基于無(wú)線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位研究開(kāi)題報(bào)告

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告</p><p>　　課題名稱(chēng)：基于無(wú)線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位研究</p><p><b>　　1技術(shù)背景</b></p><p>　　隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信和普及計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大和深入，位置感知計(jì)算(Location-aware Computing)、基于位置的服務(wù)(LBS，Location-

2、based Services)越來(lái)越重要，典型的例子有資源查找、旅游導(dǎo)航、礦井下定位、社交定位，尋人尋物等。如何確定用戶(hù)的位置是實(shí)現(xiàn)LBS的核心問(wèn)題。目前，影響最大、定位覆蓋范圍最廣的定位系統(tǒng)是GPS全球定位系統(tǒng)。GPS是70年代初美國(guó)出于軍事目的開(kāi)發(fā)的一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并于80年代初投入使用。地面接收設(shè)備通過(guò)接收和測(cè)量來(lái)自四個(gè)或四個(gè)以上衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來(lái)估計(jì)移動(dòng)終端的位置。在移動(dòng)終端內(nèi)置GPS模塊可在室外大部分場(chǎng)合下實(shí)現(xiàn)精度較

3、高的定位，特別是從2000年5月1日0時(shí)美國(guó)宣布中止選擇性可靠度(Selective Availability)政策以后，GPS也能被用于民用，精度可達(dá)到15m以?xún)?nèi)。相較于GPS，我國(guó)也在2003年投入了大量資金開(kāi)始建造北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。</p><p>　　在實(shí)際環(huán)境里，GPS定位系統(tǒng)的覆蓋范圍仍然存在一定的局限性。由于GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電訊號(hào)太微弱，以至于無(wú)法穿透絕大部分的建筑物或是稠密的植被，因此導(dǎo)致所謂

4、的“都市峽谷”(Urban Canyon)效應(yīng)。在高樓林立的都市，樓宇等建筑物阻隔了衛(wèi)星信號(hào)的傳播或者將它們分散開(kāi)去，造成GPS系統(tǒng)無(wú)法定位。GPS雖然在室外能有效地定位，但幾乎不能覆蓋到人們經(jīng)常工作和活動(dòng)的室內(nèi)。因此，GPS除了在交通工具的導(dǎo)航上的應(yīng)用占有優(yōu)勢(shì)以外，尚很少被應(yīng)用在其他領(lǐng)域。另外，一般環(huán)境里，用戶(hù)更青睞輕便的移動(dòng)設(shè)備。如果將GPS作為普通的定位工具，用戶(hù)需要在其攜帶的設(shè)備上加裝GPS接收模塊，會(huì)增加移動(dòng)設(shè)備的體積、成本以

5、及對(duì)有限電量的消耗。</p><p>　　從20世紀(jì)90年代末期起，許多高校和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了室內(nèi)定位技術(shù)的研究，具有代表性的有AT&T Cambridge主持的Active Badges項(xiàng)目，之后進(jìn)一步改進(jìn)為Active Bats，cricket，微軟的Easy Living項(xiàng)目以及Georgia Tech公司的Smart Floor項(xiàng)目等。上述項(xiàng)目雖然取得了一定的效果，有的還可以達(dá)到毫米級(jí)的精度，但這些

6、定位系統(tǒng)需要添加新的硬件，系統(tǒng)部署復(fù)雜，維護(hù)成本高，可擴(kuò)展性差。 </p><p>　　2選題依據(jù)與研究意義</p><p>　　從以上研究背景可以看出，目前的定位技術(shù)還不能完全滿(mǎn)足普適計(jì)算應(yīng)用的要求，特別是在室內(nèi)的環(huán)境里。隨著無(wú)線局域網(wǎng)的廣泛部署和普及應(yīng)用，利用無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，簡(jiǎn)稱(chēng)WLAN)的室內(nèi)定位技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)

