點對點的距離估計或者角度估計。而后者是不依賴于目標(biāo)與已知點的距離信息。下面對這兩類方法進(jìn)行介紹。 于參考點的定位 基于參考點的定位方法大體分為時間到達(dá)的方法 (27]、時間到達(dá)差的方法 (28角度到達(dá)的方法 (31]、混合定位方法 (32]以及基于信號強(qiáng)度的方法 (33— 35]。這一類方法需要通過將測量的信號轉(zhuǎn)換成距離或者角度來對移動終端進(jìn)行定位。 位法 基于到達(dá)時間的方法是根據(jù)移動終端到達(dá)三個不同的基站所用的不同時間，由于無線電波傳輸?shù)乃俣仁?C，因此移動終端與第 f 個基站的距離為 分別是向第 i 個基站發(fā)送信號時發(fā)送的時刻和到達(dá)的時刻。一般情況下，基站的個數(shù)至少為 3，這樣移動終端的坐標(biāo)就可以根據(jù)三個圓的交點來估計出，如圖 于到達(dá)時間的定位要求時問的準(zhǔn)確，以及發(fā)送端與接受端時間的嚴(yán)格同步。否則，即使是 l μ s 的時間誤差也會帶來將近 300m 的定位誤差。 位方法 S3 r2 法 ()i is t t C?? （公式 3 14 基于到達(dá)時間差的方法是根據(jù)信號到達(dá)兩個基于的 時問差來對目標(biāo)位置進(jìn)行估計 ,如下面表達(dá)式所示： 在上式中，由于移動終端的時鐘始終保持同步的，所以和，是相等的。 過計算到達(dá)時間差計算距離之差，降低了對發(fā)射端接收端同步的要求。當(dāng)基站的數(shù)目在三個以上時，就可以通過求雙曲線的交點坐標(biāo)來獲得移動終端的位置。 位方法 基于到達(dá)角度的方法通過基站上的天線陣列來測量出移動終端到達(dá)基站的信號入射角度，并得到一條連接基站與移動終端的直線，通過多個不同基站對同一移動終端的角度測量，就可以獲得多條直線，這些直線的交點就是移動終端的位置。但是這種方法必須保證安裝天線陣列，而天線陣列大都價格比較昂貴，無疑增加了定位的成本，另外一方面，這種方法受地形環(huán)境因素影響大尤其是在障礙物多的地區(qū)，不能達(dá)到很好的定位精度。 圖 法 ,1 1 1 1 1( ) ( ) ( )i i i s i r s r s i rr r r t t C t t C t t C? ? ? ? ? ? ? ?（公式 3 圖 法 15 合定位方法 實際上，上面每一種方法都有各自的優(yōu)點和局限性，有時候根據(jù)需要可以將幾種方法進(jìn)行結(jié)合來提高定位的精度，常見的就是 法和 法的組合以及法和 法的組合。尤其是當(dāng)移動終端離某一個基站特別近時，由于移動終端的功率控制系統(tǒng)，使得移動臺的發(fā)送功率減少，從而影響信號的信噪比使得測得的距離信息或者角度信息出現(xiàn)偏差，這個時候就必須需要另一種方法進(jìn)行協(xié)同定位。 位方法 無線信號的信號強(qiáng)度是隨著傳播距離的增加而減少的，發(fā)送端與接受端距離越近，接收端的信號強(qiáng)度就越強(qiáng)：發(fā)送端與接受 端距離越遠(yuǎn)，接收端的信號強(qiáng)度就越弱。所以我們可以根據(jù)發(fā)送端的信號強(qiáng)度、接受端的信號強(qiáng)度以及用到的信號衰減模型，可以估算出發(fā)送端與接收端之間的距離，由于要采用多個發(fā)送端向同一個接受端發(fā)送信號，因此可以得到多個距離，根據(jù)這些距離利用一定的算法就可以估算出出移動終端的位置?；谛盘枏?qiáng)度的定位方法原理比較簡單，而且不需要額外的硬件設(shè)備，降低了定位成本且易實現(xiàn)，所以是當(dāng)前室內(nèi)定位所采用的主要方法。但是由于影響無線信號強(qiáng)度眾多因素的存在，尤其是在室內(nèi)環(huán)境下，所以提高基于室內(nèi)定位的精度始終是當(dāng)前最主要的問題。 離無關(guān)的定位 在基于距離的定位中，發(fā)送端與接受端的距離信息是定位的前提因素，不管是方法還是 方法，都是先通過估測距離來對目標(biāo)進(jìn)行定位，而基于距離無關(guān)的定位是不需要知道兩者的距離信息的或者無需測量。在成本和功耗方面優(yōu)于距離相關(guān)的定位方法，下面簡單介紹幾種距離無關(guān)的定位算法 [35， 36]。 心算法 文獻(xiàn) [37]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)連通性的定位算法，在這種算法中，信標(biāo)節(jié)周期性地向鄰近的節(jié)點發(fā)送信標(biāo)分組，分組中一般包含發(fā)送信標(biāo)節(jié)點的位置信息，需要定位的目標(biāo)節(jié)點會接收來自很多不同的信標(biāo)節(jié)點發(fā)送的信標(biāo)分組，當(dāng)這些分組的數(shù)量超過一定的門限值或者在一定的時間之后，就會把這些信標(biāo)節(jié)點組成的多邊形的質(zhì)心作為未知節(jié)點的估計位置。這種算法能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是節(jié)點之問的網(wǎng)絡(luò)連通性，即每一個節(jié)點都能直接或者問接的向其它的任意一個節(jié)點發(fā)送信息。而且更重要的是，必須保證節(jié)點的數(shù)量和密度。 法 16 在 8]算法的理論 原理是，假如存在一個方向，目標(biāo)節(jié)點沿著這個方向移動的話就會遠(yuǎn)離由另三個節(jié)點組成的三角形，此時判定目標(biāo)節(jié)點在三角形之外，否則就會靠近這個三角形．判定目標(biāo)節(jié)點在三角形之內(nèi)。利用這個原理，從與這個未知節(jié)點能夠進(jìn)行通信的所有節(jié)點選擇三個，并判定在三角形之外或者之內(nèi)，然后再選擇另外三個節(jié)點進(jìn)行同樣的測試，已知到所有的組合都被測試完或者達(dá)到所需的精度。如果目標(biāo)節(jié)點在某三角形內(nèi)部，就稱作三角形包含未知節(jié)點：最后未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為目標(biāo)節(jié)點的估計位置。 法 法 [39]是 一種基于距離矢量計算跳數(shù)的算法，其基本思想是將目標(biāo)節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點之間的距離用網(wǎng)絡(luò)平均的每跳距離和兩者之間的跳數(shù)進(jìn)行乘積來計算，之后采用三邊定位就可以估算出目標(biāo)節(jié)點的位置。 算法一開始，先是讓每一個信標(biāo)節(jié)點向鄰近的節(jié)點發(fā)出一個包括自己位置信息以及跳數(shù)值為 0 的信息，周圍的節(jié)點獲得該消息后，就會記錄信標(biāo)節(jié)點的位置并更新跳數(shù)為 l，然后再向自己鄰近的其他節(jié)點進(jìn)行該信息的傳送。這個環(huán)節(jié)將會一直持續(xù)到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都獲得與之相鄰的信標(biāo)節(jié)點的位置以及跳數(shù)值。對于每跳的距離是通過計算信標(biāo)節(jié)點的位置以及相隔的跳數(shù)得到的平均距離，由于這個每跳距離是根據(jù)周期實時更新的，所以目標(biāo)節(jié)點僅 I 己錄接受到的第一個每跳距離值，并發(fā)送給它的相鄰的節(jié)點．這樣可以保證絕大多數(shù)的節(jié)點可以從最近的信標(biāo)節(jié)點接受每跳的距離，利用記錄的每跳距離來計算到信標(biāo)節(jié)點的距離，從而對目標(biāo)節(jié)點進(jìn)行定位。 這種算法可以利用大量冗余信息來提高定位的精準(zhǔn)度，且不需要額外的硬件支持，但是在更新每跳平均距離的環(huán)節(jié)中，節(jié)點的之間的通信量過大；如果網(wǎng)絡(luò)中的密度不均勻或者出現(xiàn)無法定位的某些節(jié)點則會影響平均定位誤差。所以此種算法依然要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量以及密度足夠大。 圖 法 17 近點搜索法 以上介紹了多種室內(nèi)定位算法，下面詳細(xì)介紹本設(shè)計用的室內(nèi)定位算法 近點搜索法是一種比較簡便，易于理解，定位比較準(zhǔn)確的算法。它的主體思想是通過對比信號損耗來實現(xiàn)定位。 首先 在定位的一片區(qū)域中會有幾個 ，它們會往外發(fā)射無線信號。接下來需要把這片區(qū)域按某個步長平均取 n 個樣點，這幾個 到每個樣點的信號損耗程度都會不一樣，要把所有的損耗都計算出來存入一個數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)在一個位置即實際位置搜索信號時就可以計算出這個位置到每個 的信號損耗， 然后通過方差與標(biāo)準(zhǔn)差的計算，對比找出與實際位置到 信號損耗最接近的樣點來。這個樣點即為定位的點。 近點搜索法流程 如圖 示，最近點搜索法流程大致如此，首先選一個區(qū)域，比如某個商場，在地圖上把這片區(qū)域按選取的一個步長定出若干個樣點，這片區(qū)域有多個 ，往外發(fā)射無線信號。計算出每個 到所有樣點的信號損耗，將這些數(shù)值輸入到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)自己身處這片區(qū)域時，打開無線接收器，比如手機(jī)，就可以算出自身位置到每個 的信號損耗程度，再把這個信息與數(shù)據(jù)庫中的樣點做對比，找到與實際位置信號損耗最接近的樣點，即為最近點搜索法所定位的點。 圖 近點搜索法流程 選定一片區(qū)域，里面包含若干 按一定步長選取若干樣點 計算出 到每個樣點的信號損耗 計算出實際位置到 的信號損耗 將以上數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫 樣點中最接近實際位置的點即為定位點 18 近點搜索法工作原理 在計算 到每個樣點的信號損耗時，用到的是常用對數(shù)路徑損耗公式，信號強(qiáng)度，因為運(yùn)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信號匹配時，需要信號強(qiáng)度相減，由于 射功率相同，所以可以直接用信號損耗相減。在計算實際位置到 的信號損耗時，首先通過坐標(biāo)來計算出實際位置到 的距離，然后通過幾個矩陣運(yùn)算運(yùn)算出相關(guān)數(shù)值，最后還要分當(dāng)兩者距離大于某個值時 用一種運(yùn)算方法，相反，兩者距離小于某個值時要用另一種方法來運(yùn)算。 其中還主要運(yùn)用的一種運(yùn)算是方差和標(biāo)準(zhǔn)差，在每次計算出信號損耗程度后，需要用方差和標(biāo)準(zhǔn)差來找到誤差最小的那個點。 下面具體分析一下在本算法中用到的公式。 首先需要一個求兩點間距離的公式 √ 在公式 4 d 表示 樣點到 的距離， x