7、技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組為IEEE 802．1l，目前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802．1lb和IEEE 802．1lg。WLAN網(wǎng)絡(luò)具有高速通信、部署方便的特點(diǎn)，切合了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)移動(dòng)辦公、移動(dòng)生活?yuàn)蕵?lè)的需求。室內(nèi)環(huán)境和人們活動(dòng)的熱點(diǎn)地區(qū)(如機(jī)場(chǎng)、寫(xiě)字樓、大型超市、校園、酒店和家庭)是WLAN主要的應(yīng)用環(huán)境?；跓o(wú)線局域網(wǎng)的定位就是在無(wú)線局域網(wǎng)中通過(guò)對(duì)接收到的無(wú)線電信號(hào)的特征信息進(jìn)行分析，根據(jù)特定

8、的算法來(lái)計(jì)算出被測(cè)物體所在的位置。</p><p>　　目前，無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)中的一個(gè)組成部分。許多移動(dòng)設(shè)備，像筆記本、PDA、智能手機(jī)，已經(jīng)內(nèi)置了對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的支持。因此，它可以有效地避免了部署專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，不需要添加其他的硬件設(shè)備或電子標(biāo)簽，從而降低了成本。其次，與采用紅外線、視頻信號(hào)的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，基于無(wú)線局域網(wǎng)的定位系統(tǒng)能夠使用的范圍更大。無(wú)線信號(hào)通?？梢愿采w整個(gè)大樓甚至是

9、一個(gè)樓群，因此既能被應(yīng)用在室內(nèi)又能被應(yīng)用在室外。第三，在使用無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信功能的同時(shí)，用戶(hù)還可以獲得定位服務(wù)以及基于位置的服務(wù)，反過(guò)來(lái)也充分開(kāi)發(fā)了無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用潛能。最后，由于無(wú)線射頻信號(hào)的健壯傳輸，基于無(wú)線局域網(wǎng)的定位系統(tǒng)是一種比較穩(wěn)定的系統(tǒng)。那些基于視頻或者基于紅外線的定位系統(tǒng)更容易受到限制，比如，基于視頻的技術(shù)</p><p>　　對(duì)用戶(hù)的定位需要在可視的條件下：當(dāng)有熒光照射或陽(yáng)光直射時(shí)，紅外線信號(hào)

10、的性能會(huì)大大降低?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，無(wú)線局域網(wǎng)定位技術(shù)的研究引起了越來(lái)越多研究者的興趣。</p><p>　　2006年8月，世界第一大信息技術(shù)研究與咨詢(xún)公司Gartner發(fā)布了(2006年新興技術(shù)發(fā)展周期》的報(bào)告，該報(bào)告對(duì)36項(xiàng)重要技術(shù)的成熟度、影響力、市場(chǎng)接受速度以及未來(lái)十年的趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)估。其中，定位技術(shù)被評(píng)為具有特別高影響力的技術(shù)。 Gartner指出借助WLAN以及其他定位技術(shù)對(duì)移動(dòng)用戶(hù)提供的基于位置的服務(wù)

11、將會(huì)被認(rèn)同并獲得快速的發(fā)展，在未來(lái)五年內(nèi)，位置感知應(yīng)用程序?qū)⒊蔀橹髁??？梢?jiàn)，對(duì)基于無(wú)線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。</p><p><b>　　3研究難點(diǎn)</b></p><p>　　利用信號(hào)強(qiáng)度定位的重要前提是用戶(hù)收到的信號(hào)強(qiáng)度隨著與AP間距離的增大而減小。這一基本規(guī)律在RADAR系統(tǒng)伽的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但是這種變化只是近似的線性變

12、化，在室內(nèi)距離近、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下，障礙物的影響難以忽略。各種噪聲的干擾是室內(nèi)定位的困難之一。干擾因素可以歸納為以下幾個(gè)方面：</p><p>　　IEEE 802．1lb／g協(xié)議已成為無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用的主流，它們工作在2．4GHz的公共頻段上，這使得信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到其他使用該頻段的設(shè)備(如手機(jī)、微波爐、采用B1uetooth協(xié)議通訊的設(shè)備)的干擾。</p><p>　　人體90％

13、的成分是水，水的共振頻率為2．4GHz，因此人體也是干擾無(wú)線信號(hào)的因素之一。BahlE9]和Kaema—rungsiEl3]的實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明，同一地點(diǎn)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著用戶(hù)站立方向的不同而發(fā)生顯著的變化。當(dāng)用戶(hù)面朝AP時(shí)，AP的信號(hào)到達(dá)網(wǎng)卡為視距傳播(LOS，Line of Sight)，信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)；而當(dāng)用戶(hù)背朝AP時(shí)，用戶(hù)的身體遮擋了信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度下降，兩者之間的差別可達(dá)5～10dBm。</p><p>　　由

14、于室內(nèi)建筑布局復(fù)雜，信號(hào)傳播中會(huì)受到家具、門(mén)窗、墻壁、天花板的阻擋，引起無(wú)線電信號(hào)的反射、折射、衍射現(xiàn)象，發(fā)射信號(hào)往往經(jīng)過(guò)多條不同路徑，以不同的時(shí)間到達(dá)用戶(hù)，造成傳播信號(hào)在時(shí)延擴(kuò)展、信號(hào)幅度、頻率和相位的改變，從而導(dǎo)致多徑傳播(Multipath)效應(yīng)。多徑傳播是基于到達(dá)角度、信號(hào)強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間或時(shí)間差測(cè)量系統(tǒng)定位誤差的主要來(lái)源。</p><p>　　在無(wú)線局域網(wǎng)中，基于接收信號(hào)強(qiáng)度定位的另外一個(gè)難點(diǎn)是如何使定位

15、方法具有良好的環(huán)境可適應(yīng)性。所謂可適應(yīng)性是指當(dāng)定位系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境發(fā)生改變后，定位算法也能利用某種機(jī)制探測(cè)出來(lái)并自動(dòng)地進(jìn)行修正，以保證算法的正確性。環(huán)境中可能的變化有：</p><p>　?、貯P數(shù)量的變化。比如有的AP發(fā)生故障，部署新的AP。</p><p>　?、谑覂?nèi)布局的變化。如房間進(jìn)行了新的裝修，布置了家具，或者原有家具進(jìn)行大范圍的調(diào)整?？梢钥闯?，上述兩個(gè)定位難點(diǎn)將直接影響定位算法的

16、準(zhǔn)確性和定位系統(tǒng)能否進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。</p><p><b>　　4主要研究方法</b></p><p>　　近似法、三角測(cè)量法和場(chǎng)景分析法是3種基本的位置感知技術(shù)。近似法即當(dāng)物體靠近某一已知位置對(duì)，由該位置來(lái)定位物體。三角測(cè)量法采用三角形的幾何特性計(jì)算物體的位置。場(chǎng)景分析法則利用從某一優(yōu)勢(shì)位置觀察到的場(chǎng)景中的特征信息，來(lái)估計(jì)觀測(cè)者的位置或者場(chǎng)景中某一物體的位置。在基于

17、信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位方法中，相應(yīng)的分別是最強(qiáng)基站法、傳播模型法和位置指紋法。</p><p>　　在無(wú)線局域網(wǎng)中，最簡(jiǎn)單的定位方法是將無(wú)線終端用于數(shù)據(jù)通信的訪問(wèn)點(diǎn)(AP)的位置，近似地作為估計(jì)的位置，稱(chēng)為最強(qiáng)基站法。它不需要復(fù)雜的算法和任何的參數(shù)估計(jì)，也不需要在客戶(hù)端添加新的軟件。但是該方法定位的精度局限在AP的信號(hào)覆蓋范圍，不能進(jìn)行精確定位。傳播模型法利用信號(hào)在室內(nèi)的傳播衰減變化規(guī)律，將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成信號(hào)傳播的距

18、離，根據(jù)已知的AP位置和三角測(cè)量原理計(jì)算出用戶(hù)的位置。這類(lèi)方法簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，但它的定位準(zhǔn)確性主要依賴(lài)于傳播衰減模型是否正確，是否能夠適合定位區(qū)域復(fù)雜的建筑和平面布局環(huán)境。根據(jù)傳播衰減模型的來(lái)源又分為物理模型法和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?，即一種由信號(hào)傳播衰減的物理特性得到，另一種由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ǖ玫降膫鞑ツＰ透m合待定位環(huán)境，但它普遍性不好，使這類(lèi)定位系統(tǒng)難以推廣。</p><p>　　位置指紋法完全在實(shí)驗(yàn)

19、的基礎(chǔ)上進(jìn)行，分為離線勘測(cè)和在線定位兩個(gè)階段。離線勘測(cè)是在待定位區(qū)域里按照一定的間隔距離確定若干采樣點(diǎn)，形成一個(gè)采樣點(diǎn)的網(wǎng)格，并將每個(gè)點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度連同其位置信息一同保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，這些信息被稱(chēng)為位置指紋(Location Fingerprints)或射電天圖(Radio Map)。在線定位時(shí)，將實(shí)時(shí)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息比較，取信號(hào)強(qiáng)度最接近的點(diǎn)的位置作為估計(jì)的位置。換個(gè)角度，位置指紋法也可以被看作是讓計(jì)算機(jī)先學(xué)習(xí)信號(hào)強(qiáng)

20、度與位置間的內(nèi)在規(guī)律，然后再推理的過(guò)程，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論也被越來(lái)越多地應(yīng)用進(jìn)來(lái)。根據(jù)位置指紋在數(shù)據(jù)庫(kù)中的保存形式，又可以分為確定性方法和概率分布法。確定性方法保存一定采樣時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的平均值；概率分布法保存的是一定時(shí)間內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的概率分布，如直方圖。相應(yīng)地，在匹配時(shí)確定性方法多采用歐式距離衡量?jī)蓚€(gè)信號(hào)強(qiáng)度之間的相似性；概率分布法多使用貝葉斯公式來(lái)判斷。確定性方法比概率分布法更簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)更方便；而概率分布法對(duì)信號(hào)

21、中噪聲的抗干擾性較好，因此準(zhǔn)確度較高。目前位置指紋法研究得較多。</p><p>　　確定性方法是一種比較簡(jiǎn)單的位置指紋法，它最早出現(xiàn)在RADAR定位系統(tǒng)中。每個(gè)采樣點(diǎn)處的位置指紋保存來(lái)自AP的信號(hào)強(qiáng)度的平均值。通過(guò)采用歐幾里得幾何距離或其他距離(如曼哈頓距離)度量測(cè)量值與位置指紋之間的差異，并取差異值最小的位置指紋的位置作為估計(jì)的位置。用數(shù)學(xué)公式表示為 </p><p>　　其中n

22、表示AP的個(gè)數(shù)，表示實(shí)時(shí)收到的來(lái)自第i個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度，表示數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)強(qiáng)度平均值。RA—DAR稱(chēng)為最近鄰居法。此外，考慮到相鄰采樣點(diǎn)的相似性，還提出了K個(gè)最近鄰居法和加權(quán)K個(gè)最近鄰居法，即分別以采樣點(diǎn)處樣本的個(gè)數(shù)和樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為權(quán)值。不同之處表現(xiàn)在根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度的信息，首先確定可能所屬的位置集合，減少計(jì)算的次數(shù)。</p><p><b>　　5進(jìn)度安排</b></p>

23、<p><b>　　第一周至第四周</b></p><p>　　翻譯文獻(xiàn)，查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)并整合大致思路，完成開(kāi)題報(bào)告；掌握基于無(wú)線局域網(wǎng)定位的基礎(chǔ)知識(shí)，與定位相關(guān)算法</p><p><b>　　第五至第十周</b></p><p>　　確定初步有效的位置指紋定位算法并進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，解決在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的

24、問(wèn)題，逐步完善方案。 </p><p><b>　　第十一周至十二周</b></p><p>　　對(duì)相關(guān)工作進(jìn)一步完善，確定并完成最終解決方案，處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論；翻譯相關(guān)外文文獻(xiàn)。</p><p><b>　　第十三周至十六周</b></p><p>　　編寫(xiě)并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文和翻譯外文資料

25、，準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。</p><p><b>　　7參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 董梅,楊曾,張健,等.基于信號(hào)強(qiáng)度的無(wú)線局域網(wǎng)定位技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2004(12).[2] 劉乃安.無(wú)限局域網(wǎng)原理技術(shù)與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2004.[3] 王璐,秦汝祥.基于RFID的井下跟蹤人員定位系統(tǒng)研究[J].安全,2004(1).[

